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2007年，以美國(guó)麻省理工學(xué)院Marin Soljacic教授為首的研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)是無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）歷史上的一座里程碑，他們成功點(diǎn)亮了距離超過2m的60W燈泡，傳輸效率達(dá)到了40%。在短短十幾年的時(shí)間里，無(wú)線電能傳輸技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，主要可以分為平面型無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)和空間型無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

近年來，平面型的系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車以及陸地機(jī)器人等平面設(shè)備的充電之中。但由于某些負(fù)載的限制，如植入式醫(yī)療器械、微機(jī)器人等，這些負(fù)載在空間中的位置不定，為了維持其充電效率不隨負(fù)載位置偏移而波動(dòng)，同時(shí)結(jié)合電磁兼容等安全性問題，充電系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)較大局部空間內(nèi)的磁場(chǎng)均勻，而平面型的系統(tǒng)很難滿足其充電需求，因此空間型的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)呼之欲出。

目前，關(guān)于空間型無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要有以下幾種構(gòu)成形式：多線圈正交型、旋轉(zhuǎn)線圈型、單導(dǎo)線立體線圈型、多線圈立體型以及亥姆霍茲線圈型等。其中，亥姆霍茲線圈型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需單個(gè)交流電源即可實(shí)現(xiàn)空間均勻磁場(chǎng)分布，受到了眾多學(xué)者的青睞。

亥姆霍茲線圈系統(tǒng)目前在醫(yī)療方面用途廣泛，滿足了微型腸道機(jī)器人等人體內(nèi)部的醫(yī)療器械供電需求，旨在解決傳統(tǒng)電纜拖拉供能對(duì)人體造成損傷的問題?？氯葘W(xué)者進(jìn)行了基于傳統(tǒng)亥姆霍茲線圈的微型腸道機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并分析了系統(tǒng)的功率、穩(wěn)定性與人體電磁安全性等指標(biāo)；范志宇等學(xué)者進(jìn)行了基于傳統(tǒng)亥姆霍茲線圈的醫(yī)用內(nèi)鏡無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并針對(duì)發(fā)射線圈的失諧問題進(jìn)行了全方位的分析，提出了開關(guān)電容頻率補(bǔ)償方案。

強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）的研究人員基于醫(yī)療微型腸道機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過對(duì)多線圈系統(tǒng)進(jìn)行基本理論分析，提出了針對(duì)尺寸設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，探究了傳統(tǒng)單特征點(diǎn)磁場(chǎng)均勻程度作為決策指標(biāo)的弊端，其不能保證解的唯一性，同時(shí)辨析了多特征點(diǎn)磁場(chǎng)均勻程度作為決策指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，其更有利于獲得令磁場(chǎng)均勻的尺寸最優(yōu)解。

圖1 微型腸道機(jī)器人的無(wú)線充電系統(tǒng)

研究人員結(jié)合遺傳算法，對(duì)三線圈、四線圈系統(tǒng)進(jìn)行了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與二線圈系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，證明了優(yōu)化后四線圈系統(tǒng)的高磁場(chǎng)均勻程度，同時(shí)探究了線圈個(gè)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為空間型無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

他們最后提出的研究結(jié)論如下：

1）本課題分析了圓狀線圈的磁場(chǎng)特性，對(duì)多線圈系統(tǒng)在空間所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布進(jìn)行理論分析，闡述了耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的約束條件、目標(biāo)變量以及決策指標(biāo)。指出了單特征點(diǎn)磁場(chǎng)均勻程度設(shè)計(jì)方案的缺陷。在此基礎(chǔ)上，對(duì)多特征點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，證明了優(yōu)化解的唯一性，為無(wú)線電能傳輸耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2）利用遺傳算法，結(jié)合多特征點(diǎn)指標(biāo)，對(duì)三線圈、四線圈系統(tǒng)的匝數(shù)比g、距離比s（四線圈系統(tǒng)為s1、s2）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過與單特征點(diǎn)指標(biāo)優(yōu)化方案的對(duì)比，指出了多特征點(diǎn)指標(biāo)優(yōu)化的優(yōu)越性。通過對(duì)比多線圈系統(tǒng)磁場(chǎng)分布與極小值點(diǎn)個(gè)數(shù)及其分布特征的關(guān)系，討論了極小值點(diǎn)的變化情況及其線圈數(shù)量拐點(diǎn)，證實(shí)了四線圈系統(tǒng)是較為理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

本文編自2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“基于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)多線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)”，作者為何祥瑞、榮燦燦 等。