全角度三维谐振器，可实现多姿态、大功率的无线电能传输
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中国科学院电工研究所、中国科学院大学的研究人员安慧林、刘国强、李艳红、张超、宋佳祥，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“三维抗偏转磁耦合谐振式无线电能传输谐振器特性研究”），建立了一维和三维磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输特性与谐振器参数之间的关系。
可以根据不同的实际需求，通过仿真分析，实现一维、三维谐振器线圈的半径和匝数等参数定量化的设计，同时分析了一维、三维系统传输特性与偏转角度和偏移距离的关系。最后通过仿真分析和实验验证了该三维谐振器在相同偏转角度条件下，与一维谐振器相比，可以实现大功率、全角度的能量传输，且具有较强的抗偏转能力和多姿态接收能力。
自从麻省理工大学提出了磁耦合谐振式无线电能传输技术以来，无线电能传输技术受到了越来越多的学者的关注和研究。磁耦合谐振式无线电能传输技术通过发射和接收线圈之间的谐振耦合实现电能的高效、中小功率、中远距离和无辐射的电能传输，与感应式无线电能传输相比，可以实现更远距离的传输，与微波式无线电能传输相比，可以实现无辐射的电能传输，可以广泛的应用到电动汽车充电和智能家居等场合。
谐振式无线电能传输系统的谐振器设计直接关系到系统的传输距离、传输效率等传输特性，直接决定系统的优劣，但是目前国内外鲜有文章对谐振器的设计提出定量化的指导。此外，谐振式无线电能传输还可以应用到人体植入器件、电力在线监测设备以及航天系统等特殊环境下的供电场合，在这些环境中，负载端经常会出现大角度的偏转和偏移情况，导致发射和接收线圈不能处在水平同轴状态下进行能量的传输，使系统的传输效率和传输功率会随着大角度的偏转而下降。
文献[9]设计了变空间尺度多线圈磁谐振式无线电能传输系统，但并没有解决抗偏转问题；文献[10]设计了全角度接收系统，实现了大角度偏移的大功率能量接收，但是系统相对封闭，实用性受到限制；文献[11]设计了三维线圈接收系统，但是并未对谐振器进行定量化的设计，并且没有分析比较系统的传输特性。
为了解决以上问题，本文利用电路理论和发射线圈与接收线圈之间的互感公式，对一维和三维谐振无线电能传输系统的特性进行建模和仿真。结合不同的实际需要，建立了一维、三维谐振器线圈的半径和匝数等参数定量化的选择方法，可以快速地选取线圈参数。
同时本文设计了一种全角度三维接收谐振器，具有较好的抗偏转和抗偏移能力，与一维线圈相比，本文设计的谐振器可以实现全角度、多姿态和大功率的能量无线传输，并通过仿真分析和实验验证了本文设计的正确性和合理性。
图5 三维等效电路
图6 三维全角度线圈
本文利用电路理论对一维和三维谐振式无线电能传输系统的特性进行了建模和仿真，研究了传输特性与线圈参数之间的关系，并通过仿真对线圈的半径和匝数进行了定量化的设计。同时根据实际需要，定量化地设计了三维抗偏转谐振器，在接收线圈大角度旋转情况下，比较了一维和三维谐振器的接收功率，验证了本文设计的三维谐振器接收功率始终大于或等于一维谐振接收功率。此外分析了三维谐振器负载功率随偏移距离变化的关系，验证了偏移距离在半径范围内，三维谐振器具有较好的抗偏移能力。
本文设计的三维谐振器具有全角度、抗偏转和抗偏移能力，为磁耦合谐振器无线电能传输的三维多姿态抗偏转三维谐振器设计提供了理论依据，该谐振器及设计方法可以应用到太空无线电能传输、电力在线监测设备及人体植入器件无线供电等应用场合。