技术资讯 I 感应电能传输系统中的磁耦合电路

无线电能传输利用空气中的电磁场作为介质，无需任何物理接触、导线或电缆，就可将电能从一个电路传输至另一个电路。 

WPT 可在短距离内传输电能，这种无线电能传输方式被称为近场 WPT。  

影响感应电能传输系统性能的因素包括频率和磁耦合电路参数，例如线圈间距、线圈尺寸以及线圈环路直径。 

 

传统有线电能传输系统中杂乱的电线与电缆不仅使用不便，有时还存在安全隐患且占用空间。无线电能传输（Wireless power transfers，WPT）系统通过无线方式传输电能，有效规避了传统有线电能传输的这些问题。 

 

无线电能传输的实现基于时变电场、磁场或电磁场技术，该传输系统具有诸多优势，不仅应用于汽车工业，还广泛应用于医疗保健领域以及消费电子和可穿戴设备。

 

在这些应用场景中，通过 WPT 技术传输的功率范围从低到高不等。大功率 WPT 采用磁耦合电路作为电能传输机制。通过感应耦合或磁耦合来传输电能是最常见的 WPT 方式，利用磁耦合线圈实现电能传输。本文将深入探讨感应耦合与磁耦合技术。 

 

汽车行业利用无线电能传输技术给电动汽车充电

 

 

 

无线电能传输 

 

无线电能传输（WPT）利用空气中的电磁场作为介质，无需任何物理接触、导线或电缆即可将电能从一个电路传输至另一个电路。根据所采用的电磁场类型，WPT 可分为以下几类： 

 

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远场 WPT

通过微波、射频波、激光或光波等电磁辐射实现电能传输。

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近场 WPT

通过电场或磁场实现电能传输。

 

无线电能传输的应用  

WPT

 

 

如前所述，无线电能传输在多种场景中找到了用武之地。WPT 可为电动汽车无线充电，成为道路交通系统的重要组成部分。WPT 技术还被应用于植入式医疗器械，为心脏起搏器、脑部监测电路等供电。由于无需布线，WPT 也应用于无尘室、采矿行业和水下环境中。

 

 

近场无线电能传输

WPT 可在短距离内传输电能，这种无线电能传输方式被称为近场 WPT。近场 WPT 主要通过两种方式实现：

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通过交变电场并利用互电容将电能从一个电路传输至另一个电路。这类近场无线电能传输技术通常被称为电容式电能传输（Capacitive Power Transfer，CPT）。CPT 发生在电容耦合电路之间，主要是两个金属电极或电容器极板。金属电极两端电压随时间的变化率是决定 CPT 功率传输等级的核心参数。

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通过交变磁场并利用互感磁通将电能从一个电路传递至另一个电路，这类近场无线电能传输技术被称为感应式电能传输（Inductive Power Transfer，IPT）。IPT 通过磁耦合电路实现，其核心组件通常是两个感应线圈。

 

 

近场 WPT 通过感应或磁耦合电路实现 

感应式电能传输是应用最广泛的近场 WPT 技术，广泛应用于智能手机、植入式医疗器械、可穿戴电子设备及汽车等领域。感应耦合或磁耦合利用导线中电流产生的磁场。当导体载有电流时，其周围会产生磁场。根据电流类型（直流或交流），产生的磁场分别为恒定磁场或交变磁场。当导体绕制成线圈形式时，磁场会被放大。在线圈中引入环路可进一步增强磁场强度。 

 

当第二个（次级）线圈被置于第一个（初级）线圈产生的磁场中时，次级线圈内会感应出电流。当负载连接至次级线圈时，电流流向负载并感应出电压。这就是磁耦合实现无线电能传输的原理。 

 

 

IPT 中的磁耦合电路与变压器有何不同？ 

IPT 的原理是电磁感应，这一原理同样适用于传统变压器。变压器采用高磁导率铁芯，线圈缠绕其上。   

 

变压器的铁芯、初级线圈和次级线圈是实现电磁感应电压的三个核心部件。 

 

IPT 系统中的磁耦合电路是实现无线电能传递的关键组件。其本质是由两个间距较大的线圈构成，这个间距远大于传统变压器中初级线圈和次级线圈的距离。电能传输通过空气介质进行，而空气的磁导率较低。在 IPT 的磁耦合电路中，初级与次级线圈共享的互感通磁路径具有极高的磁阻，形成松耦合线圈结构。 

 

IPT 系统中线圈间的松耦合特性会产生显著的漏磁场。这限制了 IPT 的功率传输水平。影响 IPT 性能的其他因素包括频率和磁耦合电路参数，例如线圈间距、线圈尺寸以及线圈环路直径。就变压器而言，其耦合度较高，相关的漏磁通较低。 

 

对比 IPT 中的变压器与磁耦合电路，后者的初级和次级线圈耦合度相对较低。但与同尺寸的 CPT 系统相比，IPT 系统能在感应线圈间距较大的情况下实现更优越的磁耦合性能。IPT 的这一优势被应用于 WPT 距离超过 100 毫米的电动汽车充电领域。

 

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