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1、无线电能传输技术及应用,姓名：李灏,专业：机械电子工程,学号：,SX1505101,主要内容,1,3,无线电能传输技术简介,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,2,无线电能传输在植入医疗器械中的应用,无线电能传输技术简介,电能的无线传输这一概念的提出最早可以追溯到,19,世纪,末期。,1893,年，,Nikola Tesla,在芝加哥举行的世界博览会,上首次展示了通过无线方式供电的荧光照明灯。,1891,年,Tesla,向外展示无线传输原理,无线电能传输,(wireless power,transfer,WPT),又称为无接触,式电能传输,(contactless,power transfer
2、 CPT),，指的是,电能从电源到负载的一种没有,经过电气直接接触的能量传输,方式。无线电能传输一直是人,类的梦想。,2007,年，美国麻省理工学院,(Massachusetts Institute of Technology)MIT),的,Marin Soljacic,教授等人基于磁耦合谐振原理在中等距离无线电能传输,方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了,1,盏离电源,2m,开外的,60W,灯泡,，效率达到了,40%,，并在,Science,杂志上发表了其研究成果，引起了,世界轰动。随后，世界各地的研究人员对无线电能传输开展了越来越多,的研究。,无线电能传输技术简介,MIT,无线电能传输装置
3、和实验组成员,无线电能传输技术简介,无线电能传输,电磁辐射,式,无线电波,激光,电场耦合,式,磁场耦合,式,谐振式,感应式,超声波等,无线电能传输分类,无线电能传输技术简介,空间太阳能发电站,SHARP,项目中微波供电样机,微波辐射式无线电能传输及相关应用,微波转换,装置,DC/AC,无线发射,与聚焦系,统,无线接收,微波转换,装置,AC/DC,能量,输入,能量,输出,无线电能传输技术简介,感应耦合式无线电能传输及相关应用,感应式无线电能传输技术就是利用了法拉第电磁感应定律，将输,入线圈与输出线圈临近放置，使输入线圈流入交变电流，进而产生交,变磁场，变化的磁场在输出线圈感应出电动势，完成无线电
4、能传输，,整个过程是电能一磁场能一电能的转化方式。,应用,充电式电,动汽车,植入电,子药疗,个人电子,消费产品,日常家,电,无线电能传输技术简介,充电式电动汽车,诺基亚,Lumia920,无线充电,无线电能传输技术简介,电磁耦合谐振式无线电能传输技术,是由麻省理工学院,(MIT,）,Marin Soljacic,教授于,2006,年美国物理学会工业物理论坛上首次提出,的，其工作原理是利用两个具有相同谐振频率且具有高品质因数的电磁,系统，当发射线圈以某一特定频率工作时，在与之相距一定的距离的接,收线圈通过分布式电容与电感的耦合作用，产生电磁耦合谐振，高频电,磁能量在两线圈之间发生大比例交换，当接
5、收线圈上接有负载时，负载,会将一部分能量吸收，从而实现了电能的无线传输。,无线电能传输技术简介,MIT,螺旋式无线电能传输样机,美国高通公司生产的多终端充电台,海尔无尾电视,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,一、基本传输结构,1.,两线圈结构,2.,四线圈结构,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,谐振式无线电能传输技术最基本的实现方式是采用两线圈结构，即直,接将高频电源与发射线圈连接，负载与接收线圈连接，通过线圈本身的分,散电容或集中补偿电容实现谐振，采用两线圈结构的电路模型简单，系统,设计简单。但是，采用两线圈结构模型，将严重限制系统的传输距离，尽,管实现谐振，系统的传输距离也很难满足要求
6、，因为当系统只有发射线圈,与接收线圈时，随着两线圈距离的微小增加，两线圈之间的耦合系数将急,剧减小，从而使传输效率急剧下降。,为了提高传输距离，研究人员提出四线圈结构模型，四线圈结构是在两,线圈结构的基础上增加了电源线圈和负载线圈，之所以采用四个线圈的结,构，是因为当发射线圈与接收线圈之间的距离提高到中等距离后，虽然两,线圈之间的耦合系数很小，但是可以通过调整电源线圈与发射线圈的耦合,系数以及接收线圈与负载线圈的耦合系数，保证系统获得最佳的阻抗匹配,，从而获得较高的传输效率。,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,二、近场理论,磁谐振耦合无线电能传输是在,近区场进行的，在近区场电磁场能,量不向外
7、辐射，即非辐射性磁耦合。,另外，近区场的电磁场强度较强，远区,场为弱场，进入远区场的电磁场波将不能返回对,线圈产生谐振作用，而在近区场电磁场的能量基,本上在发射端与接收端之间周期性的来回流动。,距离发射线圈中心,的范围内为系统传输电能的有效,区域，超出此区域系统将不能有效地传送电能。从这个角度也,可说明磁谐振耦合式无线输电的距离主要是在近场区。,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,三、耦合模理论,磁谐振耦合无线电能传输的理论基础是耦合模理论,(Coupled-Mode,Theory),，其基本思想是在两谐振模式间通过恰当地耦合，即载流线圈之,间通过彼此磁场的相互联系，在某一确定频率下产生谐振，
8、形成能量在,两个谐振腔之间的全转移，从而获得高效率的能量转移，而其他偏离谐,振频率的物体之间的相互作用较弱，对能量传输影响较小。,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,四、电路理论,利用两线圈结构的等效电路图，根据基尔霍夫,定律，可得到两线圈结构的回路方程：,当电源频率等于系统自谐振频率时，发生谐,振，此时有：,方程组可进一步简化，从而解出整个系统。,磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性,五、磁耦合谐振式无线传输特性,磁耦合谐振式无线电能传输,(magnetically-coupled resonant,wireless power transfer,MCR-WPT),利用谐振原理，使得其在,中等
9、距,离,（传输距离一般为传输线圈直径的几倍,),传输时，仍能得到,较高,的效率和较大的功率,，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影,响。相比于感应式，该方法传输,距离较远,;,相比于辐射式，其,对电,磁环境的影响较小,，且功率较大。正是由于这些优点，,MCR-WPT,得到越来越多的研究。,无线电能传输在植入医疗器械中的应用,植入式电子装置,1.,植入式刺激器,2.,植入式电子测量系统,3.,植入式药疗装置,4.,植入式人工器官及辅助装置,心脏起搏器、除颤器,胶囊内窥镜,植入式注射泵,人工心脏、人工耳蜗,目前市面上的一些植入式医学电了装置均采用锂电池供电，这种,内置电池供电方式的最大缺点就是使用
10、寿命的限制，一旦电池能量耗,尽，人们只能通过再次手术来更换电池，而有些患者由于年事已高或,者其他原因不宜再次手术，即使可以手术也会带来一定的风险。,无线电能传输在植入医疗器械中的应用,无线电能传输的特点非常适用于医学式植入式,电子器件领域：,?,只有当接收线圈存在且与发射接收线圈具有相同的谐,振频率时才能实现能量的传递，而非该特定频率的物,体则基本不受影响。,?,由于该技术属于近场无损非辐射谐振耦合，相比于电,磁感应、体导电等方法，它具有更远的传输距离和更,高的传输效率。,?,该技术在能量传输的过程中不受非导磁性障碍物的影,响，这就表示它具有一定的穿透力，可以应用于譬如,生物组织内部等视线达不
11、到的地方。,无线电能传输在植入医疗器械中的应用,2011,年，美国华盛顿大学、匹兹堡大学医学中心与英特尔宣布，利用磁耦合谐振,无线电能传输技术，共同试制出了植入式人工心脏使用的供电系统，该系统在一般的,直径为数十厘米谐振线圈的基础上进行了改进，在人工心脏上安装了直径,4.3cm,的接收,线圈，并且将其放入模拟人体组织环境的容器中，对能否从容器外部供电进行了实验,研究。结果显示，能够以,80%,的传输效率稳定施供电。如果把该技术与容量可为人工,心脏供电约,2,个小时的蓄电池组合使用，电源线就无需探出体外感染的风险会因此而骤,降。而且，在蓄电池未耗尽期问，患者还可以取下电源系统，可淋浴、可在泳池游泳,。而且该技术将不仅限于人工心脏，在其他的医学领域也会有较为广泛的应用。,美国两所大学与英特尔试,制成功人工心脏无线供电,系统,无线电能传输在植入医疗器械中的应用,植入式人工心脏无线电能传输临床试验中出现了几大问,题：,线圈方位敏感,环境参数敏感,植入性和便携性难题,电磁兼容问题,如果上述问题得不到妥善解决，就无法在患者自由活动的情况下提,供可靠而持续的无线电能传输，患者体内就需要植入备用电池，无,线电能传输可能就失去其优势。到目前为止，基于磁耦合谐振的人,工心脏无线电能传输系统离临床应用还很远。,分布式,FREE-D,人工心脏无线电能传输概念系统,谢谢观看,
