2007年，以美国麻省理工学院Marin Soljacic教授为首的研究团队的实验是无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）历史上的一座里程碑，他们成功点亮了距离超过2m的60W灯泡，传输效率达到了40%。在短短十几年的时间里，无线电能传输技术有了质的飞跃，主要可以分为平面型无线电能传输系统和空间型无线电能传输系统。

近年来，平面型的系统被广泛应用于无人机、电动汽车以及陆地机器人等平面设备的充电之中。但由于某些负载的限制，如植入式医疗器械、微机器人等，这些负载在空间中的位置不定，为了维持其充电效率不随负载位置偏移而波动，同时结合电磁兼容等安全性问题，充电系统需实现较大局部空间内的磁场均匀，而平面型的系统很难满足其充电需求，因此空间型的无线电能传输系统呼之欲出。

目前，关于空间型无线电能传输系统主要有以下几种构成形式：多线圈正交型、旋转线圈型、单导线立体线圈型、多线圈立体型以及亥姆霍兹线圈型等。其中，亥姆霍兹线圈型结构简单，只需单个交流电源即可实现空间均匀磁场分布，受到了众多学者的青睐。

亥姆霍兹线圈系统目前在医疗方面用途广泛，满足了微型肠道机器人等人体内部的医疗器械供电需求，旨在解决传统电缆拖拉供能对人体造成损伤的问题。柯全等学者进行了基于传统亥姆霍兹线圈的微型肠道机器人无线充电系统设计，并分析了系统的功率、稳定性与人体电磁安全性等指标；范志宇等学者进行了基于传统亥姆霍兹线圈的医用内镜无线充电系统设计，并针对发射线圈的失谐问题进行了全方位的分析，提出了开关电容频率补偿方案。

强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员基于医疗微型肠道机器人无线充电系统的特点，通过对多线圈系统进行基本理论分析，提出了针对尺寸设计的优化方案，探究了传统单特征点磁场均匀程度作为决策指标的弊端，其不能保证解的唯一性，同时辨析了多特征点磁场均匀程度作为决策指标的优点，其更有利于获得令磁场均匀的尺寸最优解。

图1 微型肠道机器人的无线充电系统

研究人员结合遗传算法，对三线圈、四线圈系统进行了尺寸优化设计，并与二线圈系统进行对比，证明了优化后四线圈系统的高磁场均匀程度，同时探究了线圈个数对系统性能的影响，为空间型无线电能传输系统的研究奠定了基础。

他们最后提出的研究结论如下：

1）本课题分析了圆状线圈的磁场特性，对多线圈系统在空间所产生的磁场分布进行理论分析，阐述了耦合结构优化中的约束条件、目标变量以及决策指标。指出了单特征点磁场均匀程度设计方案的缺陷。在此基础上，对多特征点指标进行设计，证明了优化解的唯一性，为无线电能传输耦合机构设计提供了理论依据。

2）利用遗传算法，结合多特征点指标，对三线圈、四线圈系统的匝数比g、距离比s（四线圈系统为s1、s2）进行了结构优化设计。通过与单特征点指标优化方案的对比，指出了多特征点指标优化的优越性。通过对比多线圈系统磁场分布与极小值点个数及其分布特征的关系，讨论了极小值点的变化情况及其线圈数量拐点，证实了四线圈系统是较为理想的结构设计方案。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“基于无线电能传输系统多线圈结构参数优化设计”，作者为何祥瑞、荣灿灿 等。