1 引言
随着科学技术的发展，社会的不断进步，越来越多的电子产品和设备进入人们的生活，如笔记本，电动车，MP3等，越来越多的人提倡绿色环保、节能和低碳经济。然而传统的接触式电能传输技术中错综复杂的电线限制了这些设备移动的便携性、灵活性、安全性和稳定性，也影响了环境的美观性，人们迫切需要一种新型的电能传输技术来满足日常生活一些新型电气设备及各种特殊环境下的要求。无线电能传输技术能有效解决布线繁乱、设备位置固定化、居室墙面被插座破坏等问题，给人们的生产和生活提供很多的便利；同时还大量节省了布线所用的铜、塑料等材料，节约了资源，减少了污染，具有绿色环保、节能、免维护或少维护等优势。
早在100多年前，无线电能传输就已为人所知，科研人员进行了大量的实验尝试，但终因技术水平受限和传输效率太低，没能实现商品化[1]。随着功率变换技术、现代控制理论、功率开关半导体器件和新型电磁材料技术等的发展以及对无线电能传输技术的日益需求，到20世纪70年代，无线电能传输技术被国内外科研院所和公司的专家学者们大量研究[2]。从所查到的资料上看，国内外研究主要集中在无线电能传输技术的基本原理、电路拓扑结构、功率控制方法、电路补偿方式、频率稳定性分析等方面[3-8]，少见对磁耦合元件的分析与报道[9]。
本文结合目前无线电能传输技术阐述了无线电能传输技术的基本原理及特点，系统地综述了无线电能传输系统的关键部件——磁耦合元件的工作原理和特点以及优化方法。
2 无线电能传输系统简介
无线电能传输系统的总体架构包括电源侧的能量变换环节（工频AC/DC整流滤波、功率因数校正环节、高频DC/AC逆变）、能量传递环节（磁耦合元件）和负载侧的能量调节环节（高频AC/DC整流滤波和功率调节），其结构框图如图1所示。系统工作时，将工频交流电经过整流滤波电路变换成直流电后经过功率因数校正电路和高频逆变环节给初级发射线圈供给高频交流电，次级接收线圈与初级发射线圈中高频交变电流产生的磁链相交链，产生感应电动势，该感应电动势再通过高频整流滤波和功率调节后给各类用电设备的供电。由于能量发射端和能量接收端为分离的两部分，从而避免了传统接触式电能传输存在的接触电击、火花、漏电等潜在危险，降低了接口的滑动磨损，提高了使用寿命且为移动设备和封闭设备的供电难题提供了解决方案，适合为各种特殊环境中的电气设备供电（如化工、矿井、油田等易燃易爆场合、一些水下供电系统及一些封闭供电系统等）。
系统架构中的磁耦合元件在无线电能传输系统中是非常关键的部分，系统通过它才能够实现电能的无线传输。无线电能传输系统的磁耦合元件在原理上与传统的变压器有很多的类似之处，都是应用电磁感应原理实现电能从初级侧到次级侧传递。传统变压器的磁路中气隙很小，其磁动势主要分布在铁芯的磁路上，而铁芯的磁导率很高，磁阻很小，因而在传输相同功率的情况下所需要的励磁电流较小。但无线电能传输的磁耦合元件的初级发射线圈和次级接收线圈是分离的，中间存在着很大的气隙，这就导致其磁动势的很大一部分都是降落在空气磁路中，从而磁耦合元件的漏磁很大，励磁电感很小，初次级线圈之间的耦合系数很小，这不仅对实现电能的高效、大容量无线传输具有很大影响，还会加大电路中功率开关器件的电压电流应力。正是由于磁耦合元件的松耦合特性，导致它是制约无线电能传输系统高效、大容量传递的瓶颈，因此优化磁耦合元件，提高耦合系数对于提高无线电能传输系统的传输效率和传输能力具有重要的意义。
3 目前的研究现状
磁耦合元件是无线电能传输系统的关键部件，其性能的好坏直接影响了整个系统能量的传输效率和传输能力。目前对磁耦合元件的研究主要集中在工作原理的分析，传输效率的分析以及性能的优化，而性能的优化主要是着眼于如何提高它的耦合系数。根据不同应用对象的实际需要，磁耦合元件可以采用初、次级相互分离的磁芯，也可以采用空心线圈。各国学者对有磁芯的磁耦合元件的研究主要集中在磁芯材料的选择、磁芯结构的优化、绕组分布方式，以减小其体积、重量同时保持较高的耦合系数。
3.1 磁耦合元件的工作原理
磁耦合元件的工作原理可以用变压器的T形等效电路或用耦合线圈的互感模型来分析。因采用互感模型分析具有不需要将耦合线圈的励磁电感和漏感分开的优点，所以这里采用互感模型来分析。图2给出了无线电能传输磁耦合元件的互感等效模型。图中R1，R2表示初、次级线圈的内阻，L1，L2表示初、次级线圈的自感，M表示初、次级线圈的互感，I1和I2分别为初、次级线圈电流，ω为电源的角频率，jωMI1是初级线圈电流在次级线圈的感应电压，jωMI2是次级线圈在初级线圈的反映电压。
由图2给出的参考方向，可以得到下面的方程：
U1=(R1+ jωL1)I1+ jωMI2                         (1)
U2=(R2+ jωL2)I2+ jωMI1                         (2)
式(1)和式(2)分别是初、次级的回路方程，根据这两个式子，可以推导出如图3所示的初级侧等效电路图，次级线圈对初级系统的影响可以用反映阻抗Zr来表示。
Zr = Rr + jXr                                                                      (3)

其中 ， ，式中Re表示次级线圈所接的等效负载。次级反映阻抗直接反映了磁耦合元件的功率传输的情况。Rr反映了初级线圈传递到次级线圈有功功率的大小，从Rr的表达式可以看出互感M直接影响到传递到次级的有功功率。而互感的大小是由线圈之间的耦合系数k决定的。磁耦合线圈之间耦合系数为：
                                     (4)
耦合系数k表示了磁耦合元件初、次级线圈耦合程度，与磁耦合元件的磁性材料、磁芯结构，线圈布置方式以及气隙的大小有关。
3.2 磁耦合元件的优化
随着气隙的增大，磁耦合元件的耦合系数会减小。如何提高磁耦合元件的耦合系数，并尽可能地减小体积和重量已然成为研究的难点。要想在一定气隙下，获得更大的耦合系数只能去优化磁性材料、磁芯结构、绕组分布方式等因素。
(1)磁芯材料的选择
由于在无线电能传输系统中，磁耦合元件是松耦合的，初、次级线圈之间的漏感比较大，耦合系数比较小，为减小整个装置的体积，提高系统的能量密度和传输效率，通常系统工作的频率都比较高，但随着频率的提高，磁芯的损耗越来越大，因此无线电能传输系统磁性材料的选择对磁耦合元件实现高效、高功率和体积小型化显得尤为重要。在实际系统中，为了防止磁芯饱和，减小体积，降低磁芯损耗，选取软磁材料一般要求[10]：1) 高的磁导率以降低励磁电流；2) 很小的矫顽磁力和狭窄的磁滞回线以减小磁滞损耗；3) 高的电阻率以减小涡流损耗；4) 足够大的饱和磁感应强度以防止磁芯饱和；5) 低的磁损率；6) 高的居里温度。
一般铁氧体、铁镍软磁合金、非晶合金三种软磁材料都能满足无线电能传输磁耦合元件对磁性材料的要求，但总体性能上来书说，非晶合金的各项指数大体优于其它软磁材料。实际应用中，磁材的选择要对成本、性能、工作环境等进行综合考虑。
(2)磁芯结构的类型
无线电能传输系统磁耦合元件按照初、次级线圈之间的相对运动关系，可以分为三类：1) 相对旋转型[11]，这种类型的磁耦合元件初、次级线圈分别绕在不同的磁芯结构上，磁芯为环形的且初、次级同轴。磁耦合元件在旋转时，耦合系数不会发生变化，具有能量传递不受转速影响的优点；2) 相对滑动型[12]，这种磁耦合元件的特点是其初级侧线圈通常做成导轨型，即通常为一匝的线圈，而次级线圈多是绕在某种磁芯上并与负载相连。这种结构的磁耦合元件能够解决现代电气设备移动的灵活性问题，适用于材料处理系统、有轨电车、磁悬浮列车等各种灵活滑动的场合，有着广阔的应用前景；3) 相对静止型[13]，初、次级保持相对静止，常采用EE型、UU型和C型等结构，适用于各种便携电子设备的电池充电和人体植入式医疗电子设备。图4给出了三种磁耦合元件的示意图。
提高磁耦合元件的耦合系数是提高系统电能传输效率的关键所在。而如何提高耦合系数并尽可能地减小其体积和重量，却是无线电能传输技术的研究难点。为此，各国学者进行了很多的研究。为了提高磁耦合线圈耦合系数，文献[14]不惜以加大磁芯的体积和重量为代价，用体积366cm3、重量为17.2kg的磁芯制作变压器，但过大的体积和重量降低了它的实用价值。文献[15]在文献[14]的基础上，将圆形磁芯分割成扇面，如图5所示。分割后，耦合系数与原来相当，而磁芯重量大大减小，大大增加了它的适用性。此外，新西兰奥克兰大学以Boys教授为核心的课题组也采用分割磁芯方法来优化无线电能传输的磁耦合元件，已达到减轻重量的目的[16]。
对于图4(c)所示的相对静止型的磁芯结构，文献[17]从磁路的思想出发推导了其耦合系数的近似表达式，进而表明磁芯气隙与横向尺寸比值g/L越大，耦合系数越小，变换器的传输效率不高，一般会低于70%。从所查的资料上看，最好的实验结果为：在传输2020W的功率，开关频率为20.1kHz，g/L=0.1875(g=150mm, L=800mm)时，系统的效率为82%[18]。
文献[19]根据文献[17]的磁芯气隙与横向尺寸比值g/L越大，耦合系数越小结论，在气隙g固定的情况下，采用平面磁芯并去掉中柱，以得到更大的横向尺寸L来增大磁件的耦合系数，同时达到减小磁芯体积和重量，改进的磁芯结构如图6所示。
文献[19]还根据磁通耦合特性，将磁场划分为全耦合、部分耦合和漏磁通三个区域并分析各区域的磁阻特性，建立磁耦合元件的磁路模型，得到耦合系数与磁阻的计算公式，进而总结出优化磁芯结构的一般思路并提出了边沿扩展、平面U型的磁芯结构，如图7所示。
(3)绕组优化
为了减小磁耦合元件的体积和提高电能的传输能力，一般磁耦合元件都是工作在较高的频率下，但高频会带来磁耦合线圈由邻近效应和趋肤效应引起的损耗，因此为了减小该损耗，线圈多采取多股细线或Liz线交叉换位的绕法。此外，也可以从绕组的分布方式出发，进行优化无线电能传输的磁耦合元件。
图8给出了U型磁芯分布式绕组和集中式绕组及其Ansoft磁场仿真图，从中可以看出，当采用分布式绕组时，由于初、次级线圈接触比较紧密，磁力线可以在初、次级线圈之间垂直通过，因此漏磁通比较少，耦合系数比较高，因此，在选择绕组分布时，为提高磁耦合线圈的耦合系数应采用分布式绕组[19]。
5 结束语
无线电能传输技术是利用现代电力电子变换技术、电磁谐振技术并借助于现代控制理论、磁场耦合技术和高频电源技术实现电能通过交变磁场从初级发射端到次级接收端的传递。这一技术的出现，有望解决传统能量传输方式存在的各种问题（如移动灵活性差、不安全、不美观等问题），从而被世界各国的研究学者广为青睐并开始进行大量的研究，它向人们展示了广阔、诱人的应用前景，是目前电力电子学领域中极具生命力的发展前沿之一。而磁耦合元件作为无线电能传输的关键部件，其性能的好坏对系统的传输能力和传输效率有着至关重要的影响。目前，磁耦合元件已是制约无线电能传输进一步实现高效能量传递的主要瓶颈。作者就无线电能传输系统磁耦合元件的关键问题进行系统的分析和综述，对磁耦合元件的工作原理、特点和优化方法进行了详述，并给出了磁耦合元件的技术关键和发展趋势，这对更加深入的研究无线电能传输技术具有重要的理论意义和现实的应用价值。
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