原書前言
談到無線電能傳輸（WPT），我們不能不提尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），他在100年前就進行了WPT和無線通信的歷史性實驗。盡管他沒能向另一個大陸發(fā)送無線電能，但他激發(fā)了無線發(fā)送電能的想法。從那時起，幾乎在無線電能傳輸領(lǐng)域每一個試驗和每一份努力都在發(fā)展或者源于特斯拉的想法。他的發(fā)明之一便是三相感應(yīng)電動機，這是一種WPT結(jié)構(gòu)，因為感應(yīng)電動機的定子和轉(zhuǎn)子組成一個發(fā)送器（Tx）和接收器（Rx），形成一個變壓器。變壓器也是一種WPT結(jié)構(gòu)，其中一次和二次繞組是WPT系統(tǒng)的Tx和Rx。令人驚訝的是，松散耦合變壓器出現(xiàn)在感應(yīng)電能傳輸（IPT）系統(tǒng)的等效電路中，這是目前應(yīng)用廣泛的WPT技術(shù)。請注意，交流變壓器的使用使人類社會的電氣化成為可能鑒于此，我們可以說WPT是現(xiàn)代社會的根源之一。
本書的作者從2008年開始就對WPT產(chǎn)生了興趣，也就是在美國麻省理工學(xué)院著名的Soljacic在2.1m距離上無線發(fā)送60W功率的實驗一年之后。
Chun T.Rim博士的研究從道路供電電動汽車（RPEV）的IPT開始，當時加利福尼亞州高級交通和公路（PATH）團隊的合作伙伴已經(jīng)在20世紀90年代展示了他們的RPEV公交車。作為一名電力電子工程師，他在審閱了關(guān)于PATH項目開發(fā)的終報告后，起初并不完全相信RPEV的成功。PATH團隊的60%的低效率和7.6cm的小間距看起來并不適用于商業(yè)化。他不由得想起了KAIST前總裁Nam P.Suh博士。Nam P.Suh堅持認為道路充電電動汽車相比于純電池驅(qū)動電動汽車是更有競爭力的電動汽車商業(yè)化方案。在他的強烈支持和指導(dǎo)下，名為在線電動汽車（OLEV）的韓國版本道路充電電動汽車得到了加速發(fā)展和商業(yè)化。幸運的是，Rim博士成為這個估值超過4000萬美元的韓國全國性項目核心成員之一。他是負責(zé)為OLEV開發(fā)IPT系統(tǒng)的關(guān)鍵團隊成員之一，并在2013年之前為OLEV開發(fā)了四代IPT系統(tǒng)，那時他開始獨立開發(fā)第五代IPT系統(tǒng)。他開發(fā)了U型、W型、I型和S型供電導(dǎo)軌，用于OLEV公共汽車、運動型多用途車和火車。OLEV巴士和火車分別于2014年和2010年部署并商業(yè)化。OLEV被世界經(jīng)濟論壇評選為2010年50項發(fā)明和2013年10項新興技術(shù)中的項。
Rim博士在成功開發(fā)了OLEV之后，將其在WPT的研究領(lǐng)域擴展到了靜態(tài)電動汽車充電、移動設(shè)備充電、機器人電源和無人機電源。2013年，他首次證明了Soljacic的四個線圈的耦合磁共振不是先進的，可以等效地退化為兩個線圈的傳統(tǒng)IPT。此外，他還證明了采用創(chuàng)新偶極子線圈的傳統(tǒng)IPT可以實現(xiàn)長5m、功率為209W的WPT。近，他用同樣的技術(shù)在12m的距離上用IPT獲得了10W的功率傳輸。在2015年，通過在IPT上采用交叉偶極子線圈，對于都是平板型的發(fā)射接收線圈實現(xiàn)了6個自由度的移動充電，從而在自由空間提供連續(xù)無線供電。
他開發(fā)的一系列基于偶極子線圈的IPT顯示了替換基于標準線圈的IPT的可能性，因為偶極子線圈將線圈的維度從兩個減少到一個。這樣，二維偶極子線圈可以產(chǎn)生與三維線圈相同的磁通分布。這種無量綱特性對于緊湊和遠程應(yīng)用［如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和可穿戴設(shè)備］至關(guān)重要。Rim博士目前正在開發(fā)特殊用途的WPT技術(shù)，如無線滑環(huán)、無線核儀器和合成磁場聚焦（SMF）。其中SMF通過合成2013年發(fā)明的陣列線圈的單獨可控電流，可以提高磁場的分辨率。
除了上述WPT技術(shù)的新發(fā)展之外，Rim博士還設(shè)想了WPT的新理論，因為他發(fā)現(xiàn)WPT幾乎沒有可用的理論。麥克斯韋方程不能直接用于線圈設(shè)計和磁場抵消問題。這就是為什么他為線圈設(shè)計開發(fā)了一個磁鏡模型，為共振電路設(shè)計開發(fā)了一個回轉(zhuǎn)器電路模型。在靜態(tài)和動態(tài)WPT的分析和設(shè)計中，采用了他很久以前開發(fā)的相量變換方法。
與此同時，Chris Mi博士于2008年開始了他在WPT的獨立研究。在過去的8年中，他的團隊開發(fā)了許多獨特的WPT系統(tǒng)拓撲，包括雙重LCC補償拓撲、大功率電容無線功率傳輸（CPT）技術(shù)、低紋波動態(tài)WPT等。LCC拓撲達到了8kW，距離150mm，效率超過96%�；�于IPT原理的動態(tài)充電系統(tǒng)的輸出功率紋波小于5%。CPT系統(tǒng)在150mm的距離內(nèi)達到2.5kW的功率水平，效率超過92%。IPT和CPT的結(jié)合使系統(tǒng)效率進一步提高到了96%。
WPT是目前正在被積極研究和廣泛商業(yè)化的熱門課題之一。尤其是在移動電話充電器和固定式電動汽車充電器中，WPT在迅速成長，而RPEV近也引起了全世界的關(guān)注。人們普遍預(yù)計，WPT產(chǎn)業(yè)將在未來幾十年持續(xù)增長。
不幸的是，從基礎(chǔ)理論到工業(yè)應(yīng)用，沒有多少關(guān)于WPT的書籍能全面地解釋這一課題。其中一個原因是WPT技術(shù)的快速發(fā)展。盡管作者的專業(yè)知識不能覆蓋WPT的所有領(lǐng)域，但他們終決定在2016年寫一本關(guān)于WPT的書籍，作為KAIST無線電力電子兩年一次的講座的教科書。Rim博士是這本書的主要作者，Chris Mi博士撰寫了本書中的一章，同時審閱和編輯了整本書。
考慮到WPT的快速發(fā)展，本書將在幾年內(nèi)進行修訂，但我們希望本書的第1版將提供富有成效的的技術(shù)見解，并有強有力的理論基礎(chǔ)。本書可作為研究生或高年級本科生的教科書，也可作為工業(yè)工程師的設(shè)計與分析指導(dǎo)書。
作者希望這本書的讀者了解到工程需要的哲學(xué)思想和基本理論。創(chuàng)新的理念和百年不變的發(fā)明來自對設(shè)計原理和實驗的深刻理解。尤其是，工程師不應(yīng)該過多地積累經(jīng)驗，也不應(yīng)該低估理論。實際上，當涉及金屬或磁心時，人們對WPT的磁場和電場估計還沒有足夠的理論基礎(chǔ)。
本書部分簡要介紹了移動電源、無線電源和電動汽車的概念。
第二部分闡述了IPT的耦合線圈模型、回轉(zhuǎn)器電路模型、磁鏡模型和通用統(tǒng)一動態(tài)相量等理論，后三種理論由Rim博士提出。這一部分對WPT初學(xué)者來說可能有些困難，讀者可以跳過，直到強烈需要理論背景支持的時候再仔細研讀。
在第三部分中，RPEV的IPT內(nèi)容被廣泛覆蓋，使這一部分成為本書重要的章節(jié)。從RPEV的歷史到OLEV-IPT，對I型和S型的技術(shù)以及具體的設(shè)計問題，如控制器、補償電路、電磁場抵消、大容差設(shè)計和供電導(dǎo)軌分段等進行了廣泛的闡述。第8章動態(tài)充電簡介主要由KAIST前總裁Nam P.Suh撰寫。
第四部分解釋了電動汽車靜態(tài)充電的IPT，大偏移量和電容充電問題及其解決的內(nèi)容由Chris Mi撰寫。該部分還介紹了一種可用于動態(tài)充電的異物檢測技術(shù)。考慮到電動汽車充電的文獻較多，由于本書的重點是移動電能的傳輸，因此本部分與動態(tài)充電的處理相比篇幅相對較小，但該部分列出的大量參考文獻為對靜態(tài)電充電感興趣的讀者提供了未涉及的更多細節(jié)。然而，靜態(tài)充電的許多設(shè)計問題與動態(tài)充電的設(shè)計問題相似，因此本書第三部分的設(shè)計原則和問題可適用于該部分。請注意，反過來是不正確的，因為靜態(tài)充電是動態(tài)充電的一種特殊形式，而動態(tài)充電不僅僅是靜態(tài)充電的延伸。
在第五部分中，從耦合磁共振系統(tǒng)的回顧開始，介紹了IPT手機和機器人的移動應(yīng)用，闡述了中遠程IPT和偶極子線圈自由空間全向IPT，并討論了機器人二維全向IPT。
第六部分闡述了無線核儀器和SMF等WPT的特殊應(yīng)用，并展望了WPT的發(fā)展前景。
全書每章都包含一些問題和習(xí)題，這些問題和習(xí)題可能成為潛在的研究主題。
在不久的將來，包括人類在內(nèi)的幾乎所有有價值的物體都將連接到全球網(wǎng)絡(luò)，這就是為什么物聯(lián)網(wǎng)在運輸、物流、證券、公共服務(wù)、家用電器、工廠自動化、軍事、醫(yī)療保健、機器人、無人機和許多其他領(lǐng)域引起如此多的關(guān)注的原因。由于物聯(lián)網(wǎng)包括傳感器、通信設(shè)備和電源，因此WPT將在未來的物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。考慮到傳感器和通信技術(shù)相對成熟，可以說:
無線電能對物聯(lián)網(wǎng)的未來至關(guān)重要。
由于這是本書的第1版，作者歡迎讀者提出任何意見和評論，并將確保在未來版本中納入任何必要的修改或修訂。
作者們感謝所有幫助完成這本書的人。特別是，所呈現(xiàn)的大部分材料是作者及其研究小組其他成員多年工作的結(jié)果。感謝許多敬業(yè)的工作人員和研究生，他們?yōu)檫@本書做出了巨大的貢獻并提供了支持材料。
作者們也要感謝其家人們，在寫這本書的過程中他們給予了極大的支持和犧牲。
誠懇地感謝允許在本書中使用某些材料或圖片等資源的機構(gòu)和個人。雖然作者已盡努力獲得允許使用公共領(lǐng)域和開放互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站上的材料，但如果遺漏了這些信息來源，作者們會為這種疏忽道歉，如果引起出版商的注意，也會在本書未來的版本中糾正這一點。本書中提及的任何產(chǎn)品或供應(yīng)商的名稱僅供參考，不得以任何方式解釋為出版商或作者對此類產(chǎn)品或供應(yīng)商的認可（或不認可）。
后，作者非常感謝John Wiley & Sons有限公司及其編輯人員給予出版這本書的機會，并以各種可能的方式提供幫助，還要感謝KAIST的Ji H.Kim先生，他為這本書手稿的編寫和整理提供了幫助。
Chun T.Rim
Chris Mi
2017年1月1日