自從麻省理工大學提出了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)以來，無線電能傳輸技術(shù)受到了越來越多的學者的關(guān)注和研究。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)通過發(fā)射和接收線圈之間的諧振耦合實現(xiàn)電能的高效、中小功率、中遠距離和無輻射的電能傳輸，與感應式無線電能傳輸相比，可以實現(xiàn)更遠距離的傳輸，與微波式無線電能傳輸相比，可以實現(xiàn)無輻射的電能傳輸，可以廣泛的應用到電動汽車充電和智能家居等場合。

諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振器設計直接關(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，但是目前國內(nèi)外鮮有文章對諧振器的設計提出定量化的指導。此外，諧振式無線電能傳輸還可以應用到人體植入器件、電力在線監(jiān)測設備以及航天系統(tǒng)等特殊環(huán)境下的供電場合，在這些環(huán)境中，負載端經(jīng)常會出現(xiàn)大角度的偏轉(zhuǎn)和偏移情況，導致發(fā)射和接收線圈不能處在水平同軸狀態(tài)下進行能量的傳輸，使系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率會隨著大角度的偏轉(zhuǎn)而下降。

文獻[9]設計了變空間尺度多線圈磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，但并沒有解決抗偏轉(zhuǎn)問題；文獻[10]設計了全角度接收系統(tǒng)，實現(xiàn)了大角度偏移的大功率能量接收，但是系統(tǒng)相對封閉，實用性受到限制；文獻[11]設計了三維線圈接收系統(tǒng)，但是并未對諧振器進行定量化的設計，并且沒有分析比較系統(tǒng)的傳輸特性。

為了解決以上問題，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，對一維和三維諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的特性進行建模和仿真。結(jié)合不同的實際需要，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)。

同時本文設計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，本文設計的諧振器可以實現(xiàn)全角度、多姿態(tài)和大功率的能量無線傳輸，并通過仿真分析和實驗驗證了本文設計的正確性和合理性。

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一維和三維諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的特性進行了建模和仿真，研究了傳輸特性與線圈參數(shù)之間的關(guān)系，并通過仿真對線圈的半徑和匝數(shù)進行了定量化的設計。同時根據(jù)實際需要，定量化地設計了三維抗偏轉(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，驗證了本文設計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載功率隨偏移距離變化的關(guān)系，驗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。

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