磁耦合谐振无线电能传输系统传输效率影响因素研究

王岩燕

（平凉职业技术学院，甘肃 平凉 744000）

1 无线电能传输技术

1.1 电磁微波型无线电能传输

电磁微波型无线输电传输原理为用微波源将电能转化为微波，通过发射天线将微波发射，让微波在自由空间中传输到接收端，接收端的天线接收后，经整流为其他设备供电。微波电能传输有定向性好以及可以穿透电离层等特性。但是由于微波无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）的工作频率高、系统能量传输效率较低，因此并不适用于能量传输距离较短的应用场合。

1.2 电磁感应型无线电能传输

电磁感应式WPT的基础是电磁感应原理，电能的传输需要经过3个过程。首先，发射侧通过整流、逆变发射能量；其次，相互分离的发射侧线圈和接收侧线圈通过电磁场来实现在较近距离条件下电磁能量的传输；最后接收端接收能量经过整流、逆变后给设备供电。

1.3 磁耦合谐振型无线电能传输

磁耦合谐振型WPT和电磁感应型WPT相比，其能量的有效耦合性更好，电能的传输效率更高，可利用其对激励频率具有严格要求这一特性向指定电器供电，供电安全性高。此外，非接触感应绕组间的错位敏感度也低。

2 磁耦合谐振无线电能传输系统

2.1 磁耦合谐振无线输电系统工作原理

磁耦合谐振式无线输电系统的工作原理如图1所示，线圈D为接收端线圈，线圈S为发射端线圈，若它们的共振频率相同，当系统工作的频率为该共振频率时，两线圈便会发生共振，并在两线圈间建立起能量传输通道，并且此时谐振回路的阻抗有最小值，由激励电源发出的大部分能量便会通过该能量传输通道传给负载。

图1 磁耦合谐振式无线输电系统的工作原理

2.2 磁耦合谐振式无线输电系统的系统结构

磁耦合谐振式无线输电系统的核心是磁耦合谐振技术。磁耦合谐振式无线输电系统主要由两大模块构成，分别是发射回路和接收回路。发射回路包括高频震荡源、功率放大电路以及发射线圈。高频震荡源为发射线圈提供高频震荡电流，使能量以电磁能的形式传递给接收回路。接收回路主要由接收线圈、整流滤波电路等负载等组成。接收线圈感应高频正弦电流，通过整流滤波电路将接收到的电能转换为直流电供给负载，实现电能的无线传输。

2.3 磁耦合谐振式无线输电系统的影响因素分析

磁耦合谐振式无线输电系统模型如图2所示，其中Us是高频电源，Rs是高频电源的内阻，RL是负载电阻，Rad1是激磁线圈的辐射电阻，Rad2是发射线圈的辐射电阻，Rad3是接收线圈的辐射电阻，Rad4是负载线圈的辐射电阻，Rp1、Rp2、Rp3、Rp4是激磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈内由于集肤效应等因素产生的损耗电阻，L1是激磁线圈的电感，L2是发射线圈的电感，L3是接收线圈的电感，L4是负载线圈的电感，C1是与激磁线圈串联的电容，C4是与负载线圈串联的电容，C2是发射线圈上的分布电容，C3是接收线圈上的分布电容，M12为激磁线圈与发射线圈之间的互感系数，M23为发射线圈与接收线圈之间的互感系数，M34为接收线圈与负载线圈之间的互感系数，为了便于分析，其余的互感忽略不计[1-4]。

图2 磁耦合谐振型无线输电系统模型

由图2可知负载线圈中的阻抗Z4为：

若无线输电系统工作在谐振频率，则有：

若令R4=Rp4+Rad4，则Z4可表示为：

等效到接收线圈侧的负载阻抗为：

据此可得接收线圈中的总阻抗为：

同理可以得到发射线圈的阻抗表达式为：

同样可得激励线圈的总阻抗为：

由式（1）—式（7）可知，无线输电系统的终端负载和负载电阻RL、激磁线圈与发射线圈之间的互感系数M12、发射线圈与接收线圈之间的互感系数M23、接收线圈与负载线圈之间的互感系数M34有关。改变以上几个参数的大小一定会引起传输系统的阻抗改变，因此上述参数对系统的传输效率有较大影响。

3 实验证明与分析

为了验证上述理论分析的正确性，本文用图2所示的电路原理开发设计的电磁耦合谐振式无线电能传输实验装置进行实验，其中电磁发射系统、接收系统由螺旋线圈组成。

3.1 频率对传输效率的影响

当发射线圈与接收线圈之间的距离恒定,负载为纯电阻性负载时，改变电源的输出频率来改变输电系统的总负载，得到输出效率与频率的变化关系。在电源频率逐渐增大的过程中，无线电能传输的功率先增大随后又逐渐减小，并且在频率为一个恒定值时传输效率达到最大值[5]。由此说明可以通过调整频率改变负载阻抗值的方法使功放模块的输出功率达到最大值。由于输出功率最大时反射功率就会最小，功放模块上的热损失也最小，此时的效率最大。

3.2 互感系数M23对传输效率的影响

当负载的阻性为纯阻性，信号发生器频率为固定值时，通过改变发射、接收两线圈之间的距离得到互感系数M23对传输效率的影响关系。改变发射、接收两线圈间的距离，传输效率会随着线圈间距离的变化而变化。在线圈间距离不断增大的过程中，电能输送的效率按照先增大随后又减小的规律变化，并且在一个特定距离时效率达到最大值。这说明两线圈间的距离对电能传输的效率影响较大，用调整距离改变M23的方法可以改变电能无线传输的效率[6-8]。

3.3 负载电阻RL对传输效率的影响

当发射、接收线圈之间的距离恒定，电源的频率固定时，改变负载电阻大小，可得到输出效率随着RL的变化情况。随着负载电阻阻值的不断增大，无线电能传输系统的传输效率不断减小。

3.4 互感系数M12和M34对传输效率的影响

当负载为纯阻性负载，电源频率固定时，通过调节激磁线圈与发射线圈的距离能够改变激磁线圈与发射线圈之间互感系数M12的值；通过调节接收线圈与负载线圈的距离能够改变接收线圈与负载线圈之间互感系数M34的值，接收线圈的电压均有所提高，说明调节M12、M34的大小也会影响电能的输出效率[9,10]。

4 结 论

实验研究表明，电源的输出频率、互感系数M23、负载大小、互感系数M12以及互感系数M34这些参数都会影响磁耦合谐振式无线电能传输系统的能量传输效率。因此，在实际应用中应综合考虑各因素的影响，优化参数，使无线输电系统的效率最佳。