摘  要： 基于兩線圈無線電能傳輸結(jié)構(gòu)，采用實驗的方法，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。實驗表明，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，實現(xiàn)電能的無線傳輸，早在20世紀初，Nikola Tesla提出無線輸電試驗的構(gòu)想，雖然當時這一設(shè)想并未實現(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)生強電磁耦合，從而實現(xiàn)電能高效傳輸?shù)囊环N技術(shù)。該技術(shù)自2007年由麻省理工學院的Marin Soljacic教授所在團隊[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，實現(xiàn)電能高效穩(wěn)定傳輸。本文以實驗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驗的合理性。
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[3]為了便于實現(xiàn)電源匹配和負載匹配，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，以獨立于電源和負載。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，且在諧振點時達最大值，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。實驗數(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%，重復實驗并進行比較，實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

　分析圖6可知：經(jīng)計算得諧振頻率為2.77 MHz，即提高了系統(tǒng)的諧振頻率。由曲線圖可知，當距離D>10 cm時，諧振頻率的變化對傳輸效率影響不大；當距離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)計作了簡要介紹，通過實驗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，驗證了系統(tǒng)處于諧振時傳輸效率最高這一結(jié)論，并推導分析了實驗中出現(xiàn)最佳傳輸距離這一現(xiàn)象。實驗還表明，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。本文的實驗和分析結(jié)果對無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考價值。
參考文獻
[1] 古麗萍.令人期待的無線電力傳輸及其發(fā)展[J].中國無線電，2012（1）：27-30.
[2] 傅文珍，張波，丘東元.基于諧振耦合的電能無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].機電工程學報，2011，28（6）：746-749.
[3] KURS A， KARALIS A， MOFFATT R， et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J]. Science， 2007，317（5834）：83-86.
[4] 翟淵，孫悅，戴欣.磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J].中國電機工程學報，2012，32（12）：155-160.
[5] 博文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計[J].中國電機工程學報，2009，29（18）：21-26
[6] 李陽，楊慶新，閆卓，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性[J].電機與控制學報，2012，16（7）：7-11.
[7] 武瑛，嚴陸光，徐善綱.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].中國電機工程學報，2004，24（5）：63-66.
[8] 聶一雄，文波，劉藝.無接觸功率傳輸技術(shù)[J].電力科學與技術(shù)學報，2010，25（3）：13-24.
[9] 劉藝，文波，聶一雄.新型無接觸功率傳輸耦合機構(gòu)仿真研究[J].武漢理工大學學報，2010，32（11）：90-94.
[10] WANG N L L． Transistor technologies for RFICs in wireless applications [J]． Microwave Journal，1998，41（2）：98.
[11] PANNIER J， HENDRICKX D， PETR?魪 F， et al. Wireless power transfer for industrial applications through strongly coupled magnetic resonances[EB/OL].www.fmtc.be/downloads.
[12] GROVER FW. Inductance calculations[M]. New York： Courier Dover Publication， 2004.