创新创业论坛－１６５－
新型高效率远距离无线充电装置设计
赵纬明
（贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州六盘水５５３００１）
摘要：本文设计了一种新型一对多高效率、远距离的移动终端无线充电装置，利用空间强磁场耦合原理将能量通过无线的
方式进行远距离传输，实现真正意义上对移动设备充电。本装置可应用于家庭、车站、机场、学校、办公室等场，相比其他充电装置
提高效率，减少能量损失，可以在一定范围内同时为多部移动终端设备充电。
关键词：无线输电；空间强磁场耦合；谐振
１概述
特斯拉，在无线电能传输领域，注册了超过２Ｏ个专利，已成
为无线电能传输领域的先驱，虽然这一伟大设想未能实现，但
这成为了谐振式无线输电的起源。２００７年６月，美国麻省理工 学院宣布利用电磁共振原理，成功点亮了一个距离供电电源２ 米远，额定功率６０Ｗ的电灯泡，真正意义的实现无线电能传输， 并且应用于实际生活中…。 随着人类社会生活水平的不断进步，移动终端设备已日益 普及，目前市面上常见的充电器只能是一对一进行有线充电， 这种充电器不仅无法满足现有家庭具备多种移动终端设备的 结构，而且很多这种充电器由于不符合规范，充电效率低，具有 安全隐患，给生产生活带来不便。本文设计制作新型一对多高 效率远距离的移动终端，无线充电装置采用强磁场作为能量传 输通道，这样不仅提高了传输效率同时减少了能量损耗，具备 一对多、远距离传输等诸多特点，为日后的无线充电装置的进 步奠定基础。 ２设计方案 ２．１电路部分设计 通过高频振荡线圈，将一定的电子电路设计使发射端和接 收端线圈在固定的频率高频震荡，通过精确调谐产生一种非定 向非辐射磁场将电能转换成磁场，当传输范围内有接收线圈时 便会在两个线圈间形成一个无形的“能量通道”，接收线圈将磁 场的能量转换成电能，实现了电能的无线传输最终达到了为移 动终端设备远距离高效无线充电的目的。设计制作出发射端电 路，如图ｌ所示。 图１发射端电路原理图 ２．２硬件部分 该新型一对多高效率远距离的移动终端无线充电装置的发 射部分为磁场激发装置，主要采用了有机玻璃做为外壳以及线 圈支架，该结构具有重量轻，强度高，价格便宜，美观等特点。同
时，不会影响能量在空间中的传递效果，有效控制了本装置的
制作成本，并且保持了良好的传输效果及传输效率。接收部分
采用自行设计的薄膜柔性电路板做为接收线圈，具有厚度薄，
接收效率高，易于安装等特点，大多数移动设备都 Ｔ以直接安
装使用，不需要对移动设备进行复杂改动。
图２手机充电实验示意图
３理论设计计算
３．１耦合模理论
耦合模理论是研究两个或多个电磁波模式间耦合的一般规
律的理论，又称耦合波理论。这个理论应用于研究Ｎ个波动
间耦合的状态。耦合一般发生在同一波导中不同的电磁波模式
之间，也可以发生在不同波导的电磁波模式之间。一定区域内．
中距离有效的能量传输发生在强耦合共振点。根据耦合模理论
ＣＭＴ来建立模型，其公式如下所示：
ａ （ｔ）＝（ｉｗ 一ｒ， ）ｎ （ｆ）＋∑ｉｎ ａ （ｆ）＋ （ｆ）
一
１６６一创新创业论坛
如公式，变量ａ （ｔ）被定义为包含在对象ｍ中的能量是
（ｒ）ｌ ，“７埘是独立的物体的谐振角频率，而ｒ 其内在的衰
减率。在这个模型里，参数 和ｒｎ的一个非耦合和驱动的振
荡将演化为Ｐ（ｉＷｏｔ－Ｆｔ）， ： 是谐振体的耦合系数，而ｖｄｔ）
是驱动条件。
首先假设两个研究对象，一个设备为源设备，一个设备为驱
动设备。使用恒定频率去驱动源设备，两个设备间具有耦合吸
收ｋ。能量被驱动设备Ｄ接收后通过一个电阻负载ｗ做功，并
且产生一个除ｒ。之外的衰减率ｒ 。因此，整体的衰减率变为
ＧＤ．＝ ＋ 。接收能量在负载端被消耗，也就是２ｒ 。（ｆ） 最
大传输效率１１取决于负载衰减ｌ、 ，通过实验研究发现，当两
个设备同时处于共振时，且使用效率最高，其效率表达式如下
所示： Ｆ
卵 ——■—— ——— —— ———■——
。 Ｆｓ１ ｒ十（ｒＤ＋ｒ ）ｌ Ｄ１
Ｆ
ｒＤ ｒ ＦＤ
＋
『１
当取Ｆ ／ＦＤ＝ｆ１＋ ／ＦｓｒＤ）ｒ时可以得到最大值。假
设要使得效率变得更高，就要公式满足 ／ｒ ｒＤ＞１。此种
研究情况需要在强磁合耦合下实现，在能量传输中共振现象提
供了重要的依据，而对于非共振磁形式，则需要与 ／ｒ 。值相
接近去提高工作效率。
３．２谐振线圈理论模型
在实验过程中，源线圈感应耦合蹈振荡电路，负载线圈感应
耦合到电阻性负载上，线圈谐振是通过，电感与电容相结合振
荡实现谐振。假设线圈是总长度为１，匝数Ｎ匝，半径ｒ，高度ｈ
的螺旋结构的导线。依据电磁原理，一个线圈的有效电感，有效
电容计算公式如下所示：
１
：＝＝
１
Ｌ和Ｃ具有这样的性质，线圈上的电压Ｕ有如下的公式定
Ｌ ＼
对于电导率为ｏ－，具有Ｎ匝的线圈，其线圈的标准阻抗（ ）
和辐射阻抗Ｒ 计算公式如下：
：
√
＝
．
ｌ
［ １２，ｚ （ ＋嘉ｃ ］
无线传输电力系统功率的计算公式如下所示，其中，为线
圈之间的互感值，Ａ是矢量势，下标Ｓ表示电源。
Ｐ＝ｆ ｄｒＥｓ（ｒ）· （，．）
＝一
Ｊ ｄ，．【Ａ （，．）＋Ｖ ｓ（ｒ）］·Ｊｏ（ｒ）
＝一
ｊ＝ｆｄ ＋ Ｐｓ（ｒ而ｒ＇－－ｒ
：－ｉｗＭＩｓＩ。
如图３为能量传输示意图，通过发射线圈将能量传送出去，
再通过接收线圈将能量传送到移送设备中。
图３能量传输示意图
本装置采用高频振荡线圈作为共振器，既不是弥漫式电磁
波也不是无线电波式将电能转换成磁场，而是通过一定的技术
手段使线圈在固定的频率高频振荡，通过精确调谐产生一种非
辐射磁场，在两个线圈间形成一个无形的“能量通道”。
接收部分通过一个自振频率与发射频率相同的接收短端将
空间中的磁场转换为电能，实现对移动设备的一对多远距离无
线充电，由于采用了强磁场耦合和高精确度调谐技术，配合精确
的理论建模计算与调试，使无线充电的传输距离大大增加，效率
也大大提高，打破原有所谓无线充电充电器充电时无法离开充
电座以及传统有线充电器只能一对一充电的弊端。可以做到一
台充电器同时为多个移动设备进行充电，由于采用了高频谐振
技术同时通过特殊的技术手段对其进行了精确调谐使其充电
效率较传统有线充电其相比有了大幅度的提升，大大减少的电
能的消耗。传输距离可达１．５米，最多可同时支持８台移动设备
充电，传出功率为２０Ｗ，传输效率达到８１％，各部分性能指标远
优于其他形式充电器。
４创新点及应用前景
本装置的创新点在于：
４．１使用空间强磁场耦合技术使能量通过无线的方式进行
较远距离传输，通过线圈谐振为移动设备充电。
４．２相比其他充电装置提高了效率，减少了能量损失。
４．３可以在一定范围内同时为多部移动终端设备充电，比普
通充电器消耗资源少。
解决了传统有线充电器无法同时为多个设备充电，充电效
率低以及普通接触式无线充电器几乎没有传输距离效率又低
的缺点。输出部分采用高精度振荡器在固定频率上做高频振荡，
使能量以强磁场的形式在空间中无线传输，充电器接受部分为
内置于手机后盖内或贴于手机后面的微型特制柔性线圈与发
射部分在空间场内任意位置耦合接受输出部分传输过来的能
量。由于采用了高频谐振技术同时通过特殊的技术手段对其进
行了精确调谐使其充电效率较传统有线充电其相比有了大幅
度的提升，大大减少的电能的消耗。
参考文献
［１］Ｗａｎｇ Ｇ，Ｌｉｕ Ｗ，Ｓｉｖａｐｒａｋａｓａｍ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｗｅｒ ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ
ｉｍｐｌａｎｔｓ［Ｊ１．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５，５２
ｆ１０）：２１０９—２１ １７．
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