无线电力传输
1. 各种无线电力传输技术
无线传输电力的想法已经存在了很长时间。 早在19世纪80年代，尼古拉·特斯拉和其他先驱就开始使用电磁波进行无线电力传输实验。 表1示出了一些代表性的无线电力传输系统。
表1无线电力传输的代表性系统
无线电力传输可大致分为使用无线电波（微波）或激光传输能量的辐射类型和使用电场或磁场传输能量的非辐射类型。 辐射型具有能够长距离传输的优点，但是由于环境条件等引起的能量损失很大，因此传输效率不高。 与此相比，非辐射型基本上被设计成尽可能地减少能量损失，因此产生比辐射型更好的转移效率，但其缺点是传输距离是有限的。
存在两种类型的非辐射无线电力传输系统，即磁场耦合类型和电场耦合类型。 其中，自20世纪90年代以来，无线电力传输的磁场耦合型电磁感应方法被广泛用于对无绳电话，电动剃须刀，电动牙刷等电池充电。使用电磁感应方法运行的电动公交车 对于他们的电池的无线充电，已经实施。 另外，使用电磁感应方法（例如：Qi和PMA标准）对诸如智能电话之类的移动设备的电池充电的各种类型的充电垫和充电座是可商购的。
对于磁共振方法，2006年和2007年在麻省理工学院（麻省理工学院）提交的研究论文引起了人们的兴趣。 随着这种越来越多的关注，概念验证实验已经开始，现在正在全球范围内进行产品开发。
2. 从电磁感应方法到磁共振方法
基于开关电源中使用的变压器的原理解释了电磁感应方法和磁共振方法之间的差异（图1）。 变压器是一种结构，其中初级绕组和次级绕组缠绕在磁芯上。 初级绕组和次级绕组是电隔离的，但是流过初级绕组的电流产生的磁通量的变化（激励电流）通过磁芯传递到次级绕组，并且由于电磁感应而产生电动势 效应，导致电流流到次级绕组（感应电流）。
电磁感应方法
无线电力传输的电磁感应方法使用由放大器单元，电力传输线圈，电力接收线圈和电力接收单元组成的系统。 电力传输线圈单元和电力接收线圈单元类似于其中变压器芯被分开以产生空的空间或“气隙”的结构。 由于系统简单，无线电力传输的电磁方法具有可以低成本实现的优点，但随着电力传输线圈和电力接收线圈之间的距离增加，由于磁耦合减小，传输效率急剧下降。 随着线圈之间的距离增加，一部分磁通量变为漏磁通，这会削弱线圈之间的磁耦合。
图1 使用磁场耦合方法的变压器和无线电力传输系统的基本原理
磁共振法
无线电力传输的磁共振方法是为了克服由于电力传输线圈和电力接收线圈之间的距离而导致效率下降的问题而出现的方法。 磁共振是磁感的特例。
电力传输侧和电力接收侧之间的磁耦合程度由称为耦合系数的值表示。 如果电力传输线圈和电力接收线圈的电感分别是L1和L2，并且互感是M，则耦合系数（或因子）k由下式表示。
耦合系数是0≤k≤1范围内的值，并且在没有漏磁通的情况下理想地等于1（= 100％传输效率）。 但随着线圈之间的距离增加，并且随着线圈中心之间的距离变大，漏磁通增加，结果耦合系数下降。
在磁共振方法中，在电力传输侧以及电力接收侧插入电容器以形成LC（电感器和电容器）谐振电路，并且通过匹配两侧的谐振频率来传输电力。 其优点是即使耦合系数较低，也可以获得高传输效率，通常<0.5（图2）。
图2 无线电力传输的磁共振方法的基本原理
磁共振方法，其中转移效率不会由于距离而容易地下降
在电磁感应和磁共振方法中，电力传输线圈和电力接收线圈之间的距离与传输效率的关系如图3所示。这是两个40×40cm线圈的比较例子。彼此面对面，然后改变它们的相对位置。随着线圈之间的距离（沿Z轴）逐渐增加，在电磁感应方法中，传输效率在线圈直径的一半左右下降到约40％，但在磁共振方法中，传输效率保持在90％或更高。
并且，如果线圈之间的距离保持为10cm并且两者之间的对准改变（沿着X轴），则当线圈中心之间的未对准距离为20cm时，传输效率在电磁下降至40％。感应方法，但在磁共振方法中，传输效率保持在90％。
图3 电磁感应方法和磁共振方法中线圈之间的距离与传输效率的比较
电磁感应方法和磁共振方法都是使用磁耦合的无线电力传输系统，并且通过使用高频电源来传输电力以将高频磁场的变化从电力传输线圈传递到电力接收线圈。。 尽管它是高频磁场的变化，但它不是电磁波。 磁场的变化作为远场区域中的电磁波释放，其表示距离源1 /2π（大约1/6）的距离，而其表现为近场区域中的磁场更接近于 源，其强度与距离的平方成反比。 这就是电磁感应方法中的功率传递距离小的原因。
通过磁共振方法中的电路创新，即使线圈之间的距离是线圈直径的一半或更多，也可以高效地传递功率。 并且，由于磁共振方法支持在宽功率范围内的传输，从低于1W的水平到高于10kW的高功率水平，因此期望它将成为工业应用中的无线功率传输的主流方法之一。
3. 磁共振法的技术问题
磁共振方法中的最大传输效率表示为耦合系数（k）与线圈的品质因数（Q）（kQ乘积）的乘积的函数。即使耦合系数低，也可以通过增加线圈Q来获得高传输效率。这是它与磁感应方法的最大区别。但是，需要克服几个问题来实现无线功率传输的磁共振方法。
线圈的Q值表示为Q =2πfL/ R（其中f是谐振频率，L是线圈电感，R是线圈AC电阻分量）。根据该公式，如果通过增加线圈直径来增加电感，或者通过增加线圈的匝数，理论上，Q将增加。然而，由于在这种情况下电阻分量也增加，因此在线圈设计期间必须优化线圈的形状和尺寸以平衡两者。
还有一个要求是它应该支持共振频率的变化。在磁共振方法中，当电力传输线圈和电力接收线圈彼此放置在最佳距离时，可以获得最大传输效率。与电磁感应方法不同，减小该距离可能导致传输效率下降而不是增加。这是因为当存在与最佳距离的偏差时，互感M改变，导致耦合系数和谐振频率改变。此外，来自线圈周围物体的杂散电容也会影响谐振频率，从而导致未经调整的非优化系统。
因此，在磁共振方法中，通常需要特殊电路来自动跟踪和调谐电路以获得最大效率，这使得系统比电磁感应方法更复杂。存在各种技术来补偿谐振频率的这些波动，但这是磁共振方法中最重要的技术考虑因素，以及线圈设计技术。
4. 无线电力传输系统的有点
在工业设备中安装无线电力传输系统具有以下优点。
● 提高便利性：无需更换电池，自动充电可节省人力。
● 提高安全性和可靠性：由于没有连接电极，因此消除了电极劣化和磨损等缺陷。 无线电力传输可通过玻璃和水下进行。
● 设计多样化：由于没有连接电极，因此防尘和防水的结构设计变得容易。
5. 1kW系统是自动导引车和物流系统的最佳选择
在自动化生产线和仓库中，计算机控制的自动引导车（AGV）大量用于货物运输。有各种类型，例如手推车类型和提升类型，但由于它们都是电池供电的，因此需要频繁更换电池（或充电）。
承载100kg载荷的自动引导车辆可连续使用8小时。除了更换电池所需的劳动力和时间之外，还需要承担更换电池的安排成本。此外，在洁净室内更换手动电池可能会对其清洁产生不利影响。
这些问题的解决方案是使用具有自动充电的无线电力传输，其还具有节省劳力和时间的附加优点。并且当AGV静止以便装载或卸载货物时通过顺序充电，可以安装具有相对小容量的电池，从而大大降低了成本。
TDK用于自动导引车和物流机器人的1kW系统的基本配置如图5所示。电力传输系统由放大器单元和Tx线圈单元组成，而电力接收系统由Rx线圈单元和电力接收组成。单元。 Tx线圈和Rx线圈之间的相互面对的传输距离为20-40mm，公差为±30mm，因此可以实现高效的无线功率传输。电力接收系统的特点是非常紧凑，使其成为小型自动引导车辆的理想选择。
图5 工业设备无线电力传输系统（1 kW）的基本配置
6. 200W系统是移动机器人的最佳选择
200W系统已经开发用于诸如在移动时工作的工业机器人的应用。 对于这种类型的工业机器人，铺设在地板上的电力电缆破坏了工作环境，并且还导致电缆损坏的附加问题。 而且，电力电缆的使用也限制了移动距离。
图6 工业设备无线电力传输系统（200W）的基本配置
7. 用于旋转部件的50W系统，例如机器人臂
50W系统是为具有旋转部件（例如机器人臂和监视摄像机）的应用而开发的无线电力传输系统。
如图8所示，在使用电力电缆的连接方法中，存在电缆扭曲或与轴缠绕并导致断开的风险。 旋转角度也有限制。 这些问题可以通过使用滑环来解决，但是它会导致用于将动力传递到旋转部件的收集环的刷子的接触件的退化和磨损的问题。
图8 传统类型的动力传递系统与旋转部件的问题
这些问题的一个解决方案是向旋转部件的无线功率传输，但是传统方法（图8右）导致其他问题。 由于使用高频磁场传递功率，如果轴是金属的，则产生涡电流，并且产生热量，导致效率下降。
图9 用于旋转部件的50W无线电力传输系统
其内部结构如图10所示。该结构由一个容纳在圆柱形壳体中的电力传输线圈单元组成，并且它被封装在一个较大的圆柱形壳体中，该壳体容纳有电力接收线圈单元。电力传输线圈和电力接收线圈放置在它们各自壳体的内壁上。因此，可以对旋转部件进行无线功率传输而不需要围绕它们缠绕电缆，结果，对旋转角度没有限制。
另外，铁氧体片安装在电力传输侧壳体的内侧以及电力接收侧壳体的外部以容纳线圈的磁通量。由线圈产生的磁通量不会泄漏，因为它在铁氧体片内部的闭合磁路中循环。因此，即使轴是金属的，或者附近有金属物体，它们也不会引起诸如由于涡流引起的发热或效率下降的问题。此外，电路板的设计简单紧凑（外径75mm，高度45mm），因为它集成在线圈中。因此，它是用于旋转部件的最佳无线电力传输系统，例如机器人臂和监视摄像机。
图10 用于旋转部件的50 W无线电力传输系统的内部结构
8. 总结
即使在诸如自动引导车辆和机器人的工业设备领域中，预期无线电力传输系统的引入也会带来便利性，安全性和可靠性的改进，以及由于自动充电而节省劳动力和降低成本。
