磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性_李阳

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。

新型无线电能传输三维耦合机构的设计与优化李阳1，2，娄志刚1，胡涛成1，张博扬1，安张磊1（1.天津工业大学电气工程学院，天津300387；2.天津理工大学电气工程与自动化学院，天津300384）摘要：为了进一步提高无线电能传输系统（WPT ）的空间自由度，提出了一种新型类半球体状发射机构，从理论角度出发，利用互感叠加原理与等效电路模型分析了三维无线电能传输系统的特性；建立阵列式三维电能传输系统仿真模型，分析不同控制方式下的磁场分布规律，分别从距离特性与磁场分布研究系统传输性能，并搭建了无线电能三维传输实验系统，对该发射机构的传输性能进行验证。

结果表明：新型结构最远可在400mm 处实现效率为19.2%的能量传输；在相同距离下，处于同一水平面的负载线圈在各方向接收功率最大效率偏差仅为8%，具有高均匀度磁场；该新型三维耦合机构具有空间高自由度、无方向性等良好的传输性能。

关键词：无线电能传输（WPT ）；三维发射线圈；空间高自由度；传输特性中图分类号：TM724文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园24）园2原园园75原08收稿日期：2022-09-30基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51877151）通信作者：李阳（1979—），男，博士，教授，主要研究方向为无线电能传输、电力电子技术。

E-mail ：***************** Design and optimization of novel three-dimensional coupling mechanism forwireless power transferLI Yang 1，2，LOU Zhigang 1，HU Taocheng 1，ZHANG Boyang 1，AN Zhanglei 1（1.School of Electrical Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ；2.School of Electrical Engineering and Automation ，Tianjin University of Technology ，Tianjin 300384，China ）Abstract ：In order to further improve the space freedom of the wireless power transfer 渊WPT冤system袁a new semi-spheroidtransmitting mechanism is proposed.From the theoretical point of view袁the characteristics of three-dimensional 渊3D冤WPT system are analyzed using mutual inductance superposition principle and equivalent circuit model.The simulation model of array 3D power transmission system is established袁and the distribution of magnetic field under different control modes is analyzed.The transmission performance of the system was studied from the per鄄spective of distance characteristics and magnetic field distribution袁respectively.A three-dimensional wireless energy transmission experimental system is established to verify the transmission performance of the transmission mechanism.The results show that the new structure can achieve energy transfer with an efficiency of 19.2%up to 400mm.At the same distance袁the maximum efficiency deviation of the load coil receiving power in all direc鄄tions on the same horizontal plane is only 8%袁and it has a high uniformity magnetic field.The experimental re鄄sults show that the new type of 3D coupling mechanism has good transmission performance such as high spatialfreedom and directionless.Key words ：wireless power transfer （WPT ）曰three-dimensional transmitting coil曰spatial high degree of freedom曰transmis鄄sion characteristicsDOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2024.02.012第43卷第2期圆园24年4月Vol.43No.2April 2024天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕GONG 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再无线电能传输（wireless power transfer ，WPT ）技术使用电设备摆脱了电线的束缚，其灵活、高效、便捷的特性令该技术逐渐成为传统输电方式的有力补充，在众多应用领域获得了广泛关注[1-5]。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计无线电能传输是一种通过电磁场传输能量的技术，已经在无线充电和电力传输等领域得到应用。

磁耦合谐振式无线电能传输系统是一种高效、稳定的无线电能传输方式，本文将详细介绍其设计。

首先，我们需要设计传输系统的基本结构。

磁耦合谐振式无线电能传输系统由两个主要部分组成：发送端和接收端。

发送端由电源、谐振电路和电磁辐射装置组成；接收端由谐振电路、整流电路和负载装置组成。

在发送端，电源提供电能给谐振电路，谐振电路通过调节谐振电容和谐振电感的数值来产生与接收端谐振频率相匹配的电磁场。

电磁辐射装置将电磁场辐射出去，以传输能量。

在接收端，谐振电路接收到发送端辐射出的电磁场，并与发送端的谐振频率相匹配。

整流电路将接收到的电磁能量转换为直流电能，供给负载装置使用。

为了实现高效的能量传输，需要对谐振电路进行精确的设计。

首先，需要通过计算确定发送端和接收端的谐振频率。

谐振频率的计算公式为：f=1/(2*π*√(LC))，其中f是谐振频率，L是谐振电感，C是谐振电容。

通过调节谐振电容的数值，可以精确控制谐振频率。

另外，谐振电路中的谐振电感可以通过螺线管或变压器等电感元件来实现。

电感元件的选择需要考虑到频率范围和能量传输效率等因素。

同时，为了增加能量传输的效率，可以采用功率放大器来提高传输功率。

功率放大器将发送端的电能转换为电磁能量，并将其放大到适合的功率水平。

为了确保安全性，还需要考虑电磁辐射的控制。

可以使用屏蔽罩或改变电磁场的辐射模式来减小电磁辐射范围。

此外，在实际应用中，还需要考虑传输距离和传输效率等因素。

在设计过程中，可以通过试验和模拟来进行优化。

总之，磁耦合谐振式无线电能传输系统是一种高效、稳定的无线电能传输方式。

通过精确设计谐振电路和选取合适的电感元件，可以实现高效能量传输。

同时，需注意对电磁辐射的控制，以确保系统的安全性。

磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计摘要：无线电能传输技术是一项新兴技术，近年来得到了广泛的关注和研究。

本文提出了一种利用磁耦合谐振式高频自激振荡的方式实现高效能传输的无线电能传输系统。

该系统采用了磁耦合谐振（MCR）的方法，使得能量从发射端通过电容和电感的相互耦合传输到接收端，同时高频自激振荡的特性使得系统变得更加稳定和高效。

本文着重介绍了该系统的电路设计及其原理，并进行了实验验证。

实验结果表明，该系统能够以高效的方式传输电能，传输功率与距离之间的关系符合理论预测。

1. 简介随着现代社会的发展，用电量越来越大，电力传输方式也逐渐面临着诸多挑战。

有线传输无疑是目前最常用的一种方式，但随着能源需求的增加和环保意识的加强，一种新的无线电能传输技术逐渐成为人们关注的热点。

无线电能传输技术是利用电磁场传输电能的一种技术，可以消除电线电缆带来的各种问题，具有广阔的应用前景。

目前，无线电能传输技术已经成为人们研究的热点之一。

2. 系统原理2.1 磁耦合谐振磁耦合谐振是一种能够利用电容和电感之间的相互耦合来传输电能的技术，其原理如图1所示。

如图1所示，发射端和接收端分别由电容和电感组成，二者结合在一起形成一个谐振回路。

当交流电源加入电容时，电荷通过电感器产生了磁场，这个磁场又产生了反馈电流，从而使得电路开始自激振荡。

在自激振荡过程中，电荷可以通过电容和电感之间的相互耦合传输到接收端，从而实现无线电能传输。

2.2 高频自激振荡高频自激振荡是指电路自身具有产生高频振荡的能力，具有稳定、高效的特点。

在无线电能传输系统中，高频自激振荡可以使系统更加稳定和高效，提高传输效率和传输距离。

3. 系统设计图2 系统电路图如图2所示，发射端和接收端分别由电容和电感组成，二者结合在一起形成一个谐振回路。

发射端的电感器用一根比较细的铜丝做成，长度为37cm，直径为2.5mm，是自制的。

一种无线充电电源的方案设计摘要：本文设计了一款无线充电发射模块和接收模块，论述了磁耦合谐振式无线电能的传输基本原理，对设计方案中的发射模块进行了详细说明，针对接收模具提出了一种基于数字锁相环的频率跟踪方案。

关键词：无线充电电源；磁耦合谐振式；谐振补偿引言无线充电技术，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电装置（即充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电。

无线充电技术可分为四种类型：磁谐振式，电磁感应式，微波式和电场耦合式。

其中磁谐振式无线电能传输技术是将发射线圈的工作频率与接收线圈的工作频率调节一致，形成共振，在接收线圈中产生电流，实现电能的无线传输。

本文主要开展适用的磁谐振式快速无线充电技术的研究工作，解决同时实现大功率、远距离和高效率的技术瓶颈，提供高可靠性、高适用性的充电解决方案。

一、磁耦合谐振式无线电能传输机理通常使用等效模型的方式来研究磁耦合谐振式无线电能传输(WPT)系统的特性。

磁耦合机构可以等效为漏感较大的变压器，利用互感耦合模型可以有效分析WPT性能和参数变化情况。

通过采用电容补偿的方式来实现WPT系统的“谐振”效果，根据传能的不同要求来确定补偿拓扑结构。

1.1 WPT系统互感耦合模型图1为WPT系统磁耦合机构的电路拓扑及其等效模型，其中L p、L s分别为初级线圈、次级线圈的自感值，M为它们的互感值。

r p、r s分别为初、次级线圈内阻，R l为负载电阻，图1 磁耦合机构电路带载等效互感电路模型用频域变换列写初、次级回路方程（1）引入反映阻抗 Z r的概念，Zr为次级侧对初级侧的等效阻抗：（2）又次级回路中的总阻抗：（3）将式(3)回代式(2)化简则有：（4）借助反映阻抗将次级侧的电路可以等效至初级侧电路中进行分析计算，如图2图2 初级等效电路则输入侧的等效输入阻抗为：（5）从以上分析可得，初级等效电路中的阻抗除了纯阻性成分外还有电抗部分且电抗部分主要为感性成分。

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。

磁耦合谐振式无线电能传输理论基础共振是十分常见的自然现象，物体在共振状态下会产生大量的能量转换，而这些能量必须在共振频率下才会转换。

这种共振现象在电路中就叫谐振。

电磁波的一些特性离不开共振现象，如：产生、接收、放大与分析处理。

谐振现象广泛地存在于自然界中，根据最大能量传输定理和谐振理论，当工作频率和系统（初级、次级电路）固有频率相同时，能够获得最大传输效能。

电磁谐振式无线供电系统的基本原理是让高频功率源的频率和初次级绕组的固有频率相同，从而构成一个高频磁耦合谐振系统。

电磁场随距离的增加而迅速衰减，电磁谐振式无线供电就是利用两个发生谐振耦合的电路来捕捉随距离衰减的电磁场，即当初级端和次级端发生谐振时，使大部分能量能从初级绕组传输到次级绕组。

1 耦合共振理论麦克斯韦电磁场理论认为：变化的电场会激起变化的磁场，而变化的磁场又可以产生变化的电场，电现象与磁现象紧密地联系在一起；这种交替产生的具有电场与磁场作用的物质空间就称为电磁场。

而任何电磁场发生源周围均有作用场存在，即以感应为主的近区场(也称感应场)和以辐射为主的远区场(又叫辐射场)，它们的相对划分界限一般为一个波长。

近区场的电磁场强度一般比远区场要大得多。

两个谐振体间利用磁场当作介质，通过耦合谐振来传递能量这就叫做磁耦合谐振技术，耦合谐振能量转移时传输效率很高，所以使得系统的性能得到了极大的提升。

能量传输过程中能量最集中的高度辐射区间是处于系统的发射线圈和接收线圈间之间，因此特别适合传递能量。

其物理基础就是众所周知的麦克斯韦方程组:00==-=0=+t D BE t B D H j ρ∇⋅⎧⎪∂⎪∇⨯⎪∂⎨∇⋅⎪⎪∂∇⨯⎪∂⎩(2-1)由麦克斯韦电磁场理论可知: 磁场会由于电场的改变而改变，同时磁场的改变也可以造成电场的改变，这两个场之间呈相互因果联系，而由于这个现象使得电磁密不可分，由此得到的空间即为电磁场。

电磁场有两部分不同特性的变化方式，一部分在辐射源周边范围以及辐射源之间流动着循环并有规律的磁场能量，不向外发射，称为感应场；其他的磁场能量则离辐射源较远，由此脱离了辐射体，并形成电磁波，朝外部发射，这种场就叫做辐射场。

234电力电子Power Electronic电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering1 引言近年来，无线电能传输技术以其安全、便捷的特点，在各个领域逐渐成为了一种较为成熟的技术。

无线电能传输大致可以分为三种方向：感应耦合无线电能传输、磁耦合谐振式无线电能传输、微波式无线电能传输[1]。

目前，磁耦合谐振无线电能传输技术是一种广泛使用的无线输电技术，相较其它两种技术而言，其传输性能好，传输效率高且较易实现，目前在智能手机、电动汽车、智能家居等领域已有了广泛的应用。

无人机是一种热门的小型飞行器，以其轻便、灵活、低成本的特点在军用及民用领域均受到广泛使用，但其较差的续航能力是此设备目前存在的较大问题，具体表现为无人机在长时间航行作业后出现电量不足时，需要停飞降落以手动更换内置电池，此弊端使得无人机无法在更多的长距离作业中得到高效广泛的使用。

因此，我们考虑将当下较为成熟的磁耦合谐振式无线电能传输技术与无人机相结合，设计出一种便于无人机实现磁耦合谐振式无线电能传输的简单模型，以此来解决无人机电量不足时需停飞降落、手动更换内部电池的不足，并可以高效率，稳定的为无人机提供电能。

2 无线电能传输技术概况无线电能传输技术（Wireless Power Transfer Technology, WPTT ）发展至今日，已经成为一种较为成熟的输电技术，它通过空间无形软介质（电磁场、声波等）将电能传输，此传输方式与传统的有线输电相比，为非接触式输电，具有更加安全、便捷，高效的特点。

随着科技的发展与时代的进步，生活中常用的产品逐步实现了物联网及“互联网+”，电能得到了更加广泛的使用，且其复杂性也在不断的提高，因此无线电能传输技术成为了小型家用电器摆脱繁杂输电线、进行产品革新的首要选择，较为典型的无线电能传输技术可以分为以下3类。

2.1 微波无线电能传输技术微波电能传输技术（Microwave Power Transmission, MPT ）通过能量转换装置以及天线将电能转化为微波形式，发射天线通过空气等介质将微波传输至接收装置，再经由整流电路把微波转化为可利用的电能，实现一个完整的电能传输过程。

DIY实验-磁耦合谐振式无线电力传输实验研究你知道吗，不用电线就可以传输电力，点亮一个灯泡或者使一台电器工作，这样的事情是利用什么原理和技术实现的？摒弃杂乱的输电导线，实现电力的无线传输一直以来都是人们追求的梦想。

早在1890年，美国物理学家尼古拉斯•特斯拉就提出并设计了无线电力传输实验模型。

2007年，一种新型的可实用化的磁耦合谐振式无线电力传输技术由MIT的一组科学家开发实现。

这种传输技术具有传输距离中等，穿透能力强的特点。

随后在2010年青岛海尔公司就研制出了“无尾”电视。

可以肯定的是随着人们对生活品质要求的日益提高，各种家电设备也会逐渐采用这种新型的无线传电技术。

当然到目前为止，无线电力传输供电也已经有了一些局部的应用。

在你选择做这个实验之前，请你上网查一下有关这方面的资料并仔细的阅读本实验讲义。

通过同学们自己动手实验探索利用磁耦合谐振原理进行无线电力传输，你会深切地感到自己就可以研制这样一种实用的无线电力传输仪器。

★提示：实验前要在实验中心网站上阅读【电烙铁使用方法-焊接技术培训资料】实验预习思考题1.无线电力传输有几种传送方式？其简单原理？2.本实验采取的无线电力传输的特点是？3.由实验原理图中可看出应有三个电路的频率应该一样，试指出？4.本实验电能是如何传递给接收负载的？5.本实验去掉振荡电路和直流电源，直接加上合适电压的交流电源可以吗？实验目的1．了解磁耦合谐振式无线电力传输的基本原理；2．自组装和调试磁耦合谐振式无线电力传输系统；3. 探索频率和距离对无线电力传输的影响4. 探究提高传输效率和增大传输距离的方法。

实验系统本实验采用的磁耦合谐振方式进行电力传输，系统的工作原理示意图如图2-18-1所示。

图2-18-1 磁耦合共振式无线电力传输电路系统原理图实验系统主要由振荡电路、开关电路、直流电源、发射电路和接收电路共五部分组成。

这其中最主要的部分是发射电路和接收电路，这两部分都是由一个铜线绕制的线圈和一个电容组成的LC 谐振电路构成。