文 献 综 述

一.课题研究背景及意义

电能给人类带来了巨大的发展，然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，给人们的生活带来了极大的不便，因此人类一直有摆脱电线的束缚实现电能无线传输的梦想。无线电能传输技术是一种通过电磁效应或者能量交换作用实现从电源到负载无电气接触地进行电能传输的新型输电方式^[1]，相比传统导线输电方式，其具有安全可靠等优点,尤其适用于一些特殊的应用场合，不仅在军事、航空航天、城市电气化交通、工业机器人、工矿企业吊装设备和运输设备、水下作业、高层建筑升降式电梯等领域具有重要的应用价值，而且在家用电子产品、生物医学等领域也具有广泛的应用前景^[2],因此受到了越来越广泛的关注。

根据能量传输过程中中继能量形式的不同，无线电能传输可分为：磁耦合式、电耦合式、电磁辐射式、机械波耦合式^[3]。其中，磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输^[4]。因此对磁耦合无线电能传输系统特性的研究对现代社会有极大的意义。

本课题以此为背景，了解无线电能传输系统的基本结构、工作原理及其研究现状和趋势，并给出有限元分析中可分离变压器中耦合系数的求取方法，利用有限元分析软件建立系统模型，对其进行仿真。

二.发展趋势

传统的电能输送采用有线的方式实现（即利用电缆线作为传输媒介），因此在电力的传输过程中不可避免的会产生传输损耗，同时线路老化、尖端放电等因素也易导致电火花，大大降低了设备供电的可靠性和安全性，缩短设备的使用寿命。一方面在矿场、海底等一些特殊场合，传统的电缆线供电方式所产生这些缺点往往有时将是致命的，严重时会引起爆炸、火灾及设备的损坏等，带来了极大的安全隐患和经济损失，另一方面生活中大量的电器供电势必会导致多种电源线的交叉给人们生活带来的极大的不便。

人类从刚开始利用电能时就期待着一种能实现将电力能量无线输送的方式。早在19世纪中后期，无线电能传输技术（Wireless Power Transfer Technology）就被著名的电气工程师尼古拉#12539;特斯拉提出^[5]，并进行了相关的实验研究，受早期技术、财力等因素的限制，该技术仅仅局限于构想阶段，但同样为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好的蓝图和奠定了一定的研究基础。随后伴随着电磁波理论的发展，古博（Goubau）等人从理论上推算了自由空间波束导波传输能量的可行性^[6]，并做了大量的理论与实验研究。到20世纪初期，日本的H.Yagi等人发明了一种可用于无线电能传输的定向天线（又称八木-宇田天线），可将能量以微波的形式发送出去^[7]，在此基础上雷声公司（Raytheon）的布朗（W.C.Brown）等人又做了大量的研究工作，设计了一种效率高、架构简单的半导体二极管整流天线，可将微波能量转换成直流电，从此微波作为无线电能传输的一种重要方式被广泛研究。到目前为止，利用微波传输电能已经可以实现大功率、远距离的功率输送，与此同时激光作为一种新型的无线能量传输方式也被用来实现大功率远距离的能量传输^[8]。

到20世纪80年代，以电磁感应耦合方式为主的非接触能量传输技术开始被学者们关注，并逐渐应用到电动牙刷、手机、电动汽车等产品的无线供电中，以此为代表的有新西兰奥克兰大学波依斯（Boys）教授为首的课题组^[9]。该课题组经过多年努力在理论和实践上取得了很多重大突破，实现了国家地热公园载人游览车的无线供电试验系统。随后美国汽车工程协会根据Magne-chargeTM系统的设计，制定了在美国使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准#8212;#8212;SAEJ.1773，但感应式无线电能传输技术对磁路的设计要求比较苛刻，导致传输距离较低（多在厘米范围内），导致该技术在大功率无线能量传输的应用中具有很大的局限性^[10]。