磁耦合諧振無線電能傳輸系統傳輸效率影響因素研究

王巖燕

（平涼職業技術學院，甘肅 平涼 744000）

1 無線電能傳輸技術

1.1 電磁微波型無線電能傳輸

電磁微波型無線輸電傳輸原理為用微波源將電能轉化為微波，通過發射天線將微波發射，讓微波在自由空間中傳輸到接收端，接收端的天線接收后，經整流為其他設備供電。微波電能傳輸有定向性好以及可以穿透電離層等特性。但是由于微波無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的工作頻率高、系統能量傳輸效率較低，因此并不適用于能量傳輸距離較短的應用場合。

1.2 電磁感應型無線電能傳輸

電磁感應式WPT的基礎是電磁感應原理，電能的傳輸需要經過3個過程。首先，發射側通過整流、逆變發射能量；其次，相互分離的發射側線圈和接收側線圈通過電磁場來實現在較近距離條件下電磁能量的傳輸；最后接收端接收能量經過整流、逆變后給設備供電。

1.3 磁耦合諧振型無線電能傳輸

磁耦合諧振型WPT和電磁感應型WPT相比，其能量的有效耦合性更好，電能的傳輸效率更高，可利用其對激勵頻率具有嚴格要求這一特性向指定電器供電，供電安全性高。此外，非接觸感應繞組間的錯位敏感度也低。

2 磁耦合諧振無線電能傳輸系統

2.1 磁耦合諧振無線輸電系統工作原理

磁耦合諧振式無線輸電系統的工作原理如圖1所示，線圈D為接收端線圈，線圈S為發射端線圈，若它們的共振頻率相同，當系統工作的頻率為該共振頻率時，兩線圈便會發生共振，并在兩線圈間建立起能量傳輸通道，并且此時諧振回路的阻抗有最小值，由激勵電源發出的大部分能量便會通過該能量傳輸通道傳給負載。

圖1 磁耦合諧振式無線輸電系統的工作原理

2.2 磁耦合諧振式無線輸電系統的系統結構

磁耦合諧振式無線輸電系統的核心是磁耦合諧振技術。磁耦合諧振式無線輸電系統主要由兩大模塊構成，分別是發射回路和接收回路。發射回路包括高頻震蕩源、功率放大電路以及發射線圈。高頻震蕩源為發射線圈提供高頻震蕩電流，使能量以電磁能的形式傳遞給接收回路。接收回路主要由接收線圈、整流濾波電路等負載等組成。接收線圈感應高頻正弦電流，通過整流濾波電路將接收到的電能轉換為直流電供給負載，實現電能的無線傳輸。

2.3 磁耦合諧振式無線輸電系統的影響因素分析

磁耦合諧振式無線輸電系統模型如圖2所示，其中Us是高頻電源，Rs是高頻電源的內阻，RL是負載電阻，Rad1是激磁線圈的輻射電阻，Rad2是發射線圈的輻射電阻，Rad3是接收線圈的輻射電阻，Rad4是負載線圈的輻射電阻，Rp1、Rp2、Rp3、Rp4是激磁線圈、發射線圈、接收線圈、負載線圈內由于集膚效應等因素產生的損耗電阻，L1是激磁線圈的電感，L2是發射線圈的電感，L3是接收線圈的電感，L4是負載線圈的電感，C1是與激磁線圈串聯的電容，C4是與負載線圈串聯的電容，C2是發射線圈上的分布電容，C3是接收線圈上的分布電容，M12為激磁線圈與發射線圈之間的互感系數，M23為發射線圈與接收線圈之間的互感系數，M34為接收線圈與負載線圈之間的互感系數，為了便于分析，其余的互感忽略不計[1-4]。

圖2 磁耦合諧振型無線輸電系統模型

由圖2可知負載線圈中的阻抗Z4為：

若無線輸電系統工作在諧振頻率，則有：

若令R4=Rp4+Rad4，則Z4可表示為：

等效到接收線圈側的負載阻抗為：

據此可得接收線圈中的總阻抗為：

同理可以得到發射線圈的阻抗表達式為：

同樣可得激勵線圈的總阻抗為：

由式（1）—式（7）可知，無線輸電系統的終端負載和負載電阻RL、激磁線圈與發射線圈之間的互感系數M12、發射線圈與接收線圈之間的互感系數M23、接收線圈與負載線圈之間的互感系數M34有關。改變以上幾個參數的大小一定會引起傳輸系統的阻抗改變，因此上述參數對系統的傳輸效率有較大影響。

3 實驗證明與分析

為了驗證上述理論分析的正確性，本文用圖2所示的電路原理開發設計的電磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗裝置進行實驗，其中電磁發射系統、接收系統由螺旋線圈組成。

3.1 頻率對傳輸效率的影響

當發射線圈與接收線圈之間的距離恒定,負載為純電阻性負載時，改變電源的輸出頻率來改變輸電系統的總負載，得到輸出效率與頻率的變化關系。在電源頻率逐漸增大的過程中，無線電能傳輸的功率先增大隨后又逐漸減小，并且在頻率為一個恒定值時傳輸效率達到最大值[5]。由此說明可以通過調整頻率改變負載阻抗值的方法使功放模塊的輸出功率達到最大值。由于輸出功率最大時反射功率就會最小，功放模塊上的熱損失也最小，此時的效率最大。

3.2 互感系數M23對傳輸效率的影響

當負載的阻性為純阻性，信號發生器頻率為固定值時，通過改變發射、接收兩線圈之間的距離得到互感系數M23對傳輸效率的影響關系。改變發射、接收兩線圈間的距離，傳輸效率會隨著線圈間距離的變化而變化。在線圈間距離不斷增大的過程中，電能輸送的效率按照先增大隨后又減小的規律變化，并且在一個特定距離時效率達到最大值。這說明兩線圈間的距離對電能傳輸的效率影響較大，用調整距離改變M23的方法可以改變電能無線傳輸的效率[6-8]。

3.3 負載電阻RL對傳輸效率的影響

當發射、接收線圈之間的距離恒定，電源的頻率固定時，改變負載電阻大小，可得到輸出效率隨著RL的變化情況。隨著負載電阻阻值的不斷增大，無線電能傳輸系統的傳輸效率不斷減小。

3.4 互感系數M12和M34對傳輸效率的影響

當負載為純阻性負載，電源頻率固定時，通過調節激磁線圈與發射線圈的距離能夠改變激磁線圈與發射線圈之間互感系數M12的值；通過調節接收線圈與負載線圈的距離能夠改變接收線圈與負載線圈之間互感系數M34的值，接收線圈的電壓均有所提高，說明調節M12、M34的大小也會影響電能的輸出效率[9,10]。

4 結 論

實驗研究表明，電源的輸出頻率、互感系數M23、負載大小、互感系數M12以及互感系數M34這些參數都會影響磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的能量傳輸效率。因此，在實際應用中應綜合考慮各因素的影響，優化參數，使無線輸電系統的效率最佳。