特斯拉线圈与无线电力传输

特斯拉线圈与无线输电

摘要：美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉在1891年发明特斯拉线圈，主要用来生产超高电压但低电流、高频率的交流电力。为更好地解释特斯拉现象，我们做了特斯拉闪电实验。现在特斯拉线圈被很多爱好者用来制作绚丽的人工闪电，其最重要的应用之一就是可以用来实现无线输电。无线输电是可实现供电体与用电体之间的非物理接触而进行能量传输的一种模式。无线输电技术不仅在实际生产生活中应用前景巨大，利用无线输电可减少电线的使用，从而降低生产成本，增加生产过程安全性，如减少电线使用一定程度上降低火灾发生几率。本文就特斯拉线圈和无线电力传输的基本原理做了一些介绍，并对其未来可能的应用做了一些探讨。

关键词：特斯拉线圈高频振荡无线输电应用前景

引言：19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的名尼古拉·特斯拉在电气与无线电技术方面作出了突出贡献。他1891年发明高频变压器( 特斯拉线圈) ，现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线力传输的技术无突破性进展。1 9 0 l —1 9 0 5 年在纽约附近的长岛建造Warden．clyfe 塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输到世界上任何一角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。特斯拉有生之年没有财力实现这一主张。后人从理论上完全证实了这种方案的可行性，证明这种方案不仅可行，而且效率极高，对生态安全，并且不会干扰无线电通信。

若无线充电技术可实现，电池、电线等将逐渐被无线取代，这将大大缓解由

电池、电线带来的环境、能源问题，如应用到医疗救援事业——心脏起搏器，病人无需为更换“心脏起搏器”而动手术，可直接进行无线输电；若生命探测机器人可进行无线充电，那么它就可长时间不间断进行搜救工作，使其工作效率大大提高。如应用在军事方面——间谍机器人可进行无线充电，无需担心供能问题，长时间持续工作便可实现。至于家庭应用方面，通过无线充电则可克服很多麻烦如手机充电线，电脑充电线等。总之，无线输电技术普及，将有益于提高人类的生活水平。

1. 特斯拉无线输电的发展现状：

国外对无线电能传输技术的研究较早，早在20世纪70年代中期就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20世纪90年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突破研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供破。

1995年1月，美国汽车工程协会根据Magne-chargeTM系统的设计，制订了在美国使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准———SAEJ.1773[4]。

通过对近年来国外无接触功率传输理论与实验的研究成果发现，目前无接触功率传输的研究绝大部分是近距离传输方面的研究，国外对带气隙的变压器模型的理论分析和应用设计已有不少成果，且有部分成果已经得到了实际应用，而对于远距离的无接触功率传输的研究，国外直到近几年才有相关实验成果的报道。如美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授及其团队在2006年用所谓的“电磁共振原理”成功将2.13m外的60W的灯泡点亮。2008年9月美国内华达州的雷

电实验，日本也研究出远距离室成功的将800W电力无线传输到5m远的距离，提供30W功率的实验装置。

2.2 国内研究现状

国内在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007年2月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术。

国内科技企业在无线输电研究方面也有较快进展。2010年1月，海尔在第四十三届国际消费类电子产品展览会上推出全球首台无尾电视。

2.特斯拉线圈原理：

特斯拉线圈是利用电路谐振进行能量变换的高压发生装置。它的工作原理与普通变压器有较大不同。普通变压器的耦合系数K 一般接近于1，所以初级和次级电压基本成比例关系;而特斯拉线圈的耦合系数一般都小于0.3，工作时，两级电压比例是随时间变化而变化的，不成线性关系。下面先来看看特斯拉线圈的主体结构：

特斯拉线圈的主体部分包括：升压充电回路、初级谐振回路和次级回路；初级谐振回路由初级线圈、主电容、打火器构成。次级谐振回路次级线圈和放电顶端构成，电容和电感的数值可根据实际制作而定。但最关键的是两回路的谐振频率要相同。

特斯拉线圈的工作过程：电源要先给主电容充电，当电压达到打火器的放电阀值时，打火器间隙的空气电离打火，近似导通，建立初级谐振回路，通过振荡向次级回路传递能量。次级回路随之振荡，接收能量，放电顶罩的电压逐渐增大，并电离附近的空气，‘寻找’放电路径，一旦与地面形成‘通路’，‘闪电’也就出现了，如果没有‘闪电’，几个(次数主要与耦合系数有关)周波后，初级回路能量释放完毕。较大部分的能量都转移到次级回路上，一部分能量损耗在回路上。次级回路继续振荡，并反客为主，带动初级回路振荡，以相同的方式把刚才得到的能量还给初级回路。但又一部分能量损耗在回路上，如此反复（见原理演示图），直到损耗掉大部分能量。打火器两端电压和电流都不足后，打火器等效断开，由外部电源继续给主电容充电。充电过程要比放电过程长得多，大概在3~10 毫秒左右。所以特斯拉线圈放电频度都在每秒100 次以上，也使肉眼看上去为连续放电效果。原理演示图如下：

上面这张形象地描述了特斯拉线圈工作时的能量传递过程，为了更进一步

了解变化的快慢，下面从波形仿真角度来看看电压的变化过程：