本科毕业论文（设计）
题目中短距离小功率
无线电力传输系统设计
指导教师张军职称讲师
学生姓名陈昂学号20091526102
专业通信工程（无线移动通信方向）
班级2009级无线移动通信1班
院（系）电子信息工程学院
完成时间2013年4月20日
中短距离小功率无线电力传输系统设计
摘要
移动互联网的井喷式繁荣，移动互联设备（MID）层出不穷的涌现，电池技术瓶颈的限制已难以满足人们的用电需求；物联网的深入发展，越来越广泛的网络节点能量供给等都要求更为先进的无线能量传输技术的发展，尤其是中短距离中小功率的无线电能传输的发展。两者共同昭示着无线电能传输光明的未来。
本文对无线电能传输（WPT）做出了简要但系统的介绍，并对其中的微波输能技术(MPT)做出了深入的探讨，在此基础上建立起了中短距离中小功率无线电力传输系统模型，即为MPT-MDSP式系统的模型。这种系统是由发射和接收两部分组成，发射部分用声表面波射频发生电路将DC转变成RF并通过特制天线辐射出去，接收部分再通过接收天线接收RF能量，用整流电路将RF转变成DC，供应用电设备。
关键词无线电能传输（WPT)/微波输能 (MPT) /天线
MIDDLE DISTANCE & SMALL POWER
WIRELESS POWER TRANSPOTAION SYSTEM
ABSTRACT
The Wireless Power Transportation (WPT) shows a outstanding necessity in our today`s daily life .For one thing The Mobile Internet device (MID) comes out one after another because of The prosperity of Mobile Internet.The limitations of the technology bottleneck in battery capacity can not fit people`s requirement in these devises .For another the booming of Internet of Things brings large quantity of net nodes .These nodes cannot be charged easily.However,WPT will be the best way to solve this problem.Especially,the Middle Distance & Small Power Wireless Power Transportation System(WPT-MDSP) will plays a great role in these scopes.
In this paper ,I made a brief but clear introduction of the WPT,and a thorough discussion in Microwave Power Transportation (MPT) ,which was used to leed to the applied system WPT-MDSP .This system contains two parts,the eradiation part and the Receive part .The first part works for changing Direct-current（DC）into R adiofrequency （RF）,the other does the converse work.Both of them are designed for exclusive use. They works together to charge the Electrical equipment.
Key words Wireless Power Transportation (WPT)/ Microwave Power Transportation (MPT)/Antenna
目录
摘要.................................................... I I ABSTRACT ................................................... I II 1 无线能量传输概述. (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 研究历程及现状 (2)
1.3 无线输能的方式及比较 (3)
1.4 本文的主要内容及行文结构 (4)
2 中短距离小功率无线电力传输系统简述 (5)
2.1 WPT-MDSP系统定义 (5)
2.2MDSP系统发展状况 (6)
2.3MPT-MDSP系统的技术构成 (6)
2.3.1MPT系统组成和关键技术 (7)
2.3.2 MPT-MDSP系统的技术构成 (7)
3系统的发射系统设计 (9)
3.1微波源前端电路设计 (9)
3.2微波功率发射源设计 (9)
3.3发射天线设计 (10)
3.3.1天线的主要技术指标 (10)
3.3.2 433M八木定向天线设计 (13)
4系统的接收系统设计 (15)
4.1接收天线设计 (15)
4.2负载匹配 (19)
5能量传输效率分析 (20)
5.1 WPT-MDSP系统的能量传输效率研究方法 (20)
5.2一种系统效率的分部研究法 (20)
6系统的优化升级方案构思 (22)
6.1系统体积的缩小 (22)
6.2系统能量传递效率的提升 (23)
6.3系统的智能化改进及安全性 (23)
致谢......................... (26)
参考文献............................................... .. (27)
1 无线能量传输概述
1.1 研究背景及意义
21世纪是信息、通信技术飞速发展的时代。移动互联技术如井喷式的发展：人与人之间的通信日臻完美；人与物，物与物之间的通信方兴未艾。一方面，已经发展起来的移动互联网已经很大程度上的优化着我们的美好生活，让我们随时随地，每时每刻都能与我们的亲朋好友进行着文字、图片、语音、视频各种交流，手指轻轻一滑，我们的欢声笑语便能传遍整个世界。另一方面，物联网似乎蕴含着更大的能量：我们所在意的植物能是会说话的，比如农场里的作物温度，湿度，CO2浓度等，都能通过无线传感网告诉我们。同样，我们所在意的动物，食物，建筑物，交通工具等等，都能通过无线传感网告诉我们他们的状态、“心情”。
前者的背后稍加抽象的思维我们便会发现这种大发展大繁荣主要源于两种革命式的变化：一是信号的无线化：从传统的有线电话，到现在的3G/WIFI/4G等的发展。二是，手持终端的无线化：从有线电话，到“大哥大”再到现在的手机甚至“平板手机”。现今人们的需求催生了高性能大屏幕的智能平板手机，但电池技术的瓶颈让我们不得不忍受电池电量不足的痛楚：如果我们能看惯一堆扯来扯去的电线，能适应一天至少冲一次电，那么出差的时候关机或者拿个备用机似乎也变得不可避免。能量能不能无线化传输呢？
后者的大发展当然也要一定程度的解决无限能量传递的问题，无线节点寿命如果只取决于电池的寿命的话，无线传感网的发展阻力将大大增加。物联网的发展大势所趋，无线节点的供电势必会推动无限能量传输的发展。
当然，能量可以实现无线传输。而且无线能量传输已经开始了较为广阔的应用，尽管我们并不常听闻。我国随着经济的快速发展，能源战略问题也日益突出。中国科学院在名为《中国未来能源战略咨询报告》中建议太阳能经济实惠，是解决中国乃至世界能源危机的最佳方式。早在20世纪50年代，美国等西方国家就开始了利用太阳能卫星将太空的太阳能转换成微波传输到地面，再转换成电能的无线输能研究。在军事上，如高空永久飞行通信平台，微型侦察机等卫星武器，还如条件恶劣地区的电力传输，以及电动汽车的供能等众多应用。所以，无线能量传输技术是一种潜在新兴的
并且将会大有可为的技术。“他被美国《技术评论》评为未来十大科研方向之一”[2]。
1.2 研究历程及现状
事实上无线能量传输有着年轻而又悠久的历史。年轻是因为他并没有成熟被大规模应用而为世人所熟知。但，他却有百年的历史！在这里不得不提这位“被遗忘的天才”尼古拉斯·特斯拉( Nikola·Tesla)。1890年，他做了无线电能传输的实验，利用地球看作似一个巨型的内导体，再利用环绕在地球表面的电磁波进行大规模无线能量传输。[2]历史上的通古斯大爆炸，传说便是他用这种方式产生的巨大能量。后来，因财力不足而实验失败，他的实验资料都被美国中情局尘封，而不为世人流传。此后关于无线能量传输的研究便中断了。
近代，直到20世纪60年代，无线电能传输才再次新兴起来。[3] 1964年William C·Brown研发出了将微波能转变成电能的硅整流二极管天线。1967年美国雷声公司和美国空军合作共同进行了世界上第一次电力微波实验，实验成功用微波向直升飞机提供足够的电力。1968年美国提出了上文所说的空间太阳能发电（SSP）的概念。1979年美国NASA 和美国能源部共同提出了有重大意义的空间太阳能计划，并建立了SPS 太阳能卫星基准系统。1994年科研工作者用微波将4KW的能量传输了42米之遥。1995年美国NASA建立起了250MW的（SPS）空间太阳能动力系统。2001年5月，法国G· Pignolet 用磁控管方式的微波发射源点亮了40米外的200W电灯泡。2003年欧盟在留尼旺岛建立了一个2.45G频段的微波电能传输装置，为1Km外的格朗巴桑村进行了电能供应。[2]
最近几年，世界和国内无线电能传输的发展如火如荼。尤其是在2007 年 6 月，美国麻省理工学院（MIT）在该领域有了巨大突破，利用磁共振无线输电技术（ERPT），研制出的无线电能供应装置成功点亮相距大约 2.1m远的60W 电灯泡后[4]，我国的研究机构都给于了深刻的重视。在国外比如Power cast ，英特尔，微软，摩托罗拉，苹果等公司都有很深入的研究。在国内青岛海尔集团，香港城市大学，华南理工，东南大学，上海大学，哈工大等院校也开始了一定深度的研究。2010年8月国际成立了无线充电联盟，并发布了QI无线充电标准，为大规模的商用拉开了帷幕。据估计2020年，无线电力传输的产业规模将达到500-1000亿。[2]
1.3 无线输能的方式及比较
无线能量传输（WPT）经过百年的研究发展，大致形成了四种主要的方法。电磁感应的方式（ICPT），微波输能的方式(MPT)，磁耦合共振的方式(ERPT)，空间太阳能的方式(SPT)。
图1-1 无线输能技术方式
ICPT(Inductively Coupled Power Transportation)电磁感应式无线电能传输，是一种古老的无线电能传输方式，追溯起来，早在特斯拉发明了变压器的时候就已经实现了。是以磁场为媒介，利用变压器耦合，通过初级线圈和次级线圈耦合产生感应电流，电能可以穿过非金属材料传输，从而实现无电气连接的能量传输。这种传输方式已经用到了我们生活中，除了变压器，还有电动牙刷，以及最近QI的无线充电标准，在电动汽车充电中的应用以及Lumia920、Nexus4等最新的几款手机中的应用。这种传输功率大，效率高但是传输距离很近，一般不超过10cm。
MPT(Microwave Power Transportation)微波输能技术，最早是由赫兹（1857-1894）提出的，他论证了电磁波可以在高压电弧产生经只有空间传播后能在接收设备商检测到的理论[1]，而后一直到1964年威廉姆·布朗（William C·Brown）研发出了硅整流二极管天线后能将微波能转变成电能，将直流电能转化成了400W左右的微波能，传输了7.4米，在接收端被接收到了104W直流电能。[3]SPS（Solar Power Satellite）的发展也是MPT发展很重要的一部分。上世纪70年代，美国、日本进行了大规模深入研究，以应对出现的能源危机，如上文所述。它是把直流电能转化成微波通过天线传输出去，然后经过整流天线，将微波能转变成直流能量的技术。在中国，1994年，由林为干首先引进微波输能的概念，[3]而后的研究也不很系统，主要分布在整流天线的方向上研究。但从国内外多年的研究来讲，是一种相对较成熟的技术了。
它可以进行中远程距离的能量传输，而且传输功率也可以有很大的范围，但是效率不很高，微波的危害还没有研究清楚，对人体和坏境的破坏还有待于深入研究。
ERPT（Electro-magnetic Resonant Power Transportation）磁耦合共振能量传输技术，他是一种新技术，2007年美国MIT教授马林·尔贾希克，做的两个共振线圈隔空输能将一个60W的灯泡在2米左右的距离内点亮的实验，然后将成果发表在了《科学》上开始的。MIT的学者认为，相同谐振频率的物体构成耦合共振系统可以很高效率的传递能量，而对周围非同频率谐振的物体影响甚小。[4] 但也有人说是特斯拉实验的一种改进。即便如斯，这种技术100多年来也鲜有研究。一经发表，便在世界范围内产生了巨大的影响。日本东京大学，美国匹兹堡大学，华盛顿大学，英国哥伦比亚大学，中国香港理工，哈工大，东南，华工，浙大等院校都积极的开展研究。丰田的电动汽车充电系统，海尔的无尾电视，英特尔的“无限共振能量连接”都是基于这种技术的应用，一时占据着无线能量传输的最高位而风光无限好。当然，传输距离，线圈大小，谐振频率的控制等也有诸多待解决的问题。
SPT（Solar Power Transportation ）太阳能能量传输，当然，空间太阳能的传输可以利用MPT的SPS方式，也可以利用太阳能电池板的光电效应来实现能量的传递和转化。前一种方式归并到MPT，不再累述。后一种方式，太阳能受天气影响的不可靠性等原因使研究不多，这里也不深入。
表1 WPT技术的四种方式比较
技术/项目传输距离传输功率效率优点缺点ICPT 近/分米级大/千瓦高功大效率高距离短
MPT 可近可远可大可小低距离远灵活效率低
ERPT 中/米级中/瓦高没有辐射距离短
SPT 远/千米级大/兆瓦中清洁新能源应用范围
1.4 本文的主要内容及行文结构
本文题目为《中短距离小功率无线电力传输系统设计》，主要内容是基于MPT方式的中短距离中小功率的无线电能传输,是针对于家用电器以及无线互联设备，比如平板电脑、手机等设备供电而进行的前期研究。主要包括，微波功率发生器，微波源前端电路设计，发射天线设计，接收天线设计，整流滤波电路设计。
全文分为6章。
第1部分，主要讲无线能量传输的一些基础知识。从整体上形成一个体系和清晰的概念。
第2部分中短距离小功率无线电力传输系统概述，主要是对基于MPT技术的我所设计的“二中”系统有一个清晰的定位和认识。以及在该系统中的关键技术。
第3部分发射系统的设计。包括微波发射源的设计，功率发射源控制电路的设计，发射天线的设计。是全文的重点章节。
第4部分接收系统的设计。包括接收天线的设计，整流滤波电路的设计，以及负载的匹配。
第5部分能量传输效率分析。
第6部分系统的优化升级方案。
最后还有本文的总结和展望。力求文章脉络清晰，研究资料翔实，研究方法可靠，语言通俗易懂
2 中短距离小功率无线电力传输系统简述
2.1 WPT-MDSP系统定义
中短距离小功率无线电力传输系统（WPT-MDSPS）是无线电力传输在中、短距离，中、小功率电子设备方面的应用。如在家用电器上的应用，在移动设备上的应用。本文所述系统试图针对手机、平板等移动互联设备的电能无线补偿。
2.2 MDSP系统发展状况
从特斯拉建造了艾弗里铁塔，或者是发明出了交流发电机开始起，无线电能传输便拉开了序幕。如前所述，无线电能传输系统大都在空间域大功率能量传输的发展。但近几年，随着移动互联网爆炸式发展，移动互联设备如雨后春笋般的涌现。其本身的移动性，和对电池电量不断提升的要求，迫切的催生着无线电能传输在中短距离小功率方面的应用。
2007年马林·尔贾希克，做的两个共振线圈隔空输能将一个60W的灯泡在2米左右的距离内点亮的实验后，磁耦合共振技术(ERPT)在无线能量传输上的应用如火如荼。尤其是在MDSP系统上的应用，迅速成为WPT技术中的新秀和宠儿。Intel、Apple、及国内的Haier等公司都开始了合作研究并推出了产品。马林·尔贾希克和他的伙伴也成立了一家Witricity 的风投公司，推动者这项技术的商用。2012年12月3日各大网站纷纷报道了“苹果公司最新公布的隔空充电年专利”[5]，一时众说纷纭，推测苹果会将项技术用于新一代的iphone上。其实这也不足为奇，2012年三星推出的Galaxy S和Note系列旗舰手机，诺基亚最新旗舰机Lumia920,谷歌Nexus4等最新一代的机皇大都配备有无线充电功能。而他们用的是Qi标准的电磁感应（ICPT）技术。“2010年无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）于8月31日上午在北京钓鱼台国宾馆发布Qi无线充电国际标准”[6]，标志着该技术的成熟和商用。
更早，在马林·尔贾希克得意的领着美国天才奖的时候，另外一家Powercast 的公司已推出了一款似乎更为便捷的无线能量传输装置[7]，他用射频能量为周围1米左右的小功率用电器提供能量。而这家公司的产品技术和本文有着几乎相同的思路，但我不得不声明这是我知道这家公司之后才知道的。
2.3 MPT-MDSP系统的技术构成
本文是基于MPT式的中小功率中短距离无线电力传输。
图2-1微波输能技术原理图
2.3.1 MPT系统组成和关键技术
MPT系统涉及微波的多个研究领域，包括微波功率发生器、波束控制、接收天线、整流天线组阵技术、空间功结合”[3]。
MPT系统由三部分组成，第一部分：微波功率发生器，将直流DC变成微波能量RF。第二部分：发射和传播部分，将微波能量传播出去。第三部分：微波接收和整流部分，将接收到的微波能量RF，整流成直流DC。
图2-2MPT系统组成框图
2.3.2 MPT-MDSP系统的技术构成
MPT-MDSP是MPT技术在特定方向的应用。本文就这种应用对MDSP系统作如下设计：
1、微波功率源：用433M声表面波晶振和功率放大电路发射出10W左右的433MHZ的微波能量。
2、发射天线：增益为12DB，阻抗为50欧姆的430MHZ八木定向天线。
3、接收天线：增益为20DB，阻抗为50欧姆的430MHZ的立体正方形天线。
4、整流电路：将接收天线的微波能量滤波，全波整流桥整流，稳压管稳压，得到电压3V左右的直流能量。
5、负载匹配：负载为LED红色灯珠，工作电压2.7~3.3V，功率1W。
3系统的发射系统设计
图3-1 发射系统框图
3.1微波源前端电路设计
微波源的前端电路是一种将市电转换成低压稳定的直流电的电路。通信设备和多媒体设备的发展，这种技术已经十分成熟。各种品牌的手机充电器都是起到这样的作用。下面是全波整流型超力通CLT760A 手机充电器电路，可以用作微波发射源的前端电路。其电路图3-2如下：
图3-2微波发射源的前端电路
它的工作原理是：先将220V市电经过D1、D2、D3、D4桥式整流，输出200V 左右的直流电，再经变压器（T）初级线圈（L1）加到Q1的集电极，同时，另一路经启动电阻R2为Q1的基极提供一个偏置电压，使Q1导通。
这种充电器稍加改善便可作为MDSP系统微波发射源的前端电路，将输出额定电压设置为12V，输出额定电流为1 A.输出功率为10W左右。
3.2微波功率发射源设计
在MPT系统中微波源通常用价格便宜，效率较高的磁控管。[9]而在MDSP系统
中，由于是中小功率，磁控管的功率太大，由安全性和实用性等方面考虑，选择了大功率射频功率放大电路。该微波功率源，采用433MHZ的声表面波（SAW）谐振器，然后经功率放大器，产生功率433MHZ,10W左右的微波能量。其电路图3-3如下：
图3-3 SAW谐振器型振荡电路原理图
该电路为共基极电路, 其起振条件为:
（1）上式中, Pce为晶体管TR1的集电极回路接入系数, RP为输出回路的谐振阻抗, h f e为晶体管TR1的电流放大倍数, h ie为晶体管TR1的输入电阻。”[10]
对于SAW谐振式振荡器, 双边带相位噪声/ 载波比可以近似的表示为：
（2）然后，选择功放管，设计两级功率放大电路，以及合适的电阻，电感，电容，选频网络。在电路输出端发射出10W左右433MHZ微波能。
3.3发射天线设计
3.3.1天线的主要技术指标
由绪论中几种无线电能传输技术的比较可知，MPT方式其效率是较低的，而其提升效率的关键就在天线技术的提升，所以天线技术在该系统中处于十分重要的地
位。
天线的馈电点阻抗：
天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。它具有电阻分量Rin和电抗分量X in.
即: Zin=Rin + j X in (3)
天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线阻抗计算或者说匹配问题，是一项很复杂的问题，甚至是个课题，有一系列计算方法，在这里就不详细论述了，只用“经典等效传输线法”[11]为例介绍其计算方法：
等效传输线法是将长度为2L，半径为a的圆柱导体的对称振子等效长度为L，特性阻抗为Zc，传播常数为v的有损耗均匀开路线，如图4所示。根据传输线理论，输入阻抗的计算公式如下：
（4）式中传播常数：
（5）相位常数为：
（6）衰减常数为：
（7）其中：
（8）
（9）
（10 代入上述公式，根据传输线理论可近似得出天线的输入阻抗为：
（11 天线的方向和增益：
天线从方向上可分为全向天线和定向天线，全向天线就是每个方向都有辐射，辐射呈球形，每一维方向它的能量密度都相同。而定向天线，是只朝着指定的方向辐射，其不同方向的辐射强度不同。它的方向可由方向图5画出。
图3-5 天线方向图
天线的增益是指在输入相同功率的条件下，实际的天线与理想中的辐射单元在空间中相同一点处的信号其功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度[12]。天线增益与天线方向图有密不可分的关系，天线方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线增益越高。天线增益其实就是用来衡量一个天线朝某个特定方向接收和发射信号的能力。天线的增益可由公式计算：
G=10Lg(P2/P1) (12) 其中P2,是定向天线在该点处的功率密度，P1是全向天线在改点处的密度。
天线的极化方式：
天线的极化是由天线辐射最大的方向的电磁波中磁场方向定义的[12]。分为水平极化，垂直极化，椭圆极化，双极化等。一对收发天线其单极化方式要相同。
3.3.2 433M八木定向天线设计
“八木宇田天线”，简称“八木天线”。”[13]具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。得到了广泛的应用。
它的设计可由八木天线计算软件完成，输入频率为天线频率433MHZ；选用12单元高增益定向天线，单元铜管直径选6.4mm；左边一行数据是单元振子长度，右边一行数据为振子间距。其长度单位点击转换公制后为厘米。
其操作方法和个部分的作用如下图6所示：
图3-6 操作方法和部分作用
振子的长度，以及各振子见距通过计算数据如下图7所示：
图3-7 振子长度
4系统的接收系统设计
图4-0接收系统设计框图
4.1接收天线设计
系统的接收天线可以设计成“430MHZ立体正方形天线”[14]。立体正方形天线是环形系列的天线，因其频率为433MHZ故其波长短，天线也容易制作。以下是该种天线的制作方法：如图4-1所示：在正方形的环状天线上加上反射器，成为立体的定向阵列天线。
图4-1在环状天线上加上反射器
图4-2是433MHZ带宽天线整体直观图：
浅谈无线电力传输 张业邹代宇陈昊 内容摘要：无线电力传输技术是一项新兴的科技，这项技术未来将很大程度的造福人类。本文将对无线电力传输技术的历史，基本原理，研究现状以及未来前景进行介绍，让人们更好地认识这门新兴技术。 关键词：无线电力传输，电磁感应，耦合，共振，无线充电，改变世界。 一、无线电能传输的发展历史 1820年:安培,安培定理表明电流可以产生磁场。1831年:法拉第,法拉第电磁感应定律是电磁学的一个重要的基本规律。1864年:麦克斯韦建立了统一的电磁场方程,用数学的方法描述电磁辐射。1864年:赫兹证实了电磁辐射的存在。赫兹产生电磁波的设备是VHF和UHF 波段的放电发射机。1891年:特斯拉(NikolaTesla)改善了赫兹的微波发射器的射频功率供应,并申请专利。1893年:特斯拉在芝加哥的哥伦比亚世界博览会展示了他的无线传输的荧光照明灯。1894年:勒布朗(Hutin&LeBlanc)相信可以感应传输电能,并申请了关于一个能传输3KHz电能的系统的美国专利。1894年:特斯拉分别在纽约的第五大道南35号的实验室和休斯敦街46号的实验室通过无线方式点亮了一个单极白炽灯,实验手段用到电力感应、无线共振感应耦合等技术。1894年:钱德拉玻(JagdishChandraBose)使用电磁波信号远距离点燃火药和
触响铃铛,表明不用电线也能传递能量。1895年:钱德拉玻无线传输信号将近一英里远的距离。1896年:特斯拉发射了约48公里(30英里)距离的信号。1897年:马可尼(GuglielmoMarconi)使用超低频无线电发射器传送6公里的摩尔斯电码信号。1897年:特斯拉申请了无线传输的专利。自此，无线电力传输技术真正走上了历史的舞台。 一、无线电能传输的基本原理 无线输电技术根据其应用场合的变化有不同的原理,技术方案也不尽相同。 1.电磁感应原理 此原理与电力系统中常用的变压器原理类似。在变压器的原边通入交变电流,副边会由于电磁感应原理感应出电动势,若副边电路连通,即可出现感应电流,其方向的确定遵从楞次定律,大小可由麦克斯韦电磁理论解出。电力系统中的电压、电流互感器也是采用了类似的原理。相对于无线输电而言,变压器的原边相当于电能发射线圈,副边相当于电能接收线圈,这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。虽然电磁感应原理在电力系统中应用的初衷并不侧重于电能的传输,而是利用能量的转化改变电压、电流的数量级,但其对无线输电确实产生了一定的启发作用, 尤其是电能的小功率、短距离传送。目前使用电磁感应传递电能的主要有电动牙刷, 以及手机、相机、MP3等小型便携式电子设备,由充电底座对其进行无线充电。电能发射线圈安装在充电底座内,接收线圈则安装在电子设备中。这种原理的无
实验报告 1.实验原理 与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实现电能的无线传输是人类多年的一个美好追求。无线电能传输技术 (Wireless Power Transfer, WPT )也称之为非接触电能传输技术(Contactless PowerTransmission, CPT )，是一种 借于空间无形软介质(如电场、磁场、微波等)实现将电能由电源端传递至用电设备的一种供电模式，该技术是集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多学科交叉的基础研究与应用研究，是能源传输和接入的一次革命性进步。 无线电能传输技术解决了传统导线直接接触供电的缺陷，是一种有效、安全、便捷的电能传输方法，因而它被美国技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。该技术不仅在军事、航空航天、油田、矿井、水下作业、工业机器人、电动汽车、无线传感器网络、医疗器械、家用电器、RFID识别等领域具有重要的应用价值，而且对电磁理论的发展亦具有重要科学研究价值和实际意义。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输技术被列为“0 项引领未来的科学技术”之一。 到目前为止，根据电能传输原理，无线电能传输大致可以分为三类：感应耦合式、微波辐射式、磁耦合谐振式。作为一个新的无线电能传输技术，磁耦合谐振式是基于近场强耦合的概念，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体 学习参之间可以实现高效的能量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱。
磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于前两者之间，因此也被称之为中尺度（mid-range）能量传输技术，其尺度为几倍的接收设备尺寸（可扩展到几米到几十米）。 除了较大的传输距离，还存在以下优势：由于利用了强耦合谐振技术，可以实现较高的功率（可达到kW）和效率；系统采用磁场耦合（而非电场，电场会发生危险）和非辐射技术，使其对人体没有伤害；良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。因此该技术已经成为无线电能传输技术新的发展方向。 基于磁耦合谐振技术的无线电能传输技术主要利用的是近场磁耦合共振技术，共振系统由多个具有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物体间 传递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。 基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统一般由高频发射源、发射系统、接收系统、负载等部分组成，其中发射系统和电磁接收系统，是无线电能传输系统的关键部分。 其典型模型如下图所示。由下图可知发射系统包括励磁线圈和发射线圈，它们之间是通过直接耦合关系把能量从励磁线圈传到发射线圈，励磁线圈所需能量直接从高频电源处获得。电磁接收系统包括接收线圈和负载线圈，它们之间也是通过直接耦合关系把能量从接收线圈传到负载线圈。发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输。 学习参
高效无线电力传输系统 摘要——本文提出了基于自动引导车辆的无线电力传输系统的概念，该系统在车上装有充电电池，并在特定的地方进行充电。当给车辆充电时，要接近蓄电池充电器进行自动充电，因此，蓄电池充电器的初级变压器与车上的次级变压器之间需要较大的间隙，用以防止碰撞损坏。这样的话就要设法预防由于这个较大距离产生的变压器耦合率的降低，传统的无线电力传输技术由于电力需要通过拾波电圈从电线获得，就要装备一个大尺寸的变压器，并且当距离超过车行驶的长度铜的损失也会加大。先进的系统采用一个高频率的应用软开关方法变极器减小变压器尺寸，变压器间隙每10mm耦合率0.88，并且可达到91%的运行效率。 1.引言 最近，研究者对基于诸如自动引导车辆等运动机械的无线电力传输系统进行了测试，自动引导车辆通常使用带台车的供电系统，但好的金属粒子是通过供电时的摩擦产生的，由于无线电力传输系统不产生摩擦，其严格要求在清洁的室内或医院里，并且因为没有磨损从而该系统有减低维修频率的有点。 传统的带有无线电力传输系统的自动引导车辆需要一条与轨道平行的电线并且通过拾波电圈获得电能，但是因为拾波电圈在结构上与变压器的第一圈相似，所以为了在次级变压器端（车辆端）获得足够的电能，在初级变压器一端（电线端）需要超额的电流，特别是当车辆行驶一段长距离，铜损失不能被忽略，并且由于发生磁通量的大量泄漏，耦合率不足，所以拾波线圈也需要大型的变压器和较大的电能供应设备。 本文提出了基于自动引导车辆的无线电力传输系统的概念，在无线变压器见有10mm间隙的情况下，得到不同变压器结构的仿真和实验结果，从这些结果中给出了一种高耦合率的变压器结构，此外采用了0V变换方式的回荡变极器作为供电设备（蓄电池充电器）的变极器，选取100kHz变换频率以减小变压器尺寸。对充电器和变压器的实验评价显示该提出的系统可以高效率运行。 2.无线电力传输系统的概念 图1.表示基于自动引导车辆的无线电力传输系统的新概念，该系统的充电电池装载在车
本科毕业设计论文 开题报告 题目：电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名 指导教师 专业班级 学院信息工程学院 提交日期
电能无线传输装置的硬件设计 姓名：专业班级： 1 课题研究背景及意义 人类社会自第二次工业革命以来，便进入了电气化时代。大至遍布世界各地的高压线、电网，小至各种各样的家用电气设备，传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中将不可避免的产生一些问题。例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性[1]，且会缩短设备的寿命。在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，导线直接接触供电还有电击的危险[2-4]。这一系列的问题都在呼唤着一种摆脱金属电缆的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输（WPT）是一种有效的新型电能传输方法，通过无线电能传输，不需要使用电缆或其他实物就能进行电能的传输，电能可以通过短距离耦合，中等范围的谐振感应和电磁波感应传输，在很难使用传统电缆的地方也可以实现电能传输[5]。实现无线电能传输，将使人类在电能方面的应用更加宽广和灵活。电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代,给大众带来非同凡响的意义和影响根据传输原理的不同。 无线电能传输方式按传输原理的不同可分为电磁感应式、电磁共振式以及电磁波辐射式三种。作为无线电能传输的三种主流方式，它们都有各自的优势与不足。一般来说，电磁感应技术比较具有实现性，且已应用于当前各种电子产品，它的优点是能量的传输效率较高，但存在传输距离短，发热大，线圈对准困难等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振无线电能传输中和了上述两种传输方式，具有中中等距离传输和较高效率的特点，因而受到的关注较多。
Modeling Resonant Coupled Wireless Power Transfer System 谐振耦合式无线电力传输系统建模 This example shows how to create and analyze resonant coupling type wireless power transfer(WPT) system with emphasis on concepts such as resonant mode, coupling effect, and magnetic field pattern. The analysis is based on a 2-element system of spiral resonators. 这个例子显示了如何创建和分析谐振耦合式无线电力传输系统（WPT）的概念如谐振模式，强调耦合效应和磁场模式。此分析是基于两螺旋谐振器系统。 This example requires the following product: 这个例子需要以下产品： Partial Differential Equation Toolbox? Design Frequency and System Parameters设计频率和系统参数 Choose the design frequency to be 30MHz. This is a popular frequency for compact WPT system design. Also specify the frequency for broadband analysis, and the points in space to plot near fields. 选择的设计频率为30MHz。这是便携式WPT系统设计的一个流行的频率。还指定了宽带分析的频率，和在附近的空间中的点。 fc=30e6; fcmin = 28e6; fcmax = 31e6; fband1 = 27e6:1e6:fcmin; fband2 = fcmin:0.25e6:fcmax; fband3 = fcmax:1e6:32e6; freq = unique([fband1 fband2 fband3]); pt=linspace(-0.3,0.3,61); [X,Y,Z]=meshgrid(pt,0,pt); field_p=[X(:)';Y(:)';Z(:)']; The Spiral Resonator螺旋谐振器 The spiral is a very popular geometry in resonant coupling type wireless power transfer system for its compact size and highly confined magnetic field. We will use such a spiral as the fundamental element in this example. 螺旋是一种非常流行的几何形状在谐振耦合型无线功率传输系统，其紧凑的尺寸和高度密闭的磁场。我们会使用这样一个螺旋的基本元素在这个例子中。 Create Spiral Geometry The spiral is defined by its inner and outer radius, and number of turns. Express the geometry by its boundary points, then import its boundary points into pdetool. The mesh is generated in pdetool and exported. The mesh is described by points and triangles. 创建螺旋几何形状的螺旋是由它的内部和外部半径定义，和数量的圈数。由边界点的几何表达，那么进口边界点为有效。网格产生有效和出口。网格是由点和三角形描述的。 Rin=0.05; Rout=0.15; N=6.25; [p,t]=createSpiral(Rin,Rout,N);
目录 1系统方案 (2) 1.1系统总体思路 (2) 1.2系统方案论证与选择 (2) 1.2.1 电源模块论证与选择 (2) 1.2.2驱动模块论证与选择 (2) 1.2.3线圈的论证与选择 (2) 1.2.4整流电路的论证与选择 (2) 1.3系统总体方案设计 (3) 2理论分析与计算 (3) 2.1 TL494应用原理 (3) 2.2 IR2110原理 (3) 2.3 无线传输原理 (4) 2.4 计算公式 (4) 3电路设计 (4) 3.1电源模块（图3） (4) 图3 电源模块 (5) 3.2驱动模块（图4） (5) 3.3传输模块（图5） (5) 4测试方案与测试结果 (6) 4.1测试方法与仪器 (6) 4.2测试数据与结果 (6) 4.3数据分析与结论 (7) 参考文献 (8)
无线电能传输装置（F题） 1系统方案 1.1系统总体思路 由题我们设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，且用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过驱动电路产生交变电流，对发射线圈进行供电，线圈利用磁耦合谐振式原理，将电能无线传输到接收线圈端，最终在接收线圈端产生电流，达到无线电能的传输的要求。 经过几天的测试，制作出了传输效率达38.3%，x的值最大为26 cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置。 1.2系统方案论证与选择 1.2.1 电源模块论证与选择 方案一：利用双电源，直接对电路进行供电。 方案二：利用单电源，再接入PWM控制器芯片TL494固定频率的脉冲宽度调制电路，能够有效地将直流电转换为高频脉冲。 TL494芯片的功耗低，构成的电路结构简单，调整方便，输出电压脉动小；且IR2110 的电路无需扩展，使电路更加紧凑，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，为获取死区时间，可由基本振荡电路、与门电路构成，为方便我们选用TL494，选择方案二。 1.2.2驱动模块论证与选择 方案一：利用三极管对无线电能传输装置进行驱动，可以比较经济地进行驱动。 方案二：使用两个IR2110对无线电能传输装置进行驱动，因其15V 下静态功耗仅116mW输出的电源端电压范围10～20V,工作频率高，可达500kHz，能够很好地满足线圈进行电能传输的需要。 考虑到线圈所需谐振频率较高，而三极管的通断不是那么灵敏，所以选择较为灵敏的场效应管，又考虑到电路的简便，则选择方案二。 1.2.3线圈的论证与选择 方案一：利用单层同心圆平面绕组，但其输出的频率很高对电容要求过高。 方案二：利用多层绕组。 考虑到多层绕组的频率相对稳定，它对谐振电容的要求较低，还有它对线圈的磁场干扰较小，并且它的电能传输效率能够达到标准，因此选择方案二。 1.2.4整流电路的论证与选择 方案一：二极管半波整流。利用二极管的单向导电性，二极管承受反压大，很有可能会烧毁二极管，直流电源输入时，不能构成放电回路，不适用于本电路。 方案二：桥式整流。四只整流三极管D1~4 和负载电阻RL组成。四只整流三极管接成电桥形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，且成本低，效率高，适用于各种电路。 考虑到半波整流对电能的损失，我们选择的损失较小的全波整流，因此选择方案二。
Frequency dependence of magnetic flux profile in the presence of metamaterials for wireless power transfer Boopalan G School of Electronics Engineering VIT University Vellore, Tamil Nadu, India boopalan@vit.ac.in Subramaniam C K School of Advance Sciences VIT University Vellore, Tamil Nadu, India subramaniam@vit.ac.in Abstract— We discuss the change in the magnetic flux profile by introducing a negative refractive index material (metamaterial) in between the source and receiver. The environment parameters, ε and μ , has a significant effect on the propagation of electromagnetic wave. The behavior of Transverse Magnetic (TM) wave when the medium in the path of propagation is changed to negative permittivity and permeability is simulated and discussed. The effect of size, shape and anisotrophy of the metamaterials, for near-field regions, on the magnetic flux density has been studied using finite element analysis. An enhancement in the magnetic flux density when a metamaterial is introduced in between the source and receiver was observed. The results show that the static and quasi-static behavior of the system is same. Keywords—metamaterials, quasi static, magnetic flux transverse magnetic I.I NTRODUCTION The idea of charging on the go is an exciting option for various high power applications like Electric Vehicle. Wireless power charging can be done by radiative or non-radiative processes. Use of microwave and optical frequencies falls into the radiative category while non-radiative process refers to the near-field domain. This concept was put forward by Nikola Tesla when he invented an apparatus for transmitting electrical energy wirelessly [1]. Later, with the advent of microwave transmission technology in 1960’s researchers dreamed power transfer from satellite space station to earth [2]. For short distances inductive coupling is very convenient [3-4]. The enhancement in coupling efficiency is obtained by replacing coils with resonators [5-7]. The efficiency can further be improved by introducing a negative refractive index material between the source and the receiver [8-12]. The negative refractive index material or metamaterial has the unique property of enhancing the evanescent as well as non-evanescent waves [10]. In this paper we present the magnetic flux density variations for quasi-static scenarios when a metamaterial is introduced in between the source and the receiver. The model used for simulation is a 2-dimensional one as we are interested only in the profile in that direction which is in the direction of propagation. II.T HEORY Our system consists of a source, receiver and a metamaterial as shown in fig. 1. The source is a circular loop of radius ‘a’ located in free space. The receiver is a point of interest ‘P’ where the magnetic flux density enhancement is observed. The metamaterial in between the source and the receiving point is a rectangular block which enhances the magnetic flux density at the point ‘P’. The transmitter is a single turn coil carrying current ‘I’ which in turn generates the magnetic field H in the surrounding medium. The magnetic field H at a distance ‘z’ from the center of the coil is given by I (1) The coil is fed with a current of ‘I’ amperes as given by the equation below I . (2) Fig. 1. Schematic of Wireless Power transfer y x z
摘要 随着电子产品的快速发展，越来越多的电源连接线开始困扰人们的生活，为改善传统导线电路电能传输的弊端，给出了一种基于近距离无线电能传输原理的传输系统，而电磁谐振耦合无线电能传输技术正可以很好解决对距离有较高要求的这类问题。 本设计主要包括发射模块、传输模块和接收模块三大部分。首先由有源晶振产生1MHZ的方波，通过驱动IR2110及MOS管提高了交流信号，加强后的信号源经发送线圈通过磁耦合谐振感应到接收线圈，再经过半波整流和滤波后得到稳定直流电压,带动负载工作，即实现了无线电能的传输。在本实验中，我们采用单片机STC89C52控制液晶屏LC1602来显示负载短的的实时电压和电流值。 关键字：无线电能有源晶振驱动电路谐振半波整流 Abstract In this paper, With the rapid development of electronic products, more and more power cables on people's lives, to improve the disadvantages of traditional power transmission conductor circuit, presents a transmission system based on can close radio transmission principle, and the electromagnetic resonance coupling can radio transmission technology is very good to solve this kind of problem have higher request for the distance. This design mainly includes the transmitting module, transmission module and receiving module three parts. First 1 MHZ square wave generated by the active crystals, driven by IR2110 and MOS tube improve the signal communication, strengthen the signal source approved by the sending coil magnetic coupling resonant induction to the receiving coil, and after a half-wave rectifier and filter get steady dc voltage, drive the work load, which can realize the radio transmission. In this experiment, we adopt LC1602 STC89C52 MCU LCD screen to display the real-time voltage and current value of load short. Key words: radio can active vibration crystal driver circuit resonance half-wave rectifier
本科毕业设计论文 本科毕业设计论文题目：电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名 指导教师 专业班级 学院信息工程学院 提交日期2016年06月10日
浙江工业大学本科毕业设计论文电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名： 指导教师： 2016年6月10日
Dissertation Submitted to ZhejiangUniversity of Technology for the Degree of Bachelor Hardware Design of Wireless Power Transmission Equipment College of Information Engineering Zhejiang University of Technology June 2016
浙江工业大学 本科生毕业设计（论文、创作）任务书 一、设计（论文、创作）题目： 电能无线传输装置的硬件设计 二、主要任务与目标： 根据对电能无线传输装置的要求，设计相应的硬件线路。要求通过单片机控制开关元件，使LC电路发生谐振，实现电能无线传输的要求，并完成整机的调试。 三、主要内容与基本要求： 1.根据无线传输装置的要求完成相关硬件设计，选择合适的谐振电路形式，使无线传输的性能指标处于较好 2. 撰写毕业论文和提交相关设计文挡、图纸等。 四、计划进度： 2015.12.20~2016.3.1 收集相关资料文献，学习相关软硬件基础知识；完成外文翻译、文献综述；熟悉课题，做好开题准备，有初步设计方案；2016.3.2~3.10 完成开题报告，参加开题交流；2016.3.11~4.30 完成电能无线传输装置的硬件设计，接受中期检查；2016.5.1~5.31 制作硬件线路，调试与改进，做出最终设计成品。撰写毕业论文初稿；2016.6.1~6.17 论文修改，毕业答辩，提交相关文档资料。 五、主要参考文献： [1] 傅文珍，张波，丘东元等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计,中国电机工程学报[J].2009.6:21-26; [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,中国电机工程学报[J].2012.4:155-160; [3] 于建阁，吕干云，吴张勇等. 基于松耦合变压器的小功率CPT系统, 电工电能新技术[J].2012.7:93-96。 任务书下发日期2015 年12 月20 日 设计（论文、创作）工作自2015 年12 月20 日至2016 年 6 月20 日 设计（论文、创作）指导教师 系主任（专业负责人） 主管院长
本科毕业论文（设计） 题目中短距离小功率 无线电力传输系统设计 指导教师张军职称讲师 学生姓名陈昂学号20091526102 专业通信工程（无线移动通信方向） 班级2009级无线移动通信1班 院（系）电子信息工程学院 完成时间2013年4月20日
中短距离小功率无线电力传输系统设计 摘要 移动互联网的井喷式繁荣，移动互联设备（MID）层出不穷的涌现，电池技术瓶颈的限制已难以满足人们的用电需求；物联网的深入发展，越来越广泛的网络节点能量供给等都要求更为先进的无线能量传输技术的发展，尤其是中短距离中小功率的无线电能传输的发展。两者共同昭示着无线电能传输光明的未来。 本文对无线电能传输（WPT）做出了简要但系统的介绍，并对其中的微波输能技术(MPT)做出了深入的探讨，在此基础上建立起了中短距离中小功率无线电力传输系统模型，即为MPT-MDSP式系统的模型。这种系统是由发射和接收两部分组成，发射部分用声表面波射频发生电路将DC转变成RF并通过特制天线辐射出去，接收部分再通过接收天线接收RF能量，用整流电路将RF转变成DC，供应用电设备。 关键词无线电能传输（WPT)/微波输能 (MPT) /天线
MIDDLE DISTANCE & SMALL POWER WIRELESS POWER TRANSPOTAION SYSTEM ABSTRACT The Wireless Power Transportation (WPT) shows a outstanding necessity in our today`s daily life .For one thing The Mobile Internet device (MID) comes out one after another because of The prosperity of Mobile Internet.The limitations of the technology bottleneck in battery capacity can not fit people`s requirement in these devises .For another the booming of Internet of Things brings large quantity of net nodes .These nodes cannot be charged easily.However,WPT will be the best way to solve this problem.Especially,the Middle Distance & Small Power Wireless Power Transportation System(WPT-MDSP) will plays a great role in these scopes. In this paper ,I made a brief but clear introduction of the WPT,and a thorough discussion in Microwave Power Transportation (MPT) ,which was used to leed to the applied system WPT-MDSP .This system contains two parts,the eradiation part and the Receive part .The first part works for changing Direct-current（DC）into R adiofrequency （RF）,the other does the converse work.Both of them are designed for exclusive use. They works together to charge the Electrical equipment. Key words Wireless Power Transportation (WPT)/ Microwave Power Transportation (MPT)/Antenna
无线电能传输装置设计报告 摘要 磁耦合谐振式无线电能传输是众多短距离电能特殊传输技术之一，它因其便捷，节 能环保而受到广泛关注。现在磁耦合谐振式无线电能传输距离已经可以达到米级的范围，甚至有些技术还能穿透障碍物，相信当无线传输距离问题解决以后该技术无疑对无线电能技术的发展具有重大的意义。该文主要讲述了运用磁耦合谐振无限能量传输的原理设计制作的小型无线电能传输设备。该设备主要包括驱动发射线圈电路，磁耦合谐振传输电路，磁耦合谐振接收电路，整流滤波电路，以及显示电路模块等。当发射和接收端都达到谐振频率时即可实现能量的最大传输。该设备在题目要求下可实现10cm以上，效率高达26%的能量传输，并且可以实现点亮30cm以外的2W的灯泡。 关键词磁耦合谐振无线电能传输发射距离接收效率 一、设计任务 设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。 要求：（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效
率η。（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。 二、方案论证 驱动发射线圈电路 方案一 ：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控。 其主要特点为：
Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2018, 7(4), 126-133 Published Online December 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/2816019397.html,/journal/ojcs https://https://www.doczj.com/doc/2816019397.html,/10.12677/ojcs.2018.74016 Study and Design of a Low Power Wireless Power Transfer System Jian He, Xiaoqing Ou, Yu Wang, Wei Peng, Minsheng Yang* School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Arts and Sciences, Changde Hunan Received: Nov. 26th, 2018; accepted: Dec. 10th, 2018; published: Dec. 17th, 2018 Abstract A wireless power charging system is proposed in this paper. Based on the theory of electromag- netism induction, the power transfers from source coil to load coil without metallic contact. The designed system includes the following components: Voltage transformation, rectifier filter, vol-tage stabilization, PWM, transmission and reception. The designed device could be moved without limit and the design of the circuit is relatively simple and very easy to achieve. As the experimental results show, with an air gap of centimeter level, the transfer efficiency is up to 70%. Keywords Wireless Charging, Electromagnetic Induction, Transmission Efficiency 一种简易型小功率无线电能 传输系统的研究与设计 何建，欧晓晴，王宇，彭伟，杨民生* 湖南文理学院电气与信息工程学院，湖南常德 收稿日期：2018年11月26日；录用日期：2018年12月10日；发布日期：2018年12月17日 摘要 本文设计了一种基于电磁感应原理的无线充电系统，电磁感应耦合充电可以实现电能从电能发射侧到电能接收侧的无线传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有六个部分，包括变压、整流滤波、稳压、*通讯作者。
无线电力传输技术 无线电力传输技术 人类追逐自由的本能，在现实面前屡屡受挫。自从广泛使用电能以来，许多人都为了那些电器拖着的长长电线而绞尽脑汁，但无线供电却一直只能作为一个在前方远远招手的梦想。现在，我们也许看到了一线曙光。 在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，Intel Developer Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密斯（Joshua R. Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。 大刘在《三体II·黑暗森林》中描绘了一个两百年后的世界。因为人们掌握了可控核聚变技术，可以提供极大丰富的能源，无线供电的损失在可接受范围之内，所以大部分电器都可以采用无线方式来供电，从电热杯一直到个人飞行器都是如此。电像空气一样无处不在，人类再也不用受电线的拖累了。 正如书中所提到的那样，无线供电技术现在也已经出现了。实际上，近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，而我们现在生活中的很多小东西，都已经在使用无线供电。也许不远的未来，我们还会看到远距离和室内距离的无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，“插头”也将会变成一个历史名词。 好兆头 英特尔的这种无线供电技术，是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。 2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队公开做了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。 新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，不由让人们对室内距离的无线供电重新燃起了希望。而它的关键在于“共振”。 科学家们早就发现，共振是一种非常高效的传输能量方式。我们都听过诸如共振引起的铁桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。无论这些故事可信度如何，但它们的基本原理是正确的：两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。在马林的这种新技术中，将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。 最妙的就是这一点了。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。在这项技术中，