《Energy Technology》：Tunable Magnetoelectric Fluxguide Cancels Power Nulls in WPT Systems With Highly Misaligned Coils
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研究人员针对无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）系统中因发射端与接收端对准不良导致耦合系数下降、位置自由度受限甚至产生功率零点的问题，提出了一种基于智能磁电驱动的新方法。该方法将电致伸缩效应与磁致伸缩效应耦合，实现磁通量导引
研究人员针对无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）系统中因发射端与接收端对准不良导致耦合系数下降、位置自由度受限甚至产生功率零点的问题，提出了一种基于智能磁电驱动的新方法。该方法将电致伸缩效应与磁致伸缩效应耦合，实现磁通量导引器的主动调控，使其能够根据接收端的位置分布磁场。该可调磁通量导引器使WPT系统在发射端与接收端良好对准及高度错位情况下均能稳定工作，有效消除了功率零点，提升了耦合性能与位置自由度。研究人员针对最坏情况——完全显现的功率零点进行了验证，证明在高错位条件下仍能实现高效耦合，且在系统对准状态下不会引入显著损耗。实验系统在约200 kHz的谐振频率下稳定运行，该频率位于Qi标准范围内。该可调磁通量导引器在不增加线圈直径的前提下，为扩大充电区域提供了一种高效替代方案，适用于高错位不可避免的场景。
该研究发表于《Energy Technology》，针对近场无线电能传输系统在发射端与接收端发生横向或轴向错位时耦合系数骤降、输出电压降低、位置自由度受限，甚至出现功率零点（power nulls）的问题展开。现有提升错位容忍的方法多依赖增加铁氧体磁芯、补偿电路、多线圈切换或位置传感器，导致系统复杂度、功耗与成本上升，且难以兼顾对准与错位状态下的效率。为此，研究人员提出一种基于磁电复合材料的可调磁通量导引器，通过调控材料的磁导率实现磁场分布的动态优化，从而在消除功率零点的同时保持对准状态下的性能。
关键技术方法包括：采用COMSOL Multiphysics仿真分析双发射线圈与单接收线圈系统的磁场分布及耦合系数变化；设计并制备由压电层（PZT M1100）与磁致伸缩层（Metglas 2605SA1）构成的2–2型磁电复合悬臂梁结构；通过矢量网络分析仪测量散射参数并计算耦合系数与电感变化；在谐振耦合模式下测试感应电压与系统效率，并分析磁通量导引器对谐振频率的影响。
研究结果如下：
Proof of Concept: Tunable Permeability to Actively Guide the Magnetic Field
仿真表明，在接收端下方加入高磁导率材料可消除中心位置的功率零点，但会降低对准状态下的耦合系数。通过施加直流电场驱动压电层产生应变，利用逆磁电效应调节磁致伸缩层的磁导率，可在被动状态下提升错位耦合，在主动状态下恢复对准耦合。
Validation of Power Nulls Removal and Improvement of the Coupling Factor of Highly Misaligned Coils
实验验证了磁通量导引器在150%横向错位下可将耦合系数从接近零提升至40%，并在主动状态下将对准耦合损失从40%降至20%。频率扫描显示，在200 kHz至4 MHz范围内均有效，高于4 MHz时因材料磁导率下降而失效。
Enhanced Performance for Resonant Systems
在谐振频率220 kHz下，磁通量导引器可调节接收线圈电感，从而改变系统谐振点。在中心位置被动状态下感应电压提升64%，在对准位置主动状态下可恢复80%的电压，并实现接近均匀的充电区域。
Discussion
与现有技术相比，该方法无需改变线圈拓扑或增加额外线圈，不依赖位置传感器与通信系统，仅需低复杂度的固态开关控制，重量仅数克，厚度约1 mm。
研究结论部分翻译：
本研究提出了一种新型可调磁电磁通量导引器，可在无线电能传输系统中消除功率零点并提升位置自由度。该导引器利用Metglas的高磁导率实现磁场再分配，并通过磁电效应动态调节磁导率以补偿对准状态下的耦合损失。实验证明其在200 kHz频段内可有效消除功率零点，并在谐振系统中实现电压与效率的提升。该方法结构简单、重量轻、控制方便，适用于Qi标准范围内的高错位场景，为无线电能传输系统的设计与优化提供了新思路。
