谐振式无线电能传输系统谐振线圈优化设计
磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计
磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计
一、实验目的：
研究磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率及影响因素。
二、实验器材：
1.无线电能传输系统主要器件：发射端和接收端线圈、电容、电阻、谐振电路；
2.发射端电源和信号源；
3.接收端负载电阻、直流电压表；
4.实验仪器：示波器、信号生成器。
三、实验原理：
四、实验步骤：
1.搭建发射端和接收端线圈、电容、电阻和谐振电路的结构；
2.给发射端线圈接入电源和信号源，在示波器上观察是否能产生高频电磁场信号；
3.给接收端线圈接入负载电阻，并用直流电压表测量输出电压；
4.调节信号频率，观察输出电压的变化；
5.测量不同频率下的输出电压大小，并记录；
6.根据测量结果，绘制输出电压与频率的关系曲线；
7.改变发射端和接收端之间的距离，重复步骤3-6，观察输出电压的
变化；
8.根据测量结果，绘制输出电压与距离的关系曲线；
9.改变发射端和接收端线圈的尺寸，重复步骤3-6，观察输出电压的
变化；
10.根据测量结果，绘制输出电压与线圈尺寸的关系曲线；
11.分析实验结果，探讨传输效率与频率、距离、线圈尺寸的关系。
五、实验注意事项：
1.实验时需保证线圈与电容及电阻之间的连线正确；
2.实验时应注意观察信号源和示波器的显示，避免高频电磁场对其他
设备造成干扰；
3.实验时需小心操作，避免触摸电源线或其他高压部件。
六、预期结果：
1.通过实验数据得出输出电压与频率、距离、线圈尺寸之间的关系曲线；
2.分析曲线，得出传输效率与频率、距离、线圈尺寸的关系；
3.得出优化磁耦合谐振式无线电能传输系统的方向，以提高传输效率。
基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计
基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种通过磁场耦合方式实现电能传输的无线电能传输技术。
与传统的无线电能传输技术相比，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有高效率、高安全性、低辐射等优点，在很多领域有着广泛的应用前景。
本文将对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行分析与设计。
首先，磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本原理是通过谐振腔和共振线圈实现能量的传输。
谐振腔和共振线圈之间通过磁场耦合，实现了能量的传输。
谐振腔是发射端和接收端都必须具备的，谐振腔内的电磁场能量被传输到共振线圈中，再通过共振线圈传输到接收端。
谐振腔和共振线圈的谐振频率需要匹配，以实现高效率的能量传输。
在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时，首先需要确定传输的距离和传输功率的需求。
传输距离的长短决定了系统的工作频率和设计参数的选择，传输功率的需求决定了系统的功率放大器的设计。
其次，需要进行谐振腔和共振线圈的设计。
谐振腔的设计主要是确定谐振腔的形状和尺寸，以及谐振腔的谐振频率。
谐振腔的形状和尺寸可以根据实际应用场景进行选择，谐振频率需要与共振线圈的谐振频率匹配。
共振线圈的设计主要是确定线圈的匝数和长度，以及线圈的电感值。
接下来是功率放大器的设计。
功率放大器是用来提高传输功率的装置，通常采用放大器来实现。
功率放大器的设计需要考虑放大器的频率响应、增益和功率效率等参数。
由于谐振腔和共振线圈是通过磁场耦合进行能量传输的，所以功率放大器的输出需要采用谐振腔和共振线圈的输入端进行耦合。
最后是系统的控制和保护。
在实际应用中，磁耦合谐振式无线电能传输系统需要具备良好的控制和保护功能。
控制功能可以通过监测传输功率、输出电压和电流等参数实现，保护功能可以通过过流、过压和过温等方式实现。
综上所述，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计主要包括传输距离和功率需求的确定，谐振腔和共振线圈的设计，功率放大器的设计，以及系统的控制和保护。
小功率无线电能传输系统谐振线圈设计优化
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ＆ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ，Ｈｅ ｎａ ｎ Ｐｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｊ ｉ ａ ｏ ｚ ｕ ｏ ４ ５ ４ ０ ０ ０． Ｃｈ ｉ ｎ ａ
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Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｉ ｍｅ ｄ ａ ｔ ｔ ｈｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ｅ ｎｄ ｏｆ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｐｓ ｕｌ ｅ ｅ ｎｄ ｏｓ ｃ ｏｐ ｙ，ｔ ｈｅ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ，ｓ ｕｃ ｈ ａ ｓ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｉ ｎｇ，ｌ ｉ ｎ ｅ ｗｉ ｄ ｔ ｈ， ｃ ｏ ｐｐ ｅ ｒ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋｎｅ ｓ ｓ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｔ ｕｒ ｎｓ ｏｆ ｔ ｈｅ ｃ ｏｉ ｌ ｏ ｆ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒ ｃ ｏｉ ｌ ，ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏｎ ｔ ｈｅ ｑ ｕａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｎｄ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｙ ｈａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｅ ｄ ａ ｎａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ＰＣＢ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｆ ｌ ａ ｔ ｓ ｐ ｉ ｎ ｃ ｏｉ ｌ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ １ ３ ．５ ６ Ｍ Ｈｚ ｐｏ ｗｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ＰＣＢ ｐｌ ａ ｔ ｅ ｆ ｌ ａ ｔ ｓ ｐｉ ｎ ｃ ｏｉ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｓ ｆ ｏｌ ｌ ｏ ｗ ｓ：Ｌｉ ｎｅ ｓ ｐａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｂｅ ｉ ｎ ｇ ０ ． ２５ ４ ｍ ｍ ，ｌ ｉ ｎｅ ｗｉ ｄｔ ｈ ｂｅ ｉ ｎｇ ２． ５４ ｍ ｍ ，ｃ ｏ ｐｐｅ ｒ ｔ ｈｉ ｃ ｋｎ ｅ ｓ ｓ ｂ ｅ ｉ ｎｇ ３５ ／ ， ｍ， ｃ ｏｉ ｌ ｔ ｕ ｒ ｎｓ ｂｅ ｉ ｎ ｇ ６． Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｉ ｎｇ ｃ ｏｉ ｌ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ， ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｈｉ ｐ ｂｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｙ ａ ｎｄ ｄｉ ｓ ｔ ａ ｎｃ ｅ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｔ ｏ ｖｅ ｒ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ａｐ ｐｌ ｙｉ ｎｇ ＰＣＢ ｓ ｐｉ ｒ ａｌ ｃ ｏｉ ｌ ｔ ｏ ｃ ａ ｐ ｓ ｕｌ ｅ ｅ ｎ ｄｏ ｓ ｃ ｏ ｐｙ ｆ ｏｒ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏｗｅ ｒ ｓ ｕｐｐ ｌ ｙ ． Ｔｈ ｉ ｓ ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｃ ａｎ ｐｒ ｏ ｖｉ ｄｅ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｃ ｅ ｆ ｏｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏｎ ｌ ｏ ｗ ｐ ｏｗｅ ｒ ｒ ａ ｄｉ ｏ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ：ｉ ｍ ｐｌ ａ ｎｔ ａ ｂｌ ｅ ｄ ｅ ｖｉ ｃ ｅ； ｍａ ｇｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｏｎ ａ ｎｔ ；ｃ ｏｉ ｌ ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ； ｑｕａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏｒ
磁谐振式无线电能传输系统的优化设计
磁谐振式无线电能传输系统的优化设计摘要：通过两线圈和四线圈磁谐振式无线电能传输系统的电路模型，得到其传输效率表达式。
利用两线圈模型进行初步设计，确定传输距离、谐振频率、线圈半径、匝数、线径等参数；利用四线圈模型进行优化，分析电源线圈与发射线圈之间的互感以及负载线圈与接收线圈之间的互感对传输效率的影响。
实验结果证明当电源线圈与发射线圈之间的互感越大，且负载线圈与接收线圈之间的互感取某一特定值时，传输效率最大。
关键词：磁谐振式；无线电能传输；两线圈模型；四线圈模型；传输效率1系统结构及特点谐振式无线电能传输系统最基本的结构包括两线圈结构和四线圈结构[1-2]，目前存在各种各样的电路模型和分析方法[3-4]。
利用2个谐振线圈进行无线电能传输，随着两线圈距离的微小增加，耦合系数将急剧减小，导致阻抗失配，使传输效率急剧下降。
而四线圈结构增加2个感应线圈，使电源与发射线圈隔离，负载与接收线圈隔离。
通过调整电源线圈与发射线圈的耦合系数及接收线圈与负载线圈的耦合系数，保证阻抗匹配，获得较高的传输效率。
2谐振式无线电能传输系统电路模型分析2.1两线圈结构电路模型4结论由本文分析结果可知，电源线圈与发射线圈之间的互感M12，负载线圈与接收线圈之间的互感M34对系统传输性能有重要影响：适当增加电源线圈匝数能使系统传输效率得到有效提高，并且能减少谐振线圈匝数，对减小设备尺寸有重要意义，同时，通过调整M34能使系统获得高效率。
本文实验结果表明，根据四线圈模型推导得到的传输效率公式进行系统设计，可得到与理论结果相吻合的实验效果。
研究得出的效率与互感之间的关系及最大效率值条件在实际设计时具有较好的指导意义。
参考文献[1]赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报，2013，33(3)：1-13.[2]翟渊，孙跃，戴欣，等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J].中国电机工程学报，2012，32(12)：155-160.[3]李阳,张雅希,杨庆新,等.磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率效率点分析与实验验证[J].电工技术学报,2016,31(2):18-24.[4]王维,黄学良,谭林林,等.磁谐振式无线电能传输系统谐振器参数对传输性能的影响性分析[J].电工技术学报,2015,30(19):1-6.。
磁耦合谐振无线电能传输 线圈设计参数
磁耦合谐振无线电能传输线圈设计参数一、概述磁耦合谐振无线电能传输技术是一种无线电能传输的新型方式，它通过磁场耦合的方式实现高效的能量传输，为无线充电、电力传输等领域提供了新的解决方案。
而线圈是磁耦合谐振无线电能传输中至关重要的组成部分，其设计参数的选择直接影响了系统的性能。
本文将对磁耦合谐振无线电能传输线圈的设计参数进行深入探讨。
二、线圈设计参数的选择1. 频率磁耦合谐振无线电能传输系统中的线圈工作在特定的谐振频率下，因此首先需要确定工作频率。
工作频率一般由电源频率、谐振电容的选择以及其他系统要求来决定。
2. 电感值线圈的电感值直接影响了系统的谐振特性，其选择需要在满足谐振条件的基础上尽可能地降低线圈的损耗。
通常情况下，电感值的选择需要根据工作频率和系统功率来进行优化。
3. 匝数线圈的匝数决定了其电感值和电压传输比，因此在设计线圈时需要根据系统的电压需求和电感值来确定匝数。
通常情况下，较大的匝数能够提高线圈的电感值和电压传输比，但同时也会增加线圈的电阻和损耗。
4. 线径和材料线圈的线径和材料直接影响了其电阻和损耗，因此在选择线径和材料时需要综合考虑系统功率、工作频率和成本等因素。
通常情况下，较粗的线径和低电阻的材料能够降低线圈的损耗，但同时也会增加成本和体积。
5. 抗干扰能力线圈在实际应用中可能会受到外部的干扰，因此需要具备一定的抗干扰能力。
在设计线圈时需要考虑到电磁兼容性、屏蔽设计等因素，以保证系统的稳定性和可靠性。
三、线圈参数优化方法1. 数值仿真通过数值仿真软件对线圈进行电磁场分析和谐振特性分析，可以有效地优化线圈的设计参数。
仿真可以帮助工程师快速地评估不同参数对系统性能的影响，从而指导设计优化。
2. 实验测试通过实验测试，可以对线圈的实际性能进行验证，进一步优化设计参数。
实验测试可以发现仿真中未考虑的影响因素，从而更准确地指导线圈的优化设计。
3. 综合考虑上线圈设计参数的选择过程中，需要综合考虑系统的工作条件、成本、体积、电磁兼容性等因素，以找到最优的设计方案。
211202178_谐振式无线输电系统线圈参数优化
现代电子技术Modern Electronics TechniqueMay 2023Vol.46No.102023年5月15日第46卷第10期0引言生活中一些使用电缆输电的方式存在危险或不方便的地方场景，通常会考虑电能无线输送。
无线电能传输技术（Wireless Power Transfer,WPT ）是1890年由Nikola Tesla 最早提出，是一种将电能通过电磁场或电磁波的形式从发射端传递给接收端的一种技术。
与有线能量传输方式相比，无线电能传输有着更加安全、方便、灵活、可靠的优点，尤其适用于一些特殊的应用场合，如悬浮列车、体内医疗器械供电等，因此受到了越来越广泛的关注。
磁耦合谐振式无线电能传输技术（MCR⁃WPT ）利用谐振原理，通过使电路的固有频率与输入信号的频率相同，发射和接收线圈之间产生强耦合通道，从而实现电能的无线传输。
因其传输的距离为传输线圈直径的几倍，传输功率大、效率高，并且不受非磁性障碍物和其他非谐振频率干扰的优势，已成为目前WPT 领域最具有发展和应用前景的一种无线电能传输方式[1⁃6]。
在磁耦合谐振式无线电能传输技术中，线圈参数的变化会对传输效率产生重要的影响。
文献[7]分析了系统传输特性与谐振状态、互感之间的关系，并结合互感表达式确定最优线圈参数；文献[8]发现较大尺寸的发射线圈和较小尺寸的接收线圈组成的线圈耦合器有着比原来更大的传输功率和效率；文献[9⁃10]利用算法优化DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2023.10.014引用格式：郭军，程为彬，胡静文.谐振式无线输电系统线圈参数优化[J].现代电子技术，2023，46（10）：71⁃76.谐振式无线输电系统线圈参数优化郭军1，程为彬1，胡静文2（1.长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉430100；2.国网山西省电力公司晋中市太谷区供电公司，山西晋中030800）摘要：为优化同轴同心型无线电能传输系统的线圈尺寸，提高最大传输效率，文中基于等效电路理论建模，通过电感、互感表达式推导耦合系数、最大传输效率关于线圈尺寸参数的关系式，运用仿真分析线圈长度、线圈直径和传输距离对耦合系数的影响规律，进一步优化传输系统的最大传输效率，并通过多物理场仿真不同线圈尺寸的磁场分布特征。
自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计
自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计一、本文概述随着科技的快速发展和人们对便捷性需求的提升，无线电能传输技术越来越受到关注。
作为一种新型电能传输方式，自谐振线圈耦合式电能无线传输技术以其高效、安全和灵活的特点，在电动汽车、移动设备充电、水下及空间探测等领域展现出广阔的应用前景。
如何提高这种传输技术的效率，仍是当前研究的热点和难点。
本文旨在分析自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率，并探讨其优化设计方法，以期为实际应用提供理论支持和技术指导。
本文首先回顾了自谐振线圈耦合式电能无线传输技术的发展历程和现状，分析了其基本原理和工作机制。
在此基础上，通过理论分析和数学建模，深入探讨了影响电能无线传输效率的关键因素，包括线圈设计、耦合距离、谐振频率等。
同时，本文还提出了一种基于多物理场耦合分析的优化设计方法，通过优化线圈结构、调整工作频率等手段，提高电能无线传输的最大效率。
本文的研究不仅对深入理解自谐振线圈耦合式电能无线传输技术的传输机制具有重要意义，而且为实际工程应用提供了有效的设计思路和优化策略。
通过本文的研究，有望推动自谐振线圈耦合式电能无线传输技术在更多领域的应用，为社会进步和科技发展做出贡献。
二、自谐振线圈耦合式电能无线传输的基本原理自谐振线圈耦合式电能无线传输技术是一种基于电磁场理论的无线能量传输方式。
其基本原理在于利用两个自谐振线圈之间产生的磁场耦合，实现电能的无线传输。
自谐振线圈的设计是关键，它要求线圈在特定频率下产生谐振，从而最大化传输效率。
当发送线圈中的交变电流产生变化的磁场时，接收线圈中的磁通量也会随之变化，从而在接收线圈中产生感应电动势和感应电流，实现电能的无线传输。
传输效率是自谐振线圈耦合式电能无线传输技术的重要指标。
影响传输效率的因素主要包括线圈之间的距离、线圈的尺寸、线圈的匝数、线圈的自谐振频率以及传输功率等。
为了提高传输效率，需要对这些因素进行优化设计。
自谐振线圈耦合式电能无线传输技术还需要考虑电磁兼容性和安全性问题。
谐振式无线电能传输系统的优化设计
谐振式无线电能传输系统的优化设计1.引言无线电能传输 (WPT) 技术近年来取得了快速发展，并被广泛应用于各种领域，如电动汽车充电、无线传感器网络和医疗设备供电等。
谐振式 WPT 系统是一种常见的 WPT 系统，它通过谐振来提高能量传输效率。
谐振式 WPT 系统的优化设计对于提高能量传输效率和系统稳定性具有重要意义。
2.谐振式 WPT 系统的工作原理谐振式 WPT 系统主要由发射线圈、接收线圈和谐振电容组成。
发射线圈和接收线圈通过电磁感应耦合，将电能从发射端传输到接收端。
谐振电容与接收线圈并联，形成谐振回路。
当发射线圈和接收线圈的谐振频率相同时，系统发生谐振，能量传输效率达到最大。
3.谐振式 WPT 系统的优化设计目标谐振式 WPT 系统的优化设计目标包括：提高能量传输效率：能量传输效率是指从发射端传输到接收端的能量与发射端的能量之比。
提高能量传输效率可以减少能量损失，延长系统的工作时间。
提高系统稳定性：系统稳定性是指系统在各种工况下都能正常工作的能力。
提高系统稳定性可以防止系统出现故障，确保系统的可靠性。
减小系统尺寸：系统尺寸是指系统所占的空间。
减小系统尺寸可以使系统更易于安装和维护。
4.谐振式 WPT 系统的优化设计方法谐振式 WPT 系统的优化设计方法主要包括：优化线圈参数：线圈参数包括线圈匝数、线圈直径、线圈形状等。
优化线圈参数可以提高线圈的谐振频率和耦合系数，从而提高能量传输效率。
优化谐振电容参数：谐振电容参数包括谐振电容值、谐振电容类型等。
优化谐振电容参数可以使系统在谐振频率处产生较大的谐振电流，从而提高能量传输效率。
优化系统匹配网络：系统匹配网络是指连接发射线圈和接收线圈的电路。
优化系统匹配网络可以将发射线圈和接收线圈的阻抗匹配，从而提高能量传输效率。
优化系统控制策略：系统控制策略是指控制系统工作状态的算法。
优化系统控制策略可以使系统在各种工况下都能正常工作，提高系统的稳定性。
5.结语谐振式 WPT 系统的优化设计对于提高能量传输效率、系统稳定性和减小系统尺寸具有重要意义。
无线电能传输系统线圈的优化设计
一 、无 线 电 能 传 输 技 术 概 述 无 线 电 能 传 输 （Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）又 称 非 接 触 电 能 传 输 （Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓ－ ｓｉｏｎ），是一种新型的电能传输技术。无接触 电 能 传 输 概 念 最 早 出 现 于 ２０ 世 纪 ７０ 年 代，是 以 电 磁 感 应耦合方式进行电能的传输方法。在该系统中电能供应侧与电能接收侧之间没有直接的金属导体接 触，而是以电磁感应耦合方式来进行电能传输，从而提高了电 气 设 备 供 电 的 灵 活 性。 在 电 力 系 统 中， 依靠导线来引导电磁场的传播方向，进而控制功率的流向；在传统 变 压 器 中，利 用 高 磁 导 率 铁 磁 材 料 来约束磁场，进而控制功率的传输；而在无线电能传输中，电磁场的 引 导 只 是 由 初 级 和 次 级 的 固 有 特 性以及配合情况来实现的。无接触电能传输技术克服了传统的导体直接接触的电能传输方式中的缺 点，如接触电火花，器件磨损。无线电能传输摆脱了导线的束缚，使 得 供 电 和 用 电 之 间 的 联 系 更 为 自 由 和 便 捷 ，因 此 在 一 些 特 殊 场 合 以 及 便 携 式 设 备 中 有 很 大 的 优 势 。 将 传 统 变 压 器 铁 芯 去 掉 或 者 切 开 ， 使初级和次级线圈分开，即 可 构 成 一 个 简 单 的 感 应 耦 合 型 无 线 电 能 传 输 系 统 （Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＩＣＰＴ）。 感应式电能传输技术是一种利用电磁感应进行能量传输的 新 技 术 ，也 称 感 应 耦 合 电 能 传 输 或 无 接触能量传输。感应式电能传输系统具有安全性高和灵活性 好，无 接 触、无 磨 损 的 特 性，能 够 满 足 电 工设备的多种用电需求，同时兼顾了信息传输功能的需求。特别适 用 于 那 些 不 同 部 件 之 间 需 要 相 对 独 立 运 动 的 设 备 ，诸 如 电 机 、精 密 仪 表 ，操 作 臂 、机 器 人 ，交 通 运 输 中 的 电 车 、地 铁 ，甚 至 在 某 些 场 合 下 ， 必须采用无线电能传输才能满 足 要 求。 例 如 在 给 易 燃 易 爆 的 装 置 供 电，水 下 装 置 供 电，移 动 装 置 供 电 ，医 学 装 置 供 电 时 ，如 果 采 用 无 线 电 能 传 输 ，就 可 大 大 提 高 能 量 传 输 的 合 理 性 、安 全 性 和 可 靠 性 。 与传统供电方式相比，无线电能传输 供 电 具 有 以 下 特 点：１、便 于 携 带，供 电 和 用 电 设 备 可 移 动， 可 以 无 电 气 连 接 直 接 向 移 动 装 置 供 电 ；２、环 境 友 好 ，不 受 污 垢 、灰 尘 、水 、化 学 物 质 影 响 ，可 工 作 于 恶 劣 环境，无碳积和有害辐射的工作环境下正常工作；３、操作安全，没有 滑 动 接 触 供 电 中 的 电 气 接 触 及 外 露电线连接，避免了接触火花和直接接触触电事故的发生；４、运行 安 全 可 靠，无 线 电 能 传 输 供 电 系 统 没 有 直 接 接 触 摩 擦 ，使 用 和 维 护 方 便 。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计高频自激振荡无线电能传输系统是一种无线电能传输技术，可以将能量从一个电路传输到另一个电路，而无需使用传统的导线连接。
这种技术可以广泛应用于电力传输、电子设备充电等领域。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统是基于磁耦合和谐振实现的一种能量传输系统。
下面将对该系统的设计进行详细介绍。
1. 系统原理磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统由两个主要部分组成：能量发射端和能量接收端。
能量发射端包括功率放大器和发射线圈，能量接收端包括接收线圈和整流电路。
能量发射端通过功率放大器将输入电源信号放大，并通过发射线圈将能量以高频电磁波的形式传输出去。
能量接收端的接收线圈接收到高频电磁波，并将其转换为电能，然后通过整流电路将其转换为直流电能供电使用。
2. 系统设计（1）能量发射端设计能量发射端的主要设计参数包括功率放大器的功率和频率，发射线圈的感应系数和谐振频率。
功率放大器应具有足够的功率输出，并能够将输入电源信号放大到高频电磁波的水平。
功率放大器的功率输出可以通过控制电源电压来实现。
发射线圈的感应系数决定了能量传输的效果。
感应系数较大会提高能量传输效率，但也会增加系统的成本和复杂性。
需要在效率和成本之间进行权衡。
谐振频率应与接收线圈的谐振频率相匹配，以实现最佳能量传输效果。
谐振频率可以通过调整发射线圈的电感和电容来实现。
整流电路应能够将接收到的高频电能转换为直流电能。
一种常用的整流电路是使用稳压二极管和电容器的整流电路。
3. 系统优化为了实现最佳的能量传输效果，可以对系统进行优化。
可以通过调整发射线圈和接收线圈的物理尺寸和位置来优化系统的能量传输效率。
这可以通过模拟软件进行模拟和优化。
可以通过使用集成电路和微控制器来实现系统的自动控制和监测。
这将提高系统的稳定性和可靠性。
还可以通过改进谐振电路的设计和优化整流电路的效率来进一步提高系统的能量传输效果。
谐振耦合式无线电能传输系统谐振线圈的优化设计
谐振耦合式无线电能传输系统谐振线圈的优化设计仲崇德;朱武;张乐【摘要】谐振耦合式无线能量传输方式可用于中距离传输能量,是一种新型的能量传输方式.文中针对谐振耦合式无线电能传输系统中谐振线圈对无线电能传输的影响问题,建立两线圈等效电路模型,详细分析了线圈谐振状态和互感对系统传输功率和效率的影响,提出了一种兼顾系统传输功率与效率的谐振器优化设计方法,并结合实例仿真,设计制作了多组参数的谐振线圈进行比较实验,结果证明,在谐振状态下两谐振线圈匝数乘积为定值时,系统的传输功率和效率基本保持不变,从而证明了所提方法的可行性.%Resonant coupling wireless power transfer mode can be used to transmit energy in middle distance, which is a new type of energy transmission mode.In this paper,aiming at the problem of the optimal design of resonant coil, taking equivalent circuit model of two coils of wireless power transmission system as example, the influence of reso-nance and mutual inductance on the transmit power and efficiency of the system is analyzed in detail,and then,pro-poses a method for optimizing the resonator with the transmission power and efficiency of the system.At last, com-bined with the example simulation,several group parameters of resonant coils are designed for comparison experiment, the results show that,exchange parameters of two resonant coils under the resonant states,the transmission power and efficiency of system remain unchanged basically,thus proves the effectiveness of proposed method.【期刊名称】《电测与仪表》【年(卷),期】2017(054)021【总页数】6页(P116-121)【关键词】谐振耦合;无线电能传输;线圈;传输效率【作者】仲崇德;朱武;张乐【作者单位】上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TM760 引言传统的有线电力传输方式存在不少问题，而且不能满足特殊场合的需要，太多的电线和插座给人们的生活带来多种不便［1-2］，这些问题的解决都需要一种脱离电线的电能传输方式。
磁谐振无线电能传输系统的PCB线圈优化设计
磁谐振无线电能传输系统的PCB线圈优化设计丘小辉;肖宇迪;兰石发;毛行奎【摘要】针对线圈设计过程中各参数之间的特性和相互制约关系,提出了一种在有限尺寸空间下的PCB线圈优化设计方法,综合考虑线圈的匝数、线间距、线宽以及铜厚的影响,以传输效率为优化目标,运用理论与仿真分析相结合的手段,解决了在有限尺寸下的PCB线圈优化设计问题。
最后根据优化结果,制作了一组线圈,并对线圈之间的互感及交流电阻进行了测试,测试结果与理论计算和仿真结果基本一致,验证了该方法的可行性。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】8页(P28-35)【关键词】磁谐振无线电能传输;传输效率;PCB线圈;优化设计【作者】丘小辉;肖宇迪;兰石发;毛行奎【作者单位】[1]福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108;[2]古田溪水力发电厂,福建宁德352000【正文语种】中文【中图分类】TM452磁谐振无线电能传输技术在便携式移动设备、特殊应用场合的无线供电、医疗设备、电动汽车无线充电等领域显示出广阔的应用前景。
该技术在2007年由MIT的科学家首次提出[1],此后得到迅速发展。
磁谐振无线电能传输技术之所以能实现中等距离的传输,与发射和接收线圈之间的品质因数以及耦合系数息息相关。
因此设计出具有高品质因数或较强耦合系数的线圈是系统设计的关键。
在很多应用场合中,线圈的尺寸都受到一定限制,因此有必要在有限尺寸空间下对其进行优化设计。
运用Mathcad数学软件得到强耦合系数随线圈各参数的变化曲线,通过寻找该曲线的最优点以初步确定线圈各参数。
在此基础上,采用电磁场有限元分析软件Ansoft得到线圈的交流电阻,而互感通过计算公式获得,将互感计算值和电阻仿真值带入最大传输效率表达式,通过寻求最优的传输效率以最终确定线圈各参数。
最后,根据优化结果制作了一组线圈,并对互感和交流电阻进行了测试,验证了该方法的正确性。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计磁共振式无线能量传输技术是一种新型的无线能量传输方式，它不需要传统的电气导线连接，可以实现远距离高效率的能量传输。
磁共振式无线能量传输技术能够应用于许多领域，例如电动汽车充电、智能手机无线充电、医疗设备无线供电等。
本文将介绍一种新型的磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计。
一、系统概述磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统是一种利用电磁场感应原理进行能量传输的系统。
系统由两个谐振线圈构成，一个谐振线圈作为发射器，另一个谐振线圈作为接收器。
发射器端通过高频信号激励驱动谐振线圈产生高频电磁场，接收器端的谐振线圈在接收到高频电磁场后产生感应电流，从而实现了无线能量传输。
二、系统设计磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统主要由两个谐振线圈、高频功率放大器、调谐电路、控制电路等部分组成。
谐振线圈由多层绕组构成，通过调谐电路可以调节谐振频率，高频功率放大器用于提供高频激励信号，控制电路用于系统的控制和保护。
2. 发射器设计发射器端的谐振线圈设计为高频谐振线圈，其参数需要根据实际传输距离和功率要求进行设计。
在发射器端还需要设计高频功率放大器，用于提供高频激励信号。
另外还需要设计调谐电路，通过调节电路参数实现谐振频率的调节。
接收器端的谐振线圈设计为与发射器端谐振频率相同的谐振线圈，当接收到高频电磁场时可以产生感应电流。
接收器端还需要设计整流电路和滤波电路，用于将感应电流转换为直流电能，并对转换后的电能进行滤波处理，以提高输出电能的质量。
系统控制设计主要包括高频功率放大器的控制、调谐电路的控制、整流电路和滤波电路的控制等。
控制电路需要设计合适的控制算法，以保证系统稳定可靠地工作，并对系统进行各种保护措施，如过载保护、短路保护等。
三、系统工作原理四、系统性能分析1. 传输效率磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统的传输效率取决于系统的谐振线圈质量因数、传输距离和功率要求等因素。
磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究与优化设计
磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究与优化设计磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究与优化设计引言：随着科技的快速发展，无线电能传输技术逐渐成为一种具有广阔应用前景的研究领域。
传统的无线充电技术存在着能量传输效率低、距离短、干扰大等问题，而磁耦合谐振式无线电能传输系统则可以克服这些问题。
本文将对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行研究与优化设计。
一、磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理磁耦合谐振式无线电能传输系统是通过谐振技术将能量从发射端传输到接收端的一种无线充电方法。
当发射端的谐振线圈中通电时，会在空间中形成一个交变磁场。
接收端的谐振线圈与发射端的谐振线圈相互耦合，形成共振现象。
通过调整发射端和接收端的谐振频率、谐振线圈的结构以及阻尼系数，可以使能量在两个线圈之间高效传输。
二、磁耦合谐振式无线电能传输系统的关键技术（一）谐振器设计：发射端和接收端的谐振器设计是系统中的关键环节。
合理设计谐振器的结构和参数，能够提高能量传输的效率。
同时，谐振器的选材也是一个重要因素。
（二）频率匹配与自适应调整：发射端和接收端的谐振频率必须匹配，否则能量传输效率将受到影响。
由于环境变化等因素，谐振频率可能会发生漂移。
因此，设计一个能够实时感知并自适应调整谐振频率的机制非常重要。
（三）功率传输控制：磁耦合谐振式无线电能传输系统的功率传输控制也是一个需要考虑的重要因素。
过大或过小的功率传输都会影响系统的效率和安全性。
三、磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计（一）优化谐振器结构：通过数值模拟和实验验证，优化谐振器结构，提高其谐振频率和谐振特性。
（二）优化耦合机制：通过改变谐振线圈之间的耦合方式和距离，进一步提高能量传输效率。
（三）优化功率传输控制策略：采用闭环控制方法，实时感知系统输入和输出功率的变化，并通过反馈调整发射端的功率输出，以达到最佳的能量传输效果。
（四）优化系统安全性：引入多重保护机制，避免因功率过大或其他因素引起的安全问题。
无线电振线圈优化设计
无线电振线圈优化设计1谐振线圈模型磁耦合谐振式无线电能传输系统的拓扑结构可分为两线圈结构和四线圈结构[9],为简便起见,本文采用两线圈结构进行分析和计算。
两线圈结构如图1所示,其中R为电源内阻;L1为发射线圈的等效电感;L2为接收线圈的等效电感;RL为负载电阻。
实际中的电感线圈是多种多样、形状各异的,其中等面积下圆形线圈的周长最短,且电流在线圈中不会产生突变,损耗小。
因此,本文采用圆形线圈作为基本形状。
在高频情况下,空心多匝圆柱线圈的等效模型如图2所示,其中RAC为线圈等效串联交流电阻,包括热电阻R0和辐射电阻Rr;C为线圈的分布电容;L为线圈电感。
各参数的计算公式为[10-12]式中:a为线圈半径;b为导线半径;μ0为真空磁导率,μ0=4π×10-7H/m;σ为电导率,本文采用铜芯漆包线绕制的紧密空心圆柱线圈,故取σ=5.8×107S/m;ω为角频率,ω=2πf,f 为线圈的工作频率;N为线圈匝数;ε0为真空介电常数,ε0=8.85×10-12F/m;A为线圈面积;p为节距,因为本文采用的是密绕线圈,取p=2b;λ为线圈工作频率对应的波长。
依据式(5),C一般为10pF或更低的数量等级,与线圈的外接电容(数量级在几百pF甚至更高)相比,可以忽略不计。
因此,线圈的空载品质因数为2仿真分析2.1线圈半径a和导线半径b对线圈电感值L的影响图3(a)为导线半径b=2mm时,线圈电感值L随线圈半径a变化的曲线;图3(b)为线圈半径a=50mm时,线圈电感值L随导线半径b 变化的曲线。
从图3可看出,增加导线半径b可以减小线圈电阻值且不影响其他参数,因此,可以通过增加线圈导线的半径减小线圈电阻,从而减小线路损耗,提高传输效率。
2.2线圈匝数N对线圈电感值L的影响确定线圈半径a=50mm,导线半径b=2mm,则电感值L随线圈匝数N变化的曲线如图4所示。
2.3线圈各参数对品质因数Q的影响(1)品质因数Q随线圈半径a和线圈匝数N变化的趋势如图5所示。
自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计
关键词：能量无线传输；谐振耦合；最大效率；线圈
0
引言
电能无线传输一直是人类的梦想，多年来国外 一些科学家执着地开展着这项研究， 但进展甚微[1-5]。 2007 年 MIT 的科学家在电能无线传输原理上有了 突破性进展，他们利用电磁谐振原理实现了中距离 的电能无线传输，在 2 m 多距离内将一个 60 W 的 灯泡点亮，且传输效率达到 40%左右[6]。 谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无 线传输技术相比，具有以下本质性的不同：1）与 利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比，传输 距离大大提高，突破了电磁感应原理的无线传输距 且理论表明若不考虑空 离仅在 1 cm 以内的限制[7]， 间其它物体影响，传输距离将进一步提高；2）与 利用微波原理的电能无线传输技术相比，具有传输 功率大的特点，将微波电能无线 传输几毫瓦至 100 mW 的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。 目前，非接触能量无线传输发展已比较成熟[8-12]， 主要应用于磁悬浮列车[13-14]，医学上用于体内微摄 像机供电等[15]。与此比较而言，基于谐振原理的电 能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术[16]， 并且低电磁辐射，可满足电磁兼容的要求[17]。 然而，现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起 步阶段，相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其传 输效率的分析还不够全面[18-19]。本文从线圈等效耦 合模型出发，分析电能无线传输机理及传输效率与 距离、频率、线圈本身等因素之间的关系，提出最 大效率条件及无线传输系统的优化设计方法，并设
基金项目：国家自然科学基金项目(50877028)；国家 863 高技术基 金 项 目 (2007AA05Z229) ； 广 东 省 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 (8251064101000014)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50877028)；The National High Technology Research and Development of China 863 Pragram(2007AA05Z229)．
谐振式无线电能传输系统耦合机构优化设计
谐 振 式 无 线 电能传 输 系统 耦 合 机 构 优 化 设 计
陈 逸 鹏 ， 聂 一 雄
（ 广东工 业大 学 自动化学院 ，广 东 广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ）
［ 摘
要］ 通过 四线 圈结构磁谐振式无线电能传输 系统的电路模 型推导 出其 传输效率表达 式，用两线圈
模型对参数进行初步设计得 出 谐振线 圈的半径、匝数 、线径等参数．利用四线 圈模型对参数进行优 化 ， 调 整
・
４ ２・
厦门理工学院学报
２ ０ １ ３正
在 ２个谐振线圈的基础上 ， 增加 了 ２ 个感应线圈，使 电源与发射线 圈隔离 ，负载与接收线 圈隔 离．通过调整电源线圈与发射线 圈的耦合系数及接收线圈与负载线圈的耦合系数 ，保证阻抗匹配 ，从 而获得较高的传输效率；另一方面由于谐振线圈与电源和负载隔离开 ，电源及负载对谐振线圈的谐振 频率影响将大大减少 ，使收发线圈更容易保证谐振．
２ 谐振式无线 电能传输 系统 电路模型分析
２ ． １ 两 线 圈结构 电路 模型
由图 １ 可得其等效电路图如图 ３所示 ，谐振状态下有 ｊ ＋ １ ／ ｊ ｏ Ｊ Ｃ ＝０，则系统传输特性为
＝
（ ∞ Ｍ） Ｒ Ｌ ／ ｛ （ Ｒ ２＋ Ｒ Ｌ ） ［ Ｒ １ （ Ｒ ２ ＋Ｒ Ｌ ）＋ （ ｗ Ｍ） ］ ｝×１ ０ ０ ％．
２ ０ ０ ７年 ，美国麻省理工学院 Ｍ ａ ｉ ｔ ｎ Ｓ ｏ ｌ ｊ ａ ｃ ｉ ｃ 教授等人提 出了一种基 于磁耦合谐振 的无线能量传输 技术 ，随后研究人员对无线 电能传输开展了越来越多的研究．其中，系统的谐振耦合机构成为人们的 研究重点．磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计 ，最主要的就是对耦合机构的优化． 目前 ，在 磁谐振耦合无线功率传输这一领域 的理论研究工具可分为 ２大类 ，即时域 的耦 合模理论和频域的集 总参数电路理论ｌ １ ］ ，而后者更为研究人员所熟悉 ，也是本文所采用的研究方法．磁耦合谐振 的无线 能量传输最基本 的结构包括 两线 圈结构和 四线 圈结构 Ｊ ， 目前存在各 种各样 的电路模 型和分析 方 法 － ５ 没有统一标准 ，本文借鉴前人的研究成果 ，推导 出完整的四线圈结构模型的传输效率表达式 ， 通过两线圈模型进行初步的参数设计 ，再利用 四线圈模型进行参数优化和性能分析 ，在满足传输距离 要求的条件下 ，使系统具有较高的传输效率．
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计随着科技的发展，无线电能传输技术越来越受到人们的关注。
无线电能传输技术可以让我们摆脱电线束缚，实现更加便捷的电能传输方式。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统是一种新型的无线电能传输技术，具有传输效率高、传输距离远、抗干扰能力强等优点。
本文将对磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统进行设计与分析。
一、系统原理磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统主要包括发射端和接收端两部分。
发射端由功率放大器、无线电能传输线圈和谐振电容器组成；接收端由无线电能接收线圈、整流电路和负载组成。
系统利用高频振荡产生强磁场，通过磁耦合将能量传输到接收端，再经过整流电路将交流能量转换为直流能量，以供给负载使用。
系统的工作原理主要包括以下几个步骤：二、系统设计1. 发射端设计发射端主要包括功率放大器和无线电能传输线圈。
功率放大器采用高频振荡电路，将直流电能转换为高频交流电能。
无线电能传输线圈采用空心圆柱形线圈，通过高频谐振电容器与功率放大器相连。
为了提高系统效率，需要选择合适的功率放大器和谐振电容器，并对线圈进行优化设计。
三、系统分析1. 系统效率磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统具有高传输效率的特点。
系统在谐振状态下，能量传输效率非常高，而且传输距离也比较远。
由于无线电能传输系统不受电线长度和传输距离限制，因此可以实现更加灵活的电能传输。
2. 抗干扰能力系统采用高频振荡电路，具有很强的抗干扰能力。
高频电磁波在传输过程中，对外界干扰的影响较小，因此系统可以在复杂的电磁环境下稳定工作。
3. 安全性磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统在设计时需要考虑安全性问题。
由于系统采用高频振荡电路，存在一定的电磁辐射和安全隐患。
因此在系统设计中需要采取一定的安全防护措施，确保系统可以安全可靠地工作。
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ｃ Ｄ 是谐振电容 ， 是互感系数 ， Ｒ 是负载电阻． 由于本文研究 的目的是在电路发生磁耦合谐振 的情况下寻找最优的线圈设计 ，因而只考虑收发线圈都发生 自 谐振 时的效率分析．若系统角频率为
∞ ，由 理论分析可知，当线圈Ｌ 、Ｌ 。 同时发生自 谐振， 即两线圈谐振耦合： １ ／瓜
无线电能传输技术主要有三种实现原理 ：电磁感应原理 ，微波传输原理 ，磁耦合谐振原理．利用 电磁感应原理实现无线电能传输能在近距离 （ １ ｃ ｍ以内） 以较高效率传输较大的功率 ， 但是其无法 实现较远距离传输的缺点，成为限制其发展的重要因素．采用微波传输原理虽然能够实现远距离的无 线电能传输 ，但是其复杂的跟踪定位系统以及较低的传输效率 ，使其发展受到严重阻碍¨ ．２ ０ ０ ７年 ， ＭＩ Ｔ的科 学家在 电能无 线传输 原理 上有 了突破性 进展 Ｊ ，此后 ，利用 磁谐振耦 合 的无 线 电能传 输技 术
万方数据
万方数据
第 ３期
Ｉ ｌ ｉ ， ￣１ １ １ ，等 ：谐振式无线 电能传输 系统谐振线圈优化设计
‘ ６ ５・
本 文从 以上两 种情况 出发 ，对 一个具 体模 型进 行优 化 ．首先假 定线 圈 的半 径 、负载 大小都 是确定 的 ，能 够改变 的是 传输距 离 、线 圈 的匝数 、导线半 径 ．本文 以半径 ｒ ＝５ ｃ ｍ，负载 为纯 电阻 Ｒ ＝ ５的 模 型为 例进行 分析 ．通过 改 变传输 距离 ，线 圈 匝数 ，导 线半 径 ，获得在 这一结 构下 的最佳 线 圈．实验 采 用 的发射 和接 收线 圈基 本模 型 为 圆形 密 绕 的空 心线 圈 ，其 参 数 为 ：导 线直 径 ｄ＝ｌ ｍｍ，线 圈半 径
谐 振 式 无 线 电能 传 输 系 统 谐 振 线 圈优 化 设 计
陈 逸 鹏 ，聂 一 雄
（ 广东工业大学 自动化学院 ，广东 广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ）
［ 摘
要］通过耦合模理论推导 出无线 电能传输 系统发射 和接收 线 圈之 间实现 能量高效转 移的条件 ，
利用等效电路模型 对磁耦合谐振线圈进行分析 ，通过 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿 真软件 ，得 出耦合谐振 线圈各参数 与传 输
＝
（ １ ＋ ｔ Ｏ ２ ） ／ ２±√（ （ １ 一 ２ ） ／ ２ ） ＋ｌ ｋ １ ２ （ Ｉ ∞ １ ＋ ∞ ２ ） ／ ２±
耦合 导致耦 合 系统的两个 频率 （ 系统 的 固有 频率 与物体 本征 频率 ） 分 开 ，当 ＝∞ 时 ，耦 合模 式 的
两频率之间的差别是 ２ ０ ０＝２ ， １ ．
ｌ ａ ， Ｉ ａ １ Ｉ 啦ｌ Ｉ 眈Ｉ 。
ｔ ＝＇ ｒ ｒ ｌ ２
ｔ ＝ ￣ ｒ ／ ２
（ ａ ） ｔ ｏ － ｍ ． ￣ ｏ ｌ 图 １ 模 式 １和模 式 ２中 的 能量 与 时 间 关 系
（ ｂ ） （ Ｉ ） ２ ≠∞ １
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｍｏ ｄ ｅ １ ａ ｎ ｄ ｍｏ ｄ ｅ ２ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ ｏ ｆ ｅ ｎ ｅｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｉ ｍｅ
当 、 的参 数一 致时 ，互感 系数 Ｍ ＝
（ ５ ）
ｒ ４ ｎ ／ ２ Ｄ ３；此外 ，高频 条件 下线 圈 的损耗 电阻包 括 欧
姆损耗电阻 和辐射损耗电阻 Ｒ ｒ ，由于 Ｒ ， ＜＜ Ｒ 。 ，可忽略不计 ，故 Ｒ ｓ ＝Ｒ 。 Ｒ 。＝ ￣ ／ 。 ／ ２ ｎ ∥口 ．
假设 ｔ ＝ ０时 的初始值 为 口 （ Ｏ ）和 ０ ： （ ０ ），可求得 ：
。 １ （ ｔ ）＝［ ０ １ （ ０ ） （ Ｃ Ｏ Ｓ ｔ 一 （ ２ 一 １ ） ｓ ｉ ｎ ｔ ／ ２ ０ ｏ ）＋ｋ １ ２ 口 ２ （ ０ ） ｓ ｉ ｎ ￡ ／ ］ ｅ 儿
ｄ 口 ２ （ ｔ ） ／ ｄ ｔ＝ｊ （ ｃ Ｊ ２ 口 ２ （ ）＋ｋ ２ １ 口 １ （ ）
（ １ ）
（ ２ ）
假 设时 间关 系为 ｅ ，由式 （ １ ）和 （ ２ ） 得到 口 和口 的齐次 方程． 获 得非 零解 的必 要条 件 为方 程行列 式为零 ，因此可得 根 ，即系统 的 固有 频率 ：
ｒ ＝ ５ ｃ ｍ，匝数 ｎ ＝ １ ０ ．对公式 （ ６ ）求导 ，可得 当 （ ∞ ） ＝ 一 Ｒ 时，可获得最大传输效率 ，设系 统 的 固有频率 即激励 的频 率为 ２ ＭＨ ｚ ，可计 算 得 出最佳 传输 距离 Ｄ ＝ ６ ． ７ ７ ４ ５ ｅ ｍ，对应 的最 大效 率为 ８ ６ ． ２ ６ ％．由于最初的匝数是任意定的，为 了获得最大效率 ，就有对应 的最佳传输距离 ，反过来 ，也
。 ，
图 ３ 线 圈 耦合 电路 模 型
Ｆ ｉ ｇ ． ３ Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｃ ｏｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ
此时两线圈之间的能量传输效率最大 ，为 ：
叼＝ （ ） Ｒ ／ （ Ｒ Ｄ＋ ） ［ ｓ （ 尺 Ｄ＋ ）＋（ ｒ ａ Ｍ） ］Ｘ １ ０ ０ ％
成 为科学 家研究 的热 点．本 文从理论 上对谐 振式元 线 电能传输 系统 的谐振线 圈进行 优化 ，为实 物设计
和 实验 提供 了设 计依 据．
１ 磁 耦 合谐 振原 理
磁耦合谐振式无线电能传输技术 ，利用 电路 中产生的谐振来实现 电能的无线传输 ．其理论基
础 是耦 合模理 论 （ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ— ｍｏ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ） ，其基 本思 想是 在两 谐振 模式 间通 过恰 当地 耦 合 ， ． 形 成 能 量
‘
（ ３ ）
［ 收稿 日期 ］２ ０ １ ｌ 一 ０ ４— ２ ３ ［ 修 回 日期 ］２ ０ １ ２— ０ ９— ０ ５ ［ 基金项 目］广 东省 自然科学基金项 目 （ ８ １ ５ １ ０ ０ ９ ０ ０ １ ０ ０ ０ ０ ５ ９ ） ［ 作者简介 ］陈逸鹏 （ １ ９ ８ ９一） ，男 ，硕士 生 ，研 究方 向为 无线 电 能传输．通 讯作 者 ：聂一 雄 （ １ ９ ６ ４一） ，男 ， 副教授 ，博士 ，研究 方向为电工理论新技术．Ｅ ｚ ｍｍ ｌ ：ｎ ｉ ｅ ｙ ｘ ５ ２ ９ ＠ｇ ｄ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
可通过 确定距 离对 匝数进 行 优化 ． 由图 ８可 获得表 １ 数 据 ，可见 ，通过减 小传 输距离 可减 少线 圈匝数 且 获得更 高 的传输 效率 ，这 是 因为 减 少 匝数使 线 圈 内阻 降低 ，从 而提 高 效 率． 此外 ，从 图 中也 可看 出 ，当距离超 过 １ ０ ｃ ｍ 以后 ，此时 的效率 已经 很低 ，线 圈 匝数对效 率 的影响 已不 明显 ．
在两个谐振腔之间的全转移 ，从而获得高效率的能量转移 ，而其他偏离谐振频率的物体之间的相互作
用 较弱 ，对 能量传输 影 响较 小 ． 假设 在一 个无损 耗 的系统 中 ，两个 物体 的本 征频 率 为 ∞ 和 ∞ ： ，振 荡 幅度 为 口 。 （ ￡ ）和 ｎ （ ｔ ），根 据 耦合模 理论 可导 出耦 合模 的微 分方程 组 ，式 中 和 Ｊ ｌ ｝ ： 是耦 合系数． 即： ｄ ｏ ｌ （ ｔ ） ／ ｄ ￡＝ｊ １ ａ １ （ ￡ ）＋ｋ １ ２ ａ ２ （ ￡ ）
表 １ 不 同距 离对 应 的最 佳 匝数 及 最 大 效 率
Ｔａ ｂ ． Ｉ Ｄｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｎ ｕ ｍｂ ｅｒ ｏ ｆ ｔ ｕ ｒ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ｅ ｆｉ ｃ ｉ ｅｎ ｃ ｙ
第２ ０卷 第 ３期 ２ ０ １ ２年 ９月
厦 门理工 学院学报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｘ ｉ ａ ｍｅ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ１ ． ２ Ｏ Ｎｏ ． ３ Ｓ ｅ ｐ． ２ ０１ ２
谐振 线 圈 谐振 线 圈
＝１ ／
＝
童狮Ｏ
灯 泡
高频 功率 源
图 ２ 无 线 电 能传 输 示 意 图
Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ
式 中 ：ｔ ｘ 。 为真 空磁导 率 ，ａ为导 线半 径 ，ｒ 为 线 圈半 径 ，凡为线 圈 匝 数 ，ｏ ｒ 为 电导 率． 此 时 ，能 量传
输 效 率可 改写 为 ：
＇ ７ ＝（ ｗ Ｍ） Ｒ （ Ｒ ０ ＋尺 ） ［ ＋ 尺 ０ Ｒ ＋（ ） ］Ｘ １ ０ ０ ％ （ ６ ） 为 了更 加直 观地 看 出各 参数对 效 率 的影 响 ，现 以以 下模 型 为基础 ：收 发线 圈为参 数一 致 的圆形 密 绕 的空心线 圈 ，系统 频率 厂＝ ２ ＭＨ ｚ ，导 线直 径 ｄ＝１ ｍ ｉ ｌ ｌ ，线 圈 半径 ｒ ＝ ５ ａ ｍ，匝数 ＝１ ０ ，负载为 纯 电阻 Ｒ ＝ ５ ，传输距离 Ｄ： １ ０ ０ １ ＇ Ｉ １ ；根据公式 （ ６ ） ，采用控制变量法 ，即研究某一参数对效率的影 响 时，其他参数采用上面模型给出的数值，得 出各参数与效率的关 系如图５— ８ 所示． 从 图 中可 以直 观地 看 出各参数 与传 输效 率 的关系 ：图 ５中 ，线 圈结 构 和系统 频率 确定后 ，即内阻 确定 ， 存在最佳的负载 电阻使得传输效率最高 ，此外 ，线圈电阻对传输效率有很大的影响 ，线圈电阻
效 率 的 关 系． 通过 对 具 体 模 型 进 行 优 化 ，模 型效 率 明 显 提 高 ，为耦 合 线 圈的 优 化 设 计提 供 依 据 ．
［ 关键词］耦合模 ；无线 电能传输 系统；谐振 线圈；控制变量法；优化设计 ［ 中图分类号】Ｔ Ｍ ５ ５ ［ 文献标志码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１ ６ ７ ３— ４ ４ ３ ２（ ２ ０ １ ２ ）０ ３— ０ ０ ６ ２－ ０ ５