摘  要： 基于兩線圈無線電能傳輸結(jié)構(gòu)，采用實(shí)驗(yàn)的方法，分析了磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率、傳輸距離以及傳輸效率三者之間的關(guān)系。驗(yàn)證了系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時傳輸效率最高這一結(jié)論。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的諧振頻率會隨傳輸距離的變化而產(chǎn)生波動，且在特定傳輸距離上傳輸效率最高，稱為最佳傳輸距離。此外，收發(fā)線圈之間的距離處于最佳傳輸距離附近時，系統(tǒng)的諧振頻率越高，傳輸效率越高。利用互感耦合理論，對最佳傳輸距離作了理論分析，結(jié)果表明，最佳傳輸距離與電源和負(fù)載的阻抗的匹配情況有關(guān)。
關(guān)鍵詞： 磁共振耦合；無線能量傳輸；諧振頻率；傳輸距離；傳輸效率

　為了擺脫有形輸電介質(zhì)的束縛，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，早在20世紀(jì)初，Nikola Tesla提出無線輸電試驗(yàn)的構(gòu)想，雖然當(dāng)時這一設(shè)想并未實(shí)現(xiàn)，但人們對無線電能傳輸技術(shù)的研究探索并未中斷。近年來，無線電能傳輸技術(shù)作為21世紀(jì)最值得期待的技術(shù)受到了國際社會的廣泛關(guān)注。
　無線電能傳輸WPT（Wireless Power Transfer），又稱無接觸式電能傳輸CPT（Contactless Power Transfer），是一種以非接觸的方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸方式，即通過電磁感應(yīng)、共振、射頻、微波和激光等方式實(shí)現(xiàn)電能的非接觸式傳輸[1]?，F(xiàn)有的無線電能傳輸技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)手段可分為感應(yīng)耦合傳輸、共振耦合傳輸、無線電射頻傳輸、微波傳輸和激光傳輸?shù)取?br /> 　磁共振耦合無線電能傳輸技術(shù)是利用接收線圈固有頻率與發(fā)射電磁頻率一致時引起電磁共振[2]，發(fā)生強(qiáng)電磁耦合，從而實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)囊环N技術(shù)。該技術(shù)自2007年由麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授所在團(tuán)隊(duì)[3]提出以來，備受各國研究人員關(guān)注。目前已針對磁共振耦合無線電能傳輸技術(shù)做了大量研究，已有文獻(xiàn)涉及的主要研究內(nèi)容包括無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型[4]、線圈設(shè)計(jì)和傳輸特性[5-7]等，其主要目的是在保證傳輸距離的前提下提高傳輸效率，實(shí)現(xiàn)電能高效穩(wěn)定傳輸。本文以實(shí)驗(yàn)的方法得出無線電能傳輸?shù)膫鬏旑l率、傳輸效率以及傳輸距離三者間的關(guān)系，并通過分析論證了實(shí)驗(yàn)的合理性。
1 無線電能傳輸系統(tǒng)模型構(gòu)建
1.1 基本結(jié)構(gòu)
　利用磁共振耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，至少需要兩個線圈作為收發(fā)線圈，即為兩線圈結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[3]為了便于實(shí)現(xiàn)電源匹配和負(fù)載匹配，采用四線圈結(jié)構(gòu)，即增加兩個線圈分別作為發(fā)射線圈和接收線圈，以獨(dú)立于電源和負(fù)載。本文為了便于分析，采用兩線圈結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1所示。

　由圖3可知，隨頻率的增加，傳輸效率先增大后減小，且在諧振點(diǎn)時達(dá)最大值，即收發(fā)線圈在發(fā)生諧振時傳輸效率最高。此外，在距離D=10 cm時，諧振頻率f1=1.359 MHz；D=20 cm時，諧振頻率f2=1.382 MHz。諧振頻率前后變化不大，但其效率明顯下降，說明傳輸距離對諧振頻率影響不大，卻是影響傳輸效率的重要因素。
　改變收發(fā)線圈間的距離，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率使接收端示波器觀測到的輸出電壓峰峰值最大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

　將線圈兩端并聯(lián)電容更換為C=1 nF，精度為10%，重復(fù)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

　分析圖6可知：經(jīng)計(jì)算得諧振頻率為2.77 MHz，即提高了系統(tǒng)的諧振頻率。由曲線圖可知，當(dāng)距離D>10 cm時，諧振頻率的變化對傳輸效率影響不大；當(dāng)距離D<10 cm時，諧振頻率越高效率越高。
　本文對磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和線圈設(shè)計(jì)作了簡要介紹，通過實(shí)驗(yàn)的方法得出了無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸頻率、傳輸距離及傳輸效率三者之間的關(guān)系，驗(yàn)證了系統(tǒng)處于諧振時傳輸效率最高這一結(jié)論，并推導(dǎo)分析了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)最佳傳輸距離這一現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)還表明，在最佳傳輸距離附近，系統(tǒng)的諧振頻率越高，傳輸效率越高。本文的實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果對無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。
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