摘 要： 基于兩線圈無線電能傳輸結構，采用實驗的方法，分析了磁共振耦合無線電能傳輸系統的諧振頻率、傳輸距離以及傳輸效率三者之間的關系。驗證了系統處于諧振狀態時傳輸效率最高這一結論。實驗表明，系統的諧振頻率會隨傳輸距離的變化而產生波動，且在特定傳輸距離上傳輸效率最高，稱為最佳傳輸距離。此外，收發線圈之間的距離處于最佳傳輸距離附近時，系統的諧振頻率越高，傳輸效率越高。利用互感耦合理論，對最佳傳輸距離作了理論分析，結果表明，最佳傳輸距離與電源和負載的阻抗的匹配情況有關。
關鍵詞： 磁共振耦合；無線能量傳輸；諧振頻率；傳輸距離；傳輸效率
為了擺脫有形輸電介質的束縛，實現電能的無線傳輸，早在20世紀初，Nikola Tesla提出無線輸電試驗的構想，雖然當時這一設想并未實現，但人們對無線電能傳輸技術的研究探索并未中斷。近年來，無線電能傳輸技術作為21世紀最值得期待的技術受到了國際社會的廣泛關注。
無線電能傳輸WPT（Wireless Power Transfer），又稱無接觸式電能傳輸CPT（Contactless Power Transfer），是一種以非接觸的方式實現電源與用電設備之間的能量傳輸方式，即通過電磁感應、共振、射頻、微波和激光等方式實現電能的非接觸式傳輸[1]。現有的無線電能傳輸技術，根據現有實現手段可分為感應耦合傳輸、共振耦合傳輸、無線電射頻傳輸、微波傳輸和激光傳輸等。
磁共振耦合無線電能傳輸技術是利用接收線圈固有頻率與發射電磁頻率一致時引起電磁共振[2]，發生強電磁耦合，從而實現電能高效傳輸的一種技術。該技術自2007年由麻省理工學院的Marin Soljacic教授所在團隊[3]提出以來，備受各國研究人員關注。目前已針對磁共振耦合無線電能傳輸技術做了大量研究，已有文獻涉及的主要研究內容包括無線電能傳輸系統的結構模型[4]、線圈設計和傳輸特性[5-7]等，其主要目的是在保證傳輸距離的前提下提高傳輸效率，實現電能高效穩定傳輸。本文以實驗的方法得出無線電能傳輸的傳輸頻率、傳輸效率以及傳輸距離三者間的關系，并通過分析論證了實驗的合理性。
1 無線電能傳輸系統模型構建
1.1 基本結構
利用磁共振耦合技術實現電能的無線傳輸，至少需要兩個線圈作為收發線圈，即為兩線圈結構。參考文獻[3]為了便于實現電源匹配和負載匹配，采用四線圈結構，即增加兩個線圈分別作為發射線圈和接收線圈，以獨立于電源和負載。本文為了便于分析，采用兩線圈結構，其等效電路如圖1所示。
由圖3可知，隨頻率的增加，傳輸效率先增大后減小，且在諧振點時達最大值，即收發線圈在發生諧振時傳輸效率最高。此外，在距離D=10 cm時，諧振頻率f1=1.359 MHz；D=20 cm時，諧振頻率f2=1.382 MHz。諧振頻率前后變化不大，但其效率明顯下降，說明傳輸距離對諧振頻率影響不大，卻是影響傳輸效率的重要因素。
改變收發線圈間的距離，調節信號發生器的輸出頻率使接收端示波器觀測到的輸出電壓峰峰值最大。實驗數據如圖4所示。
將線圈兩端并聯電容更換為C=1 nF，精度為10%，重復實驗并進行比較，實驗數據如圖6所示。
分析圖6可知：經計算得諧振頻率為2.77 MHz，即提高了系統的諧振頻率。由曲線圖可知，當距離D>10 cm時，諧振頻率的變化對傳輸效率影響不大；當距離D<10 cm時，諧振頻率越高效率越高。
本文對磁共振耦合無線電能傳輸系統的結構和線圈設計作了簡要介紹，通過實驗的方法得出了無線電能傳輸系統的傳輸頻率、傳輸距離及傳輸效率三者之間的關系，驗證了系統處于諧振時傳輸效率最高這一結論，并推導分析了實驗中出現最佳傳輸距離這一現象。實驗還表明，在最佳傳輸距離附近，系統的諧振頻率越高，傳輸效率越高。本文的實驗和分析結果對無線電能傳輸系統的優化設計具有一定的參考價值。
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