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有关磁共振的方式无线充电的三个疑问

2015-04-18   来源:互联网   点击:
笔者在《日经电子》11月28日的特辑中撰写了题为"无线供电谁拔头筹"的报道。最近,关于无线供电的报道似乎格外多,这说明了技术开发竞争和实用化的进展变化之快。顺便一提,《日经电子》的"NE Academy"技术解说

笔者在《日经电子》11月28日的特辑中撰写了题为"无线供电谁拔头筹"的报道。最近,关于无线供电的报道似乎格外多,这说明了技术开发竞争和实用化的进展变化之快。顺便一提,《日经电子》的"NE Academy"技术解说专栏也在刊登题为"从根本上理解‘磁共鸣(磁共振)’型无线供电"的连载(全5回,现在连载到第2回)。

首先提出这种磁共鸣方式无线供电技术的是美国麻省理工大学(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的研究员Marin Soljacic。笔者第一次采访Soljacic是在2007年2月。因为只是阅读论文很难相信"电力可以相隔数m或者更远的距离无线传输"。笔者说服觉得"通过电话或邮件交流就可以"的Soljacic,从美国西海岸赶往位于东海岸波斯顿的MIT,在两个小时内问了很多的问题。如此一来,笔者才真正相信"这是真的"。

采访的内容已经刊登在了2007年3月26日刊特辑"电源也将无线"之中。但碍于报道的版面,文中无暇谈及技术详情,很多地方没能尽述,令人颇感遗憾。

但不久后笔者听闻,在日本国内的技术人员之间,出现了对MIT技术的诸多误解、疑问乃至批判。虽说不太清楚原因,但多数误解似乎都与笔者没有尽述采访的内容有关,令笔者颇感遗憾,或者说是抱歉。再加上采访的内容只能以报道的形式公开,笔者虽然有意在日后将其写成报道,但时间一拖就过了5年。

这一次,笔者久违地得到了撰写无线供电特辑的机会,这是把积攒的采访内容和盘托出的绝佳机会。但又因为版面的问题,单是新的采访内容就已经占尽了版面,除了部分内容之外,其他又只得再度尘封。所以在记者博客中,笔者将选取集中几项,汇总Soljacic当时的回答。

疑问1:频率只能是10MHz吗?

首先,在日本技术人员的质疑中,第一个让笔者感到吃惊的便是"共振频率只能是10MHz吗?"。当然,在如今,这个疑问可以算"已经解决"了,但在2~3年之前,"技术人员之间还存在着不是10MHz不行的‘MIT魔咒’"(日本某大学的研究员)。

其实,笔者在当初的采访中也曾问过Soljacic"频率如何选择"。他的回答如下。

Soljacic:频率与系统尺寸和电力传输的可行距离密切相关。例如,作为传输介质使用的磁场在附近的扩散取决于该频率电磁波的波长,或者作为共振器的线圈的尺寸和形状。并不是因为共鸣式无线传输存在特定的频率和系统尺寸。换言之,只要适当调整频率和线圈的尺寸,电力传输的可行距离也可以大幅延长。假设频率在1MHz左右或以下,线圈直径大到6m,在附近的扩散就会达到数十m或更远,如果以电力打比方,恐怕可以传输到30m开外。相反的,如果希望缩小包含线圈在内的系统,那就需要把频率提高到10MHz以上。

如果当时把这些内容写入报道,恐怕就不会出现"MIT魔咒"的说法。但在最近采访日本国内的研究员时,对方曾经表示,就算Soljacic的话在数学上是成立的,也不代表所有假设都能实现。理由是随着频率的改变,安装上的困难会激增。例如,如果因此扩大或缩小线圈,在线圈有限粗细的影响下,共鸣需要的线圈的电容(C)和电感(L)的平衡就会崩溃,无法得到需要的共振频率。实际上,要想在小型系统上进行安装,可以采用在连接线圈的电路中追加个别部件的电容,弥补C的方式。

疑问2:共鸣与共振有区别吗?

在日本国内,还有一个疑问是共鸣与共振有什么区别。关于这个问题,笔者曾经询问过Soljacic:什么是共鸣(resonance)?

Soljacic:共鸣是指相隔一段距离的两个物体或共振器以相同频率振动,同时交换能源的现象。举身边事例的话,把两个固有频率相同的单摆与一根支持棒相连的"耦合摆"比较容易理解。耦合摆之中的单摆A以固有频率开始振动后,振动会传导至另一方的单摆B,其振动又会返回到单摆A,周而复始。如果假设没有损失,而且不设置导出能量的机制,那么,能源就会永远往返于两个单摆之间。共鸣式无线供电的机制与之几乎等价。在自然界中,像这样传导能量,因交换能量而密切结合在一起的现象非常之多。例如,构成原子核的质子和中子就是这样结合的。共鸣型无线供电技术的直接灵感也来源于原子核的共鸣。

共鸣与共振在英语里本来就没有区别,没有问的必要。在把Soljacic的"resonance"翻译成日语的时候,笔者猛然意识到共鸣和共振两个选择,着实烦恼了一番。在那时,笔者想起了电路的共鸣,例如LC电路的共鸣。LC电路只要一开始振动,电流(或电压)就只在一个电路中振动,不与任何地方双向交换能量。从力学的角度来说,LC电路等于一个单摆,或是带弹簧的振子。L和C的数值虽然会决定固有频率,但仅凭如此不会出现共鸣。如Soljacic所说,共鸣出现在耦合摆之中。只有相互振动的"对方"存在,而且能量可以双向交换,才能够叫做共鸣。

LC电路也叫做LC共振电路,这恐怕是因为振动是在电波等来自外部的振动介质的频率与固有频率一致时开始的缘故。但是,如果将其置换为力学系统,这不过是1个振子在外部的激励下独自振动罢了。

说句实话,直到最近笔者都不记得当初为何要把resonance翻译成共鸣。原因之一是这两个词在英语中几乎没有区别。LC共振电路在英语里也叫LC resonant circuit。Soljacic也曾经把歌剧演员用声音振碎酒杯的现象叫做共鸣(resonance)效果。也就是说,resonance不只意味着能量双向交换。要是先考虑到这一点,就会觉得共鸣和共振其实是一回事。但回想起采访当时Soljacic对于共鸣的"定义",按照日语中共鸣与共振的区别,选择共鸣还是有根据的。

第三个疑问是在磁共鸣方式的无线供电中,能否在有负载时保证高共鸣(或高Q值)。这是如今技术人员也会提出的疑问。

在第一次采访Soljacic的时候,也就是MIT通过实验进行展示之前,由线圈等部件组成的理论系统中没有复杂。"当理想的共鸣状态加入负载时,能否维持共振、提取能量?"这是前往MIT之前笔者最大的疑问之一。在采访之前笔者就注意到了共鸣方式的无线供电系统与耦合摆的相似性,但却想不到如何才能在不破坏共鸣状态的情况下,从一侧单摆中提取能量。例如,如果用手触碰处在共鸣状态的一只单摆,通常单摆会停摆。笔者向Soljacic提出了这个疑问。

Soljacic:这个问题很好,那也是我们的核心技术。现在可以透露的是,当有负载的时候,系统的参数当然会发生改变,因此需要动态适应。而且,考虑到能量往返于两个线圈之间,从一个线圈向另一个线圈输送的能量需要在最佳时机收获。我们已经开发出了相应的技术,验证实验已经开始。如果(采访)再晚个2~3个月,或许就可以向你展示了。

虽说回答并非都是正面,但与他们在当时就认识到了这一课题相比,共鸣方式的无线供电反而让人感觉所言非虚。而且,采访Soljacic过了大约3个半月,利用实际系统点亮60W灯泡的论文在学术杂志《科学(Science)》公开发表。

笔者与Soljacic之间还有不少提问和有趣的回答,但这次因为篇幅过长就此打住,希望下次有机会能够继续介绍。(记者:野泽哲生,《日经电子》)

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