电磁-机械同步共振无线传能与转换方法研究

电能无接触传输在不易拖带电线的连续长期供能场合十分必要，而提高效率和传输距离是关键。本课题提出利用电磁-机械同步共振方法和新型磁性功能材料研究在无接触情况下电能和机械能的高效传输和转换问题，这在国内外尚属首次。如果成功，将为电能-机械能的无线高效传输、转换和控制提供可能的解决途径。该研究首先基于电磁场共振耦合原理将电能无线传输到一定范围的空间任意位置，将共振线圈接收的电能转换成磁能，然后采用超磁致伸缩功能材料在磁场的激励下，产生伸缩变形，输出力和位移，实现电能到机械能的高效无线传输和转换，还可以实现无线控制。设计磁致伸缩材料的机械共振频率与电磁场共振频率一致，可以获得正反馈的效果，进一步增强机械能的转换输出效率。设计高品质因数的电路拓扑结构和实现电磁-机械同步共振是研究关键，因此需要建立和求解电、磁、机械（力）场路耦合数学模型。该项研究成果可为不易拖带电线的微小型机器人等的供能提供便利。

本课题提出了电磁-机械同步共振无线电能传输与转换方法。首先研究分析了实现无线电能传输的前提与关键，建立了超磁致伸缩材料的电磁-机械动态强耦合模型，并用现代数值计算方法进行了分析求解，然后构建了电磁-机械同步共振无线电能传输与转换样机，通过实验数据与理论计算结果的对比分析，验证了方法及模型的正确性，从而为实现利用电磁-机械同步共振无线电能传输与转换方法给微型管道机器人等供能奠定了重要基础。课题共发表SCI、EI论文13篇，申请发明专利20项。承办了主题为“无线电能传输关键技术问题与应用前景”的中国科协第57期新观点新学说学术沙龙，课题负责人为领衔专家。课题负责人还代表课题组分别在2009全国电工理论与新技术学术年会、2010年全国电气工程学院院长论坛、2011年全国半导体光源与系统学术年会、2012年全国无线电能传输技术研讨会上作了本课题相关成果的特邀报告，也受邀在中国科学院电工研究所和合肥工业大学作了课题相关成果的报告，并被推选为第十五届中国科协年会第二分会场“无线电能传输技术与应用国际学术研讨会”学术委员会主席。.本课题的主要研究成果如下：.(1) 以电磁场与电磁波理论及耦合模理论为研究依据，深入研究了电磁耦合谐振传能技术原理。建立了能够准确描述基于电磁耦合谐振技术的无线电能传输的数学模型，导出了谐振器时域条件下的能量耦合函数，获得了无线电能传输的前提条件、容量及效率最大化的方法及手段；.(2) 以耦合模理论为指导，根据高频电路理论提出了电磁耦合谐振系统无线电能传输的高频二端口网络模型。并且设计了疏松螺旋线圈式无线电能传输样机，对系统的传输功率、效率、频率特性、负载影响等一系列问题进行了分析、计算与实验验证；.(3) 在具有超磁致伸缩材料的电磁-机械同步共振无线电能接收和转换系统数学建模方面：综合考虑电路、磁场、应力场，电磁谐振和机械共振的共同作用，建立了多物理场动态强耦合模型，并用有限元法进行了分析计算；.(4) 结合超磁致伸缩材料的固有特性，选定了电磁-机械同步共振系统的工作频率，并计算获得了传输效率等关键参数；.(5) 研制了电磁-机械无线电能传输与转换系统的实验样机，并进行了实验测试，验证了所建立模型的正确性。