摘 要：基于两线圈无线电能传输结构，采用实验的方法，分析了磁共振耦合无线电能传输系统的谐振频率、传输距离以及传输效率三者之间的关系。验证了系统处于谐振状态时传输效率最高这一结论。实验表明，系统的谐振频率会随传输距离的变化而产生波动，且在特定传输距离上传输效率最高，称为最佳传输距离。此外，收发线圈之间的距离处于最佳传输距离附近时，系统的谐振频率越高，传输效率越高。利用互感耦合理论，对最佳传输距离作了理论分析，结果表明，最佳传输距离与电源和负载的阻抗的匹配情况有关。
关键词：磁共振耦合；无线能量传输；谐振频率；传输距离；传输效率
为了摆脱有形输电介质的束缚，实现电能的无线传输，早在20世纪初，Nikola Tesla提出无线输电试验的构想，虽然当时这一设想并未实现，但人们对无线电能传输技术的研究探索并未中断。近年来，无线电能传输技术作为21世纪最值得期待的技术受到了国际社会的广泛关注。
无线电能传输WPT（Wireless Power Transfer），又称无接触式电能传输CPT（Contactless Power Transfer），是一种以非接触的方式实现电源与用电设备之间的能量传输方式，即通过电磁感应、共振、射频、微波和激光等方式实现电能的非接触式传输[1]。现有的无线电能传输技术，根据现有实现手段可分为感应耦合传输、共振耦合传输、无线电射频传输、微波传输和激光传输等。
磁共振耦合无线电能传输技术是利用接收线圈固有频率与发射电磁频率一致时引起电磁共振[2]，发生强电磁耦合，从而实现电能高效传输的一种技术。该技术自2007年由麻省理工学院的Marin Soljacic教授所在团队[3]提出以来，备受各国研究人员关注。目前已针对磁共振耦合无线电能传输技术做了大量研究，已有文献涉及的主要研究内容包括无线电能传输系统的结构模型[4]、线圈设计和传输特性[5-7]等，其主要目的是在保证传输距离的前提下提高传输效率，实现电能高效稳定传输。本文以实验的方法得出无线电能传输的传输频率、传输效率以及传输距离三者间的关系，并通过分析论证了实验的合理性。
1 无线电能传输系统模型构建
1.1 基本结构
利用磁共振耦合技术实现电能的无线传输，至少需要两个线圈作为收发线圈，即为两线圈结构。参考文献[3]为了便于实现电源匹配和负载匹配，采用四线圈结构，即增加两个线圈分别作为发射线圈和接收线圈，以独立于电源和负载。本文为了便于分析，采用两线圈结构，其等效电路如图1所示。
由图3可知，随频率的增加，传输效率先增大后减小，且在谐振点时达最大值，即收发线圈在发生谐振时传输效率最高。此外，在距离D=10 cm时，谐振频率f1=1.359 MHz；D=20 cm时，谐振频率f2=1.382 MHz。谐振频率前后变化不大，但其效率明显下降，说明传输距离对谐振频率影响不大，却是影响传输效率的重要因素。
改变收发线圈间的距离，调节信号发生器的输出频率使接收端示波器观测到的输出电压峰峰值最大。实验数据如图4所示。
将线圈两端并联电容更换为C=1 nF，精度为10%，重复实验并进行比较，实验数据如图6所示。
分析图6可知：经计算得谐振频率为2.77 MHz，即提高了系统的谐振频率。由曲线图可知，当距离D>10 cm时，谐振频率的变化对传输效率影响不大；当距离D<10 cm时，谐振频率越高效率越高。
本文对磁共振耦合无线电能传输系统的结构和线圈设计作了简要介绍，通过实验的方法得出了无线电能传输系统的传输频率、传输距离及传输效率三者之间的关系，验证了系统处于谐振时传输效率最高这一结论，并推导分析了实验中出现最佳传输距离这一现象。实验还表明，在最佳传输距离附近，系统的谐振频率越高，传输效率越高。本文的实验和分析结果对无线电能传输系统的优化设计具有一定的参考价值。
参考文献
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