1、實驗報告1. 實驗原理與無線通信技術一樣擺脫有形介質的束縛， 實現電能的無線傳輸是人類多年 的一個美好追求。無線電能傳輸技術（ Wireless Power Transfer, WPT也稱之 為非接觸電能傳輸技術（ Contactless PowerTransmission, CPT ），是一種借 于空間無形軟介質（如電場、磁場、微波等）實現將電能由電源端傳遞至用電設 備的一種供電模式，該技術是集電磁場、電力電子、高頻電子、電磁感應和耦合 模理論等多學科交叉的基礎研究與應用研究， 是能源傳輸和接入的一次革命性進 步。無線電能傳輸技術解決了傳統導線直接接觸供電的缺陷， 是一種有效、安全、 便捷的

2、電能傳輸方法， 因而它被美國 技術評論 雜志評選為未來十大科研方向 之一。該技術不僅在軍事、航空航天、油田、礦井、水下作業、工業機器人、電 動汽車、無線傳感器網絡、醫療器械、家用電器、RFID識別等領域具有重要的應用價值，而且對電磁理論的發展亦具有重要科學研究價值和實際意義。 在中國科 協成立五十周年的系列慶祝活動中，無線能量傳輸技術被列為“ 10 項引領未來 的科學技術”之一。到目前為止， 根據電能傳輸原理， 無線電能傳輸大致可以分為三類： 感應耦 合式、微波輻射式、磁耦合諧振式。作為一個新的無線電能傳輸技術，磁耦合諧 振式是基于近場強耦合的概念， 基本原理是兩個具有相同諧振頻率的物體之間可

3、 以實現高效的能量交換，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱。磁耦合諧振式無線電能傳輸的傳輸尺度介于前兩者之間， 因此也被稱之為中 尺度（ mid-range ）能量傳輸技術，其尺度為幾倍的接收設備尺寸（可擴展到幾 米到幾十米）。除了較大的傳輸距離， 還存在以下優勢： 由于利用了強耦合諧振技術， 可以 實現較高的功率（可達到kW和效率；系統采用磁場耦合（而非電場，電場會發 生危險）和非輻射技術，使其對人體沒有傷害；良好的穿透性，不受非金屬障礙 物的影響。因此該技術已經成為無線電能傳輸技術新的發展方向。基于磁耦合諧振技術的無線電能傳輸技術主要利用的是近場磁耦合共振技 術，共振系統由多個具有相同本征頻

4、率的物體構成， 能量只在系統中的物體間傳 遞，與系統之外的物體基本沒有能量交換， 在達到共振時，物體振動的幅度達到 最大。基于磁耦合諧振技術的無線電能傳輸系統一般由高頻發射源、 發射系統、接 收系統、負載等部分組成，其中發射系統和電磁接收系統，是無線電能傳輸系統 的關鍵部分。其典型模型如下圖所示。由下圖可知發射系統包括勵磁線圈和發射線圈，它 們之間是通過直接耦合關系把能量從勵磁線圈傳到發射線圈，勵磁線圈所需能量直接從高頻電源處獲得。電磁接收系統包括接收線圈和負載線圈，它們之間也是 通過直接耦合關系把能量從接收線圈傳到負載線圈。發射線圈與接收線圈之間通 過空間磁場的諧振耦合實現電能的無線傳輸。目

5、前國內外的學者多利用“耦合模”理論對磁耦合諧振技術的無線電能傳輸 技術進行分析，并得到能量高效傳輸的必要條件 13:發射線圈和接收線圈的固有諧振頻率相同，并具有較高的品質因數；雖然“耦合模”理論對無線電能傳輸技術基本原理進行了解釋，但是在涉及 具體電路及其參數的設計問題上“耦合模”理論也有一定的局限性，因此本文利 用互感理論來進一步分析問題，尤其是利用該方法在參數設計方面進行探索。基于磁耦合諧振技術的無線電能傳輸系統的等效電路模型如下圖 所示，勵 磁線圈由激勵源（高頻功放）VS和單匝線圈組成，負載線圈由單匝線圈和負載組 成，發射和接收線圈均由具有相同諧振頻率的多匝線圈組成。 在系統設計時為了降

6、低設計的復雜性，將發射和接收線圈設計成相同的尺寸和機械結構，因此，兩線圈的等效參數可認為是一致的。3上圖中激勵源內阻為RS,負載電阻為RL； L1、L2、L3、L4分別為勵磁線圈射 線圈、接收線圈和負載線圈的等效電感；C1、C2、C3、C4分別為勵磁線圈、發射 線圈、接收線圈和負載線圈的等效電容；RP1、RP2、RP3和RP4分別為勵磁圈、發射線圈、接收線圈和負載線圈內由于趨膚效應等因素產生的損耗電阻；Rradl、Rtad2、Rtad3、FTad4分別為勵磁線圈、發射線圈、接收線圈和負載線圈的輻射 等效電阻。將勵磁線圈的電路反射到發射線圈，相當于發射線圈中加入一個感應 電動勢；而將負載線圈反射

7、到接收線圈相當于接收線圈增加了一個反射阻抗，其等效電路如下圖 所示。設流過發射線圈和接收線圈的電流分別為I 1、12，方向 如下圖 所示。根據基爾霍夫電壓定律（KVQ，發射系統接收系統局HiAII#（1）上圖為無線電能傳輸系統的簡化電路。由此圖可推導出:& + %問2+応卜悶仏R3 + R4 + 立疋進一步推導得到接收線圈歸一化電壓為Umax3/1-尸）2+2（1-滬）嚴+肆式中,上仝色_ r Q為品質因數，Q - I嗎e丿%L4（1）#（1）缶；川耦合因數，滬罟。關于公式的推導過程請參考丈獻18和文獻19。2. 實驗步驟a.在印刷電路板上繞制所需電感線圈（發射極）b測量所繞制的電感線

8、圈的電感值Lc. 根據所測得的L值，初定角頻率w,并計算出匹配電容的理論值 G。d. 根據匹配電容的理論值 Co匹配電容組合，并通過比對示波器上的電壓電流波形，確定匹配電容的實際值Co實驗過程及數據5先將導線繞入印刷電路板，然后用透明膠粘好，使導線位置固定，然后除去 兩頭導線的絕緣層，測量其電感值，如下圖所示:得出所繞制的電感線圈的電感穩定值為1.61uH由 w/CL=1可知，定 f=200KHz,所以w=1256.64 rad/s,所需匹配電容的值為：C0=393nF如上圖，根據計算的理論電容值， 匹配組合出實際電容值， 并通過對比電流、 電壓波形， 對實際的匹配電容值進行微調。 微調直至匹

9、配電容值相應的電流、 電 壓波形同相。根據示波器的波形，可以認定匹配電容值達到要求，實際值際=357nF根據接收端電路諧振理論電容，微調電容使接收端電路達到諧振狀態。接收端線圈電感為1 uH,由上公式錯誤！未找到引用源。LC=1可算得，接收 端電容理論值為 C=633nF。實際微調至C=720nF寸接收端電路電壓電流同相，達到諧振狀態。將匹配好的發射端電路連接至電源， 接收端電路與負載相連。 因為我們制作 的電感太小， 導致耦合系數太小， 而且實驗條件有限， 我們所做實驗的負載為小 燈泡。當電源打開時， 負載端的電壓電流很小， 只能觀察到小燈泡及其微弱的亮 光。3. 實驗感想1 .由于前期的理論準備不充分， 和對課程設計的實驗具體過程不熟悉， 導致 實際進行實驗操作時，很多所需實驗數據都需要花費實驗時間計算。2. 前期制作電感線圈所花費的時間很長，是因為我們的動手操作能力不足