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(shí)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(huì)隨傳輸距離的變化而產(chǎn)生波動(dòng),，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(shí)，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(shí)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(huì)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]。現(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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)達(dá)最大值,，即收發(fā)線圈在發(fā)生諧振時(shí)傳輸效率最高。此外,，在距離D=10 cm時(shí),，諧振頻率f1=1.359 MHz；D=20 cm時(shí),，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(hào)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(shí),，諧振頻率的變化對傳輸效率影響不大,；當(dāng)距離D<10 cm時(shí)，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(shí)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(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[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(jì)[J].機(jī)電工程學(xué)報(bào)，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(jī)工程學(xué)報(bào),，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(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),，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(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012,，16（7）：7-11.
[7] 武瑛,，嚴(yán)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(jī)工程學(xué)報(bào),，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(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),，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(jī)構(gòu)仿真研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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.