電磁場與電磁波論文

1、電磁場與電磁波電能的無線傳輸姓名:李明班級:電科1101班學(xué)號:20113011引言電能的傳輸長期以來主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行傳輸,隨著用電設(shè)備對供電品質(zhì)、可靠性、方便性等要求的不斷提高,還有特殊場合、殊地理環(huán)境的供電,使得接觸式電能傳輸方式,越來越不能滿足實(shí)際需要;便攜式電子設(shè)備和家電對快捷方便地獲取電能的需求越來越強(qiáng)烈。因此,無線電能傳輸越來越受到人們的關(guān)注,并被美國技術(shù)評論雜志評選為未來十大科研方向之一。無線電能傳輸技術(shù)最早由著名電氣工程師(物理學(xué)家尼古拉·特斯拉提出,就是借助于電磁場或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。按照電能傳輸原理的不同,無線電能傳輸分為:電磁感應(yīng)式、電磁共振

2、式和電磁輻射式。通過該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以探討將遠(yuǎn)程無線功率傳輸系統(tǒng)做成電子式互感器,研究其在高壓測量方面的應(yīng)用,還可以探討更遠(yuǎn)的距離使將來室內(nèi)電器實(shí)現(xiàn)無線化,所有室內(nèi)電器設(shè)備都裝有無接觸功率傳輸系統(tǒng),電氣設(shè)備通過無接觸功率接收裝置遠(yuǎn)距離高效率的接收電能工作,而電能發(fā)射裝置是可以裝在墻壁內(nèi)或者地板下的,使電氣設(shè)備擺脫電線插座的束縛。此外,無線輸電技術(shù)在特殊的場合也具有廣闊的應(yīng)用前景。例如可以給一些難以架設(shè)線路或危險(xiǎn)的地區(qū)供電;可以解決地面太陽能電站、風(fēng)力電站、原子能電站的電能輸送問題。深入了解其無線傳輸電能的意義和方向,具有十分積極的意義。一、電能無線傳輸技術(shù)的簡介1.1電能無線傳輸?shù)默F(xiàn)狀1.1.

3、1電能無線傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀一、國外研究現(xiàn)狀國外對無線電能傳輸技術(shù)的研究較早,早在20 世紀(jì)70 年代中期就出現(xiàn)了無線電動牙刷,隨后發(fā)布了幾項(xiàng)有關(guān)這類設(shè)備的美國專利。20世紀(jì)90 年代初期,新西蘭奧克蘭大學(xué)對感應(yīng)耦合功率傳輸技術(shù)(ICPT進(jìn)行研究,經(jīng)過十多年的努力,該技術(shù)在理論和實(shí)踐上已經(jīng)獲得重大突破。研究主要集中在給移動設(shè)備,特別是在惡劣環(huán)境下工作的設(shè)備的供電問題,如電動汽車、起重機(jī)、手提充電器、電梯、傳送帶、運(yùn)貨行車,以及水下、井下設(shè)備。其能量等級、距離、效率等指標(biāo)都在不斷提高,目前實(shí)用設(shè)備己達(dá)200kW、數(shù)千米的傳輸距離和85%的以上的傳輸效率。二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在無線輸電技術(shù)方面研究還處

4、于起步階段,近年來,中科院院士嚴(yán)陸光和西安交通大學(xué)的王兆安等人也開始對該新型電能接入技術(shù)進(jìn)行研究。重慶大學(xué)自動化學(xué)院非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)課題組自2001 年便開始了對國內(nèi)外非接觸式電能接入技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論與實(shí)用技術(shù)的密切跟蹤和研究,并與國際上在該領(lǐng)域研發(fā)工作處于領(lǐng)先水平的新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯教授為首的課題組核心成員Patrick AiguoHu 博士進(jìn)行了深層次的學(xué)術(shù)交流與科技合作,在理論和技術(shù)成果上有了較大的突破。2007年2月,課題組攻克了非接觸感應(yīng)供電的關(guān)鍵技術(shù)難題,建立了完整的理論體系,并研制出了非接觸電能傳輸裝置,該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)600 至1000W 的電能輸出,傳輸效率為70%,

5、并且能夠向多個用電設(shè)備同時供電,即使用電設(shè)備頻繁增減,也不會影響其供電的穩(wěn)定性。1.1.2電能無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀一、短程無線供電技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)商品化的非接觸式充電系統(tǒng), 其電能發(fā)射端的線圈(連接電源與接收端的線圈(在電子產(chǎn)品中,處于兩個分離的裝置中, 電能通過感應(yīng)線圈傳送, 這類似一個線圈間耦合不緊密的變壓器。最早使用變壓器原理進(jìn)行無線供電的產(chǎn)品是一些電動牙刷、電胡刀和無繩電話等。二、中程無線供電技術(shù)我們了解頻率介于75kHz 和約10GHz 之間的電磁波俗稱無線電波,可以用來傳送廣播和電視節(jié)目、進(jìn)行通信和傳真, 但是對其傳輸電能的本領(lǐng)比較陌生。通常電磁波在自由空間傳輸能量的過程中會向四面八

6、方散發(fā)、不易集中、定向性差,因而供電效率是個問題; 另外, 還有對空間造成電磁污染的擔(dān)憂。有人認(rèn)為電磁波可以無線傳輸較長的距離,但輸送能量有限, 存在傳輸功率比較低( 甚至只有幾微瓦到幾毫瓦 的問題。Powercast 公司的相關(guān)研究是利用電磁波損失小的天線技術(shù), 借助二極管、非接觸IC 卡和無線電子標(biāo)簽等, 實(shí)現(xiàn)效率較高的無線電力傳輸。三、遠(yuǎn)程無線供電技術(shù)從科學(xué)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的角度來講,無線供電和有線供電將會各有千秋。如果作為地面長距離輸電或者所有家用電器的長期供電,無線供電可能未必實(shí)用。除鋪設(shè)輸電線路困難的地區(qū)之外,但有一個特殊科技領(lǐng)域的發(fā)展非常倚重?zé)o線電力傳輸技術(shù),那就是太空領(lǐng)域了

7、,比如人造衛(wèi)星、航天器之間的能量傳輸?shù)?而首當(dāng)其沖的是未來太空太陽能發(fā)電站隔空給地球無線供電的研究擺在人們面前。在外太空進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)電的國家有美、日、法、德、俄等。來自美國國防部的一份報(bào)告稱,建立空間太陽能電站的構(gòu)想無論在技術(shù)方面還是在經(jīng)濟(jì)方面都是可行的。太陽光是永恒不變的,太陽所釋放的能量相當(dāng)于當(dāng)前全球所消耗能量的10萬億倍, 美國國家航天學(xué)會副主席馬克霍普金(MarkHopkins 說:我們只需要開發(fā)其中一少部分,就足以應(yīng)付我們當(dāng)前和未來許多年的能源需求。根據(jù)美國科學(xué)家預(yù)測,到2025年,美國有可能在太空建造100 座太陽能電站, 將會滿足美國全國30%的電力。而日本從20世紀(jì)80年代也已展

8、開太空太陽能相關(guān)研究,目標(biāo)是在2030年前向太空發(fā)射一顆對地靜止衛(wèi)星, 這顆衛(wèi)星將為地球上50 萬戶家庭提供10 億W 電能。目前,日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的研究人員將微波和激光看作是傳輸太陽能的可能選擇。二、電能無線傳輸?shù)脑砑疤攸c(diǎn)2.1電磁感應(yīng)式無線電能傳輸非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)早在100 年前就已經(jīng)為人所知,通常采用非接觸變壓器耦合進(jìn)行無線電力傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開, 變壓器原邊繞組流過的是高頻交流電,通過原、副邊繞組的“電磁感應(yīng)”將電能傳輸?shù)礁边吚@組及用電設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)在電源和用電負(fù)載之間的能量傳遞而不需物理連接。該系統(tǒng)主要由三個部分組成,即能量發(fā)送端、無接觸變壓器和

9、能量接收端,系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。 圖2-1電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)脑韴D下圖2-2是非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)框圖。 圖2-2電磁感應(yīng)式無線電能傳輸仿真圖特點(diǎn):利用非接觸“電磁感應(yīng)”來進(jìn)行無線供電傳輸是非常成熟的技術(shù),但會受到很多限制。比如變壓器繞組的位置,氣隙的寬度,使得磁場會隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離,只能加大磁場的強(qiáng)度。然而,磁場強(qiáng)度太大一方面會增加電能的消耗,另一方面可能會導(dǎo)致附近使用磁信號來記錄信息的設(shè)備失效。所以其有效傳輸距離只有幾厘米,所以這種無線電力傳輸只能是短距離電能傳輸。2.2電磁共振式無線電能傳輸電磁共振式(又稱WiTricity 技術(shù)是由麻省理工學(xué)院(

10、MIT的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合,利用線圈及放置兩端的平板電容器,共同組成諧振電路,實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。2007 年6 月,麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈?？?Marin Soljacic和他的研究團(tuán)隊(duì)取得了新的進(jìn)展。他們給一個直徑60 厘米的線圈通電,6 英尺(約1.9 米之外連接在另一個線圈上的60 瓦燈泡被點(diǎn)亮了。這個實(shí)驗(yàn)中發(fā)送端和接收端的線圈組成一個磁共振系統(tǒng),當(dāng)發(fā)送端的磁振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時,接收端就產(chǎn)生共振,從而實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。典型的電磁共振耦合無線輸電系統(tǒng)如圖2-3 所示。 圖2-3 基于電磁共振的無線

11、輸電系統(tǒng)框圖整個裝置包含兩個線圈,每一個線圈都是一個自振系統(tǒng)。其中一個是發(fā)射裝置,與能量源相連,它并不向外發(fā)射電磁波,而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流,在周圍形成非輻射磁場,即將電能轉(zhuǎn)換成磁場;當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時,接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng),完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。在能量傳輸?shù)倪^程中,電磁波的頻率越高其向空間輻射能量就越大,傳輸?shù)男室簿驮礁?。特點(diǎn):根據(jù)共振的特性,能量傳輸是在一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行,對這個共振系統(tǒng)之外的物體不會產(chǎn)生什么影響。當(dāng)發(fā)射端通電時,它并不會向外發(fā)射電磁波,而只是在周圍形成一個非輻射的磁場。這個磁場用來和接收端聯(lián)絡(luò),激發(fā)接收

12、端的共振,從而以很小的消耗為代價(jià)來傳輸能量。無線傳輸能量過程中的磁場強(qiáng)度不過和地球磁場強(qiáng)度相似,不會對人體和周圍設(shè)備產(chǎn)生不良影響。這種新技術(shù)所消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應(yīng)供電技術(shù)的百萬分之一,其有效傳輸距離為幾十厘米到幾米,所以這種傳輸形式是中程傳輸。2.3電磁輻射式無線電能傳輸該方式主要采用微波波段進(jìn)行電能傳輸。微波是波長介于無線電波和紅外線之間的電磁波。由于頻率較高,能順利通過電離層而不反射。宇宙空間對微波傳輸十分理想,幾乎沒有能量損耗,通過大氣層時的損耗為2%。微波輸電利用電磁輻射原理,由電源送出電力,通過微波轉(zhuǎn)換器將工頻交流電變換成微波,再通過發(fā)射站的微波發(fā)射天線送到空間,然后傳輸?shù)降孛?/p>

13、微波接收站,接收到的微波通過轉(zhuǎn)換器將微波變換成工頻交流電,供用戶使用。遠(yuǎn)場一般指遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裝置尺寸的幾千米以上的傳輸距離。只要合理設(shè)計(jì)接收機(jī)形狀,采用高精度定向天線或高質(zhì)量的平行激光束就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳能。通過無線電波可以在微波范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量定向傳輸,接收端采用硅整流二極管天線可將微波能量轉(zhuǎn)換回電能。在人體允許的能量密度1mW/cm2 范圍內(nèi),在直徑為10km 的空間中,傳遞能量可達(dá)750MW。無線電波波長越短,其定向性越好,彌散越小。因此,可以利用微波或激光來實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸,這對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題有著重要意義。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展,能源消耗越來越大, 環(huán)境污染和電力

14、需求的迅速增長使得人們越來越重視可再生能源的發(fā)展。其中太陽能以其能量高,取之不盡,用之不竭,全天候供應(yīng)成為能量的最理想來源之一。特點(diǎn):傳輸距離為幾千米,屬于遠(yuǎn)程傳輸。三、無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用3.1電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用電磁感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)早已經(jīng)為人所知,但因?yàn)樾侍?沒能商業(yè)化。隨著功率變換技術(shù)、控制技術(shù)和磁性材料的發(fā)展,非接觸電磁感應(yīng)電能傳輸技術(shù)得到了迅速發(fā)展。大功率方面的應(yīng)用,比如20 世紀(jì)90 年代新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思公司已將非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)成功應(yīng)用于新西蘭Rotorua 國家地?zé)峁珗@的30KW 旅客電動運(yùn)輸車。德國奧姆富(WAMPELER公司150KW 載人電動火

15、車,軌道長度達(dá)400m,氣隙為120mm,是目前最大的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)3。小功率應(yīng)用方面近幾年發(fā)展迅速,主要是對便攜式終端設(shè)備進(jìn)行無線充電的研究。2010 年7月無線充電聯(lián)盟,發(fā)布了Qi 標(biāo)準(zhǔn)對便攜式終端充電設(shè)備的生產(chǎn)和制造進(jìn)行規(guī)范,其應(yīng)用的就是電磁感應(yīng)式無線電能傳輸原理。3.2電磁共振式無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用磁共振無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛,小到幾十毫瓦的生物植入電子器件,大到上千瓦的電動汽車或運(yùn)動機(jī)器人都可以得到應(yīng)用。主要應(yīng)用于:植入電子器件:如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、全人工心臟等;交通運(yùn)輸以及水下、井下:如電動汽車、磁懸浮、海底探測、井下設(shè)備等;驅(qū)動機(jī)器人:如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、運(yùn)動機(jī)器人等

16、;電池充電:如手機(jī)、電動牙刷、電動剃須刀、筆記本電腦充電等3.3電磁輻射式無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用日本已制造出衛(wèi)星電站,位于地球靜止軌道上,其發(fā)電能力達(dá)到500KW,距離地面36000km,微波輸電就是把太陽能電池產(chǎn)生的直流電能,用微波管轉(zhuǎn)換成微波波束,天線發(fā)射到地面接收站,再還原為交流電送到用戶。微波輸電時,用于無線輸電的微波束強(qiáng)度僅為5mW·/cm-2,比100mW/cm-2 的陽光強(qiáng)度小得多。因此,微波無線輸電十分安全,不會發(fā)生電離,不會使周圍生物的基因發(fā)生變異。在微波接收器下面甚至可以種植蔬菜。但是地面接收天線面積很大,其功率密度低于安全標(biāo)準(zhǔn),選 2.45GHZ 的微波時,對環(huán)境和

17、生態(tài)影響不大,但對通信和雷達(dá)、射電天文干擾很大。微波輸電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還有一些問題,大面積推廣還需時日,但可以肯定,隨著科技的發(fā)展,微波輸電會有廣泛的應(yīng)用前景。四、電能傳輸技術(shù)未來領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例4.1短程無線供電技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例一、無接點(diǎn)充電插座。對用于手機(jī)的無接點(diǎn)充電器而言, 只要在充電座和手機(jī)中安裝發(fā)射和接收電能的線圈, 便可實(shí)現(xiàn)無接點(diǎn)充電這不僅將擺脫線纜的束縛而且還將消除接口差異的限制, 因此無線充電器設(shè)計(jì)更加人性化并且減少資源浪費(fèi)。二、“免電池”無線鼠標(biāo)。無線鼠標(biāo)( 需要在專門配備的鼠標(biāo)墊上操作 這里的鼠標(biāo)和配墊都有奧秘兩者內(nèi)部都安裝了電磁感應(yīng)線圈, 鼠標(biāo)墊通過連接電腦的USB 接口即可獲

18、得電能,并由其感應(yīng)線圈向鼠標(biāo)內(nèi)的感應(yīng)線圈輸送電能, 可以給鼠標(biāo)進(jìn)行無線供電并進(jìn)行信號感應(yīng), 這里也涉及到了人們常講的RFID( 無線射頻識別技術(shù)。三、多功能家用電器無線供電“膜片”。用一片圖書大小的柔軟塑料膜片就可對家電進(jìn)行無線供電該特制塑料膜上面印刷有半導(dǎo)體感應(yīng)線圈, 厚度約1mm、面積約20cm2、重約50g , 可以貼在桌子、地板、墻壁上, 可為圣誕樹上的LED、裝飾燈、魚缸水中的燈泡或小型電機(jī)供電。使用前家用電器需要裝上可接收電能的感應(yīng)線圈, 然后放到相應(yīng)位置即可得到無線供電。四、植入式醫(yī)學(xué)器件的充電技術(shù)。目前, 心臟調(diào)節(jié)器、心臟除顫器等單植入式醫(yī)療裝置市場已達(dá)數(shù)十億美元, 這些植入裝

19、置需要電池供電, 當(dāng)電池將耗盡時, 如果能通過無線供電方式充電則將避免動手術(shù)等大麻煩。日本東北大學(xué)小柳光教授, 在2007 年SSDM 國際會議上, 發(fā)表過使用電磁感應(yīng)型無線供電技術(shù)成果, 他主持試制出可從外部向植入眼球的人工視網(wǎng)膜用LSI ( Large- Scale Integration 大規(guī)模集成電路進(jìn)行無線供電的系統(tǒng)。另外, 據(jù)2007 年7 月多家媒體報(bào)道,英國南安普敦大學(xué)的研究者成功地研發(fā)出一款能將振動轉(zhuǎn)化為電能的“迷你發(fā)電機(jī)”, 可望將來能憑借心臟病人的心跳為自己的心臟起搏器供電,避免更換電池時動手術(shù)。據(jù)說這項(xiàng)技術(shù)也可能應(yīng)用于手機(jī)MP3 等移動裝置,僅靠人類的心跳就能無線充電。

20、4.2中程無線供電技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例一、Powercast 無線充電器。它獨(dú)特的電磁波接收裝置, 能夠根據(jù)不同的負(fù)載、電場強(qiáng)度來做調(diào)整, 同時還能維持穩(wěn)定的直流電壓。二、感應(yīng)電力傳輸技術(shù)( IPT 。( 1 日本太阪富庫( DAIFUKU公司的單軌行車和無電平自動運(yùn)貨車。這些設(shè)備當(dāng)前已成功地用于許多材料運(yùn)輸系統(tǒng)中, 特別是在一些惡劣的環(huán)境下, 如噴漆車間等。( 2 德國奧姆富爾(WAMPEI ER 公司的200kw 載人電動火車巳試車成功。該公司還成功地將感應(yīng)電力傳輸技術(shù)用于電動游船的水下驅(qū)動。( 3 新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思( UNISERVICES 公司基于電子與電氣工程系的技術(shù)成功地開發(fā)了兩

21、項(xiàng)有關(guān)IPT 的實(shí)用項(xiàng)目: 一是高速公路發(fā)光分道貓眼系統(tǒng), 目前正運(yùn)行于新西蘭惠靈頓大隧道中; 另一個是用Rotorua 國家地?zé)峁珗@的30 kw 感應(yīng)電動汽車, 現(xiàn)已安全運(yùn)行約2 年。4.3遠(yuǎn)程無線供電技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例一、關(guān)于微波傳輸電能。微波是波長介于無線電波和紅外線輻射之間的電磁波, 目前已廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動通信。微波送電是全世界的研究熱點(diǎn), 據(jù)報(bào)道1967 年美國空軍同雷神公司合作進(jìn)行了世界上首次電力微波傳輸試驗(yàn), 成功地通過微波向模擬直升機(jī)提供電力。1994年, 科學(xué)家利用微波將5kW 的電力送達(dá)42m 遠(yuǎn)也取得成功。前面提到的法國皮格努萊特利用微波進(jìn)行的無線輸電試驗(yàn)是把一部發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能, 先通過磁控管轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉? 再由發(fā)射器將微波束送出, 40m 外的接收器接收后,由變流機(jī)將微波轉(zhuǎn)換為電流, 然后將一個200