自從麻省理工大學(xué)提出了磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)以來(lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)受到了越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注和研究。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)通過(guò)發(fā)射和接收線圈之間的諧振耦合實(shí)現(xiàn)電能的高效、中小功率、中遠(yuǎn)距離和無(wú)輻射的電能傳輸，與感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸相比，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸，與微波式無(wú)線電能傳輸相比，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)輻射的電能傳輸，可以廣泛的應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電和智能家居等場(chǎng)合。

諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的諧振器設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸距離、傳輸效率等傳輸特性，直接決定系統(tǒng)的優(yōu)劣，但是目前國(guó)內(nèi)外鮮有文章對(duì)諧振器的設(shè)計(jì)提出定量化的指導(dǎo)。此外，諧振式無(wú)線電能傳輸還可以應(yīng)用到人體植入器件、電力在線監(jiān)測(cè)設(shè)備以及航天系統(tǒng)等特殊環(huán)境下的供電場(chǎng)合，在這些環(huán)境中，負(fù)載端經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大角度的偏轉(zhuǎn)和偏移情況，導(dǎo)致發(fā)射和接收線圈不能處在水平同軸狀態(tài)下進(jìn)行能量的傳輸，使系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率會(huì)隨著大角度的偏轉(zhuǎn)而下降。

文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了變空間尺度多線圈磁諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，但并沒(méi)有解決抗偏轉(zhuǎn)問(wèn)題；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了全角度接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大角度偏移的大功率能量接收，但是系統(tǒng)相對(duì)封閉，實(shí)用性受到限制；文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了三維線圈接收系統(tǒng)，但是并未對(duì)諧振器進(jìn)行定量化的設(shè)計(jì)，并且沒(méi)有分析比較系統(tǒng)的傳輸特性。

為了解決以上問(wèn)題，本文利用電路理論和發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感公式，對(duì)一維和三維諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的特性進(jìn)行建模和仿真。結(jié)合不同的實(shí)際需要，建立了一維、三維諧振器線圈的半徑和匝數(shù)等參數(shù)定量化的選擇方法，可以快速地選取線圈參數(shù)。

同時(shí)本文設(shè)計(jì)了一種全角度三維接收諧振器，具有較好的抗偏轉(zhuǎn)和抗偏移能力，與一維線圈相比，本文設(shè)計(jì)的諧振器可以實(shí)現(xiàn)全角度、多姿態(tài)和大功率的能量無(wú)線傳輸，并通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

圖5 三維等效電路

圖6 三維全角度線圈

總結(jié)

本文利用電路理論對(duì)一維和三維諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的特性進(jìn)行了建模和仿真，研究了傳輸特性與線圈參數(shù)之間的關(guān)系，并通過(guò)仿真對(duì)線圈的半徑和匝數(shù)進(jìn)行了定量化的設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要，定量化地設(shè)計(jì)了三維抗偏轉(zhuǎn)諧振器，在接收線圈大角度旋轉(zhuǎn)情況下，比較了一維和三維諧振器的接收功率，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的三維諧振器接收功率始終大于或等于一維諧振接收功率。此外分析了三維諧振器負(fù)載功率隨偏移距離變化的關(guān)系，驗(yàn)證了偏移距離在半徑范圍內(nèi)，三維諧振器具有較好的抗偏移能力。

本文設(shè)計(jì)的三維諧振器具有全角度、抗偏轉(zhuǎn)和抗偏移能力，為磁耦合諧振器無(wú)線電能傳輸?shù)娜S多姿態(tài)抗偏轉(zhuǎn)三維諧振器設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，該諧振器及設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用到太空無(wú)線電能傳輸、電力在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及人體植入器件無(wú)線供電等應(yīng)用場(chǎng)合。