谐振式无线电能传输系统耦合机构优化设计

第21卷第4期厦门理工学院学报

Vol．21No．42013年12月

Journal of Xiamen University of Technology

Dec．2013

［收稿日期］2013－10－24

［修回日期］2013－11－19［基金项目］广东省自然科学基金研究项目（8151009001000059）［作者简介］陈逸鹏（1989－），男，硕士生，研究方向为无线电能传输．通讯作者：聂一雄（1964－），男，副

教授，博士，研究方向为电工理论新技术．E-

mail ：nieyx529@gdut．edu．cn 谐振式无线电能传输系统耦合机构优化设计

陈逸鹏，聂一雄

（广东工业大学自动化学院，广东广州510006）

［摘

要］通过四线圈结构磁谐振式无线电能传输系统的电路模型推导出其传输效率表达式，用两线圈

模型对参数进行初步设计得出谐振线圈的半径、匝数、线径等参数．利用四线圈模型对参数进行优化，调整线圈之间的互感使系统获得最大传输效率．通过两线圈模型和四线圈模型进行系统参数设计和分析，既保证了模型分析的准确性，又简化了谐振线圈设计过程，为谐振式无线电能传输系统的优化设计提供了理论依据．

［关键词］磁谐振式;无线电能传输;两线圈模型;四线圈模型;优化设计［中图分类号］TM55

［文献标志码］A

［文章编号］1673－4432（2013）04－0041－05

2007年，美国麻省理工学院Marin Soljacic 教授等人提出了一种基于磁耦合谐振的无线能量传输

技术，随后研究人员对无线电能传输开展了越来越多的研究．其中，系统的谐振耦合机构成为人们的研究重点．磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计，最主要的就是对耦合机构的优化．目前，在磁谐振耦合无线功率传输这一领域的理论研究工具可分为2大类，即时域的耦合模理论和频域的集总参数电路理论

［1］

，而后者更为研究人员所熟悉，也是本文所采用的研究方法．磁耦合谐振的无线

能量传输最基本的结构包括两线圈结构和四线圈结构［2］

，目前存在各种各样的电路模型和分析方法

［3－5］

没有统一标准，本文借鉴前人的研究成果，推导出完整的四线圈结构模型的传输效率表达式，通过两线圈模型进行初步的参数设计，再利用四线圈模型进行参数优化和性能分析，在满足传输距离要求的条件下，使系统具有较高的传输效率．

1系统结构及特点

谐振式无线电能传输技术最基本的实现方式是采用两线圈结构，如图1所示．采用两线圈结构模型，随着两线圈距离的微小增加，容易导致阻抗失配，使传输效率急剧下降．此外，由于收发线圈的谐振频率容易受到电源和负载的影响，导致失谐，使传输效率下降．为了解决这些问题，研究人员提出了四线圈结构模型

［6］

，如图2所示．

图1两线圈结构示意图Fig.1Two-coil structure diagram 图2四线圈结构示意图

Fig.2Four-coil structure diagram

发射线圈

接收线圈

发射线圈

接收线圈

高频电源负载

高频电源负载

电源线圈

负载线圈

厦门理工学院学报2013年

在2个谐振线圈的基础上，增加了2个感应线圈，使电源与发射线圈隔离，负载与接收线圈隔离．通过调整电源线圈与发射线圈的耦合系数及接收线圈与负载线圈的耦合系数，保证阻抗匹配，从而获得较高的传输效率；另一方面由于谐振线圈与电源和负载隔离开，电源及负载对谐振线圈的谐振频率影响将大大减少，使收发线圈更容易保证谐振．

2

谐振式无线电能传输系统电路模型分析

图3两线圈耦合电路模型

Fig.3

Model of two-coil coupling circuit

2.1

两线圈结构电路模型

由图1可得其等效电路图如图3所示，谐振状态下有j ωL +1/j ωC =0，则系统传输特性为［7］

η=（ωM ）2

ＲL /｛（Ｒ2+ＲL ）［

Ｒ1（Ｒ2+ＲL ）+（ωM ）2

］

｝?100%．（1）

2.2

四线圈结构电路模型

图4

四线圈耦合电路模型

Fig.4Model of four-coil coupling circuit

由图2可得四线圈结构电路模型如图4所示，其中，电源线圈L 1通过电磁感应的方式与发射线圈L 2耦合，发射线圈L 2

与接收线圈L 3通过电磁谐振耦合方式进行能量传输，负载线圈L 4通过电磁感应的方式从接收线圈L 3获得能量．为了准确描述系统的传输特性，以下将对四线圈耦合模型进行完整分析，得到其传输功率和传输效率表达式．2.2.1

无损耗系统等效电路模型

为了获得系统的输入功率，可将系统中的2、3、4模块通过反映阻抗的形式折算到前一级电路，如图5所示．假设谐振系统没有损耗，即发射线圈和接收线圈的等效电阻Ｒ2、Ｒ3为0，则Z 12=

（ωM 12）2（ωM 34）2/［

（ωM 23）2（Ｒ4+ＲL ）］=ω2（M 12M 34/M 23）2/（Ｒ4+ＲL ），令M 14=（M 12M 34）/M 23，可将图5等效如图6所示

．

图5四线圈耦合电路模型等效变换Fig.5Equivalent transformation model of four-coil coupling

circuit 图6无损耗等效电路图

Fig.6Lossless equivalent circuit

diagram

图7四线圈耦合电路模型等效变换

Fig.7

Equivalent transformation model of four-coil coupling circuit

谐振状态下，Z in =Z 12是纯电阻，根据最大功率传输定理，当Z in =Ｒ1时传输功率最大（在本文研究中，假设电源为理想电源，即电源内阻为0），由M 14的表达式可以看出，图6中1、4之间的互感由3部分组成，当收发线圈因距离过大导致互感下降的时候，通过调节电源线圈与发射线圈以及负载线圈与接收线圈之间的互感，就能调节M 14的值，使得Z 12=Ｒ1，保证阻抗匹配，确保系统传输效率不因传输距离的增加而急剧下降．2.2.2有损系统的效率分析

实际上，谐振系统是存在损耗的，而且这个损耗将对系统的传输特性产生重要影响，为了获得系统的输出功率，可得出图7所示等效到副方的电路变换．

令h 1=Ｒ1Ｒ2Ｒ3+Ｒ3（ωM 12）

2

+

·

24

·

第4期陈逸鹏，等：谐振式无线电能传输系统耦合机构优化设计

Ｒ1（ωM 23）2，h 2=Ｒ2Ｒ3Ｒ4+Ｒ2Ｒ3ＲL +Ｒ2（ωM 34）2+（ωM 23）2（Ｒ4+ＲL ），则谐振状态下，

j ωL 4+1/j ωC 4=0，则图7（c ）等效电路为纯电阻回路，可得

P out =｛［ω3

M 12M 23M 34U in /［（ωM 34）2［Ｒ1Ｒ2+（ωM 12）2］+h 1（Ｒ4+ＲL ）］｝2ＲL ．（2）同理，由图5（c ）可得：

P in

=U 2in

/Ｒ1+（ωM 12）2［

Ｒ3Ｒ4+Ｒ3ＲL +（ωM 34）2］Ｒ2Ｒ3Ｒ4+Ｒ2Ｒ3ＲL +Ｒ2（ωM 34）2+（ωM 23）2（Ｒ4+ＲL {}

）

．

（3）

由式（2）（3）可得系统传输效率为

η=P out /P in =ω6M 212M 223M 234ＲL /｛h 2（ωM 34）2

［

Ｒ1Ｒ2+（ωM 12）2］+h 1（Ｒ4+ＲL ）｝．（4）

3谐振式无线电能传输系统参数设计

本文旨在给出谐振式无线电能传输系统耦合机构的一般设计过程，通过前文推导的公式（4）对

系统传输特性做定性分析，并通过一个例子阐述设计过程．设计过程中忽略了一些因素（如电源内阻）的影响，会造成一定误差，但并不影响整个设计流程以及系统的传输特性．

由式（4）可知，传输效率是关于9个参数（ω，

M 12，M 23，M 34，ＲL ，Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4）的多变量函数，其形式比较复杂．谐振式无线电能传输系统的设计主要是对谐振线圈的设计，谐振线圈的参数有线圈半径r 、匝数n 、导线半径a 、收发线圈之间的距离d 等，而M 12，M 23，M 34，Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4等参数与线圈参数有直接联系．在设计谐振线圈时，首先以两线圈耦合电路模型为依据，对谐振线圈进行初步设计，确定线圈半径、导线半径、线圈匝数；再通过四线圈效率公式对系统参数进行优化，在满足传输距离要求下提高系统传输效率．具体设计过程可分为以下步骤：

1）根据实际应用对象确定系统的传输距离d 、负载大小以及系统的操作频率（即谐振频率）f．2）根据公式（1），采用控制变量法对谐振线圈的参数进行初步设计，设计过程中首先根据应用对象的尺寸限定r 的大小，然后对a 及n 进行设计，接着利用设计所得的a 、n 对r 进行优化．

3）利用四线圈模型效率公式对步骤2）获得的线圈参数进行优化，采用与2）类似的控制变量法，首先确定M 12、M 34与系统传输效率的关系，接着对r 、a 、n 进行优化，与2）不同的是，在优化过程中，需要通过调整M 12、M 34的值，保证系统具有最大的传输效率．3.1

初步设计

在实际中，线圈参数将受到客观条件的约束，如线圈半径会受到设备尺寸的约束，传输距离必须

满足用电设备的距离要求等．本文以d =30cm 的模型为例进行设计，并假设系统频率f =2MHz ，负载ＲL =5Ω．

现以图3电路模型为基础对谐振线圈参数进行初步设计，令收发线圈的参数一致，即n 1=n 2=n ，r 1=r 2=r ，a 1=a 2=a ，保证收发线圈具有相同的谐振频率．高频条件下线圈的损耗电阻包括欧姆损

耗电阻Ｒ0和辐射损耗电阻Ｒr ：Ｒr =μ0/ε槡

0［π/12n 2（ωr /c ）4+2/3π3（ωh /c ）2

］，Ｒ0=ωμ0/2槡σnr /a ，当f =2MHz 时，Ｒr ＜＜Ｒ0，可忽略不计，故Ｒ1=Ｒ2≈Ｒ0；式中，μ0为真空磁导率，σ为电导率，ε0图8匝数与效率关系图

Fig.8Relation between turns

and efficiency

浊

n =20匝，浊=61.9%

a =2.5mm a =2mm a =1.5mm

n /匝

为空气介电常数，h 为线圈宽度，c 为光速，互感系数M =π/2μ0r 4n /d 3

，

此时能量传输效率为η=（ωM ）2

ＲL /｛（Ｒ0+ＲL ）［

Ｒ20

+Ｒ0ＲL +（ωM ）2

］｝?100%．

谐振线圈包含3个参数：线圈半径r ，线圈匝数n ，导线半径a ，考虑实际应用中设备尺寸对线圈半径的限制，将线圈半径限制在10 15cm ，并尽可能取小的值．取r =12.5对线圈匝数进行初步优化，令d η/d n =0，当a =2mm 时，可得n max =58（取其它a 值，n max 相差不超过1），如图8所示，当线圈匝数为20时，继续增加匝数虽然能够提高效

·

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厦门理工学院学报2013年

率，但是其提高的幅度已经不明显，为了节约成本，暂取n =20作为线圈匝数．接下来对a 进行优化，当n =20，r =12.5cm 时，a 与ηmax 关系如表1所示．

表1

不同导线半径对应的最大传输效率

Tab .1

Maximum transmission efficiency in different wire radius

a /mm 0．511．522．533．5ηmax %

23．61

42．49

54．13

61．9

67．44

71．57

74．78

从表1可以看出，a 从0.5mm 增加到2mm ，最大传输效率大幅度的提高，当a 超过2mm 以后，效率的提高就没那么明显了，所以取a =2mm．用同样的方法对r 做进一步优化，优化后r =13.5cm．至此可得谐振线圈参数为：r =13.5cm ，n =20匝，a =2mm．由此可得Ｒ2=Ｒ3=0.3046Ω，M 23=0.18164μH ．3.2

优化设计

电源线圈和负载线圈都是半径13.5cm 、导线半径3mm 的单匝线圈，可得Ｒ1=Ｒ4=0.0097Ω．前文已经指出四线圈结构的优势在于可以通过调节M 12、M 34保证阻抗匹配，从而获得较高的传输效率，因此，本文的优化主要是针对互感的优化，通过式（4）的分析，找到最佳的互感组合．在式（4）中以M 12、M 34为变量，采用控制变量法，得到M 12、M 34的优化值．设空间两半径为r 1、r 2，轴向距离为d ，线圈匝数为n 1、n 2，同轴平行线圈互感为M =μ0n 1n 2r 1r 槡

2/b ［（2－b 2）K （b ）－2E （b ）］，式中，

b =4r 1r 2/［（r 1+r 2）2+d 2槡］，K （b ）和E （b ）分别是第一

、二类椭圆积分．可以看出，当线圈形状确定之后，互感只与距离有关，通过调整d 来改变M 的大小，因此，互感的优化实质就是图9

互感与效率关系图

Fig.9Relation between mutual inductance and efficiency

电源线圈与发射线圈，负载线圈与接收线圈之间距离的优化．

1）确定M 12、M 34与η之间的关系

由式（4）可得M 12、M 34与η之间的关系如图9所示．由图9可以看出，随着M 12的增大，效率先快速增加，增加到一定程度后增加速度变得很缓慢，最后维持在最高水平，即这个过程中d η/d M 12逐渐趋于0，而且对应的使d η/d M 12趋于0的M 12较小（如M 34=0.27μH 时，M 12＞0.1μH 就能使效率维持在最高水平）；同时，当M 34取某个特定的数值时，效率有最大值，当前模型M 34=0.27μH 时效率最大．

2）匝数优化

前文通过两线圈模型初步确定线圈匝数为20匝，由两线圈模型可得出匝数与最大效率的关系如表2所示．由表2可以看出，匝数越多效率越高，为了对匝数做进一步的优化，表中同时给出了四线圈模型谐振线圈匝数与最大传输效率的关系，可以看出并不是匝数越多效率越高，而是存在一个在最佳的匝数使得传输效率最大，由表2可知最佳匝数为9匝．

表2

不同谐振线圈匝数对应的最大传输效率

Tab .2

Maximum transmission efficiency in different resonance coils turns

匝数/匝58910152025ηmax /%两线圈45．0455．8358．3760．5667．9471．9474．24四线圈

76．4176．4376．4476．4276．3876．3676．33M 34/μH

0．14

0．17

0．18

0．19

0．23

0．27

0．30

3）线圈半径及导线半径优化

对于线圈半径（a =2mm 时）和导线半径（r =13.5cm 时），可得出其与最大传输效率的关系如表3所示．由表3可以看出，最大效率与线圈半径及导线半径是正相关的关系，即随着r 和a 的增加，效率逐渐增大，当r 、a 越大时，效率的增加越小．因此，在满足设备对尺寸的限制条件下，

可尽量选择大的线圈半径及导线半径．按照前期优化结构选取r =13.5cm ，a =2mm ．

·

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第4期

陈逸鹏，等：谐振式无线电能传输系统耦合机构优化设计表3

四线圈模型不同谐振线圈半径及导线半径对应的最大传输效率

Tab .3Maximum transmission efficiency of four-coil model in different resonance coil radii and wire radii

4）负载与效率的关系

在前文的设计中假设ＲL =5Ω，在具有同样的谐振线圈的基础上，两线圈结构和四线圈结构对不同ＲL 的最大输效率如表4所示．由表4可以看出，四线圈结构相比两线圈结构的另一个优势，即能够适应不同负载．

表4

不同负载对应的最大传输效率Tab．4

Maximum transmission efficiency in different load

ＲL /Ω510203040ηmax /%

两线圈71．9460．5645．0435．7129．57四线圈

76．36

77．03

77．37

77．48

77．54

至此可得出谐振式无线电能传输系统优化后的参数：电源线圈与负载线圈线圈半径13.5cm ，导线半径3mm ，线圈匝数1匝；谐振线圈线圈半径13.5cm ，导线半径为2mm ，线圈匝数9匝；系统频率f =2MHz ；负载ＲL =5Ω；M 12尽可能大，M 34=0.18μH．若负载变化，可相应的改变谐振线圈的匝数，并调整M 34使效率保持最大．

由以上参数计算得出线圈电感L 1=L 4=0.583μH ，L 2=L 3=12.1μH ，补偿电容C 1=C 4=11.78nF ，C 2=C 3=523pF．

4结论

通过对两线圈耦合模型及四线圈耦合模型进行分析得出传输效率与系统参数的关系表达式，并以此为依据对系统进行设计和优化．研究得出四线圈结构能够在不同负载条件下保持高传输效率，相比两线圈模型匝数少的优点，四线圈结构增加了电源线圈和负载线圈，通过调节M 12，M 34保证较高的传输效率，实际操作中可将M 12尽量取大的值，然后通过调节M 34保持高效率．文中公式及设计方法适用于其他模型设计，可作为磁谐振式无线电能传输系统线圈结构的一般设计方法．

［参考文献］

［1］罗斌，生茂棠，吴仕闯，等．磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析［J ］．中国电机工程

学报，2013，

33(21):171－177．［2］赵争鸣，张艺明，陈凯楠．磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展［J ］．中国电机工程学报，2013，33(3):1－13．［3］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［J ］．中国电机工程学报，2012，32(12):

155－160．

［4］李阳，杨庆新，陈海燕，等．无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析［J ］．电工电能新技术，

2012，31(3):31－39．

［5］张献，杨庆新，陈海燕，等．电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证［J ］．中国电机工程学

报，2012，

32(21):153－158．［6］CHEON S ，KIM Yong-hae ，KANG Seung-youl ，et al．Circuit－model－based analysis of a wireless energy－transfer system

via coupled magnetic resonances ［J ］．IEEE Transactions on Industrial Electronics ，2011，58(7):2906－2914．

［7］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［J ］．中国电机工程学报，

2009，29(18):21－26．

（下转第50页）

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厦门理工学院学报2013年

［参考文献］

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50010－2010混凝土结构设计规范［S ］．北京:中国建筑工业出版社，

2010．

［2］美国混凝土协会．ACI 318M －05美国混凝土结构建筑规范和注释［S /OL ］．(2010-04-19)［2013-05-08］．http ://

www．doc88．com /p －79659231409．html．

［3］中国工程建设标准化协会．GB50009－2012建筑结构荷载规范［S ］．北京:中国建筑工业出版社，2012．［4］艾伦·威廉斯．钢筋混凝土结构设计［M ］．北京:中国水利水电出版社，2002．

［5］贡金鑫，魏巍巍，胡家顺．中美欧混凝土结构设计［M ］．北京:中国建筑工业出版社，2007．

Design Method Comparison of the Cross-section Ｒeinforcement for Ｒeinforced Concrete under Bending between China and America

JIAO Jun-ting，YANG Ｒong-hua

(School of Civil ＆Architecture Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

Abstract:According to materials，the design basic principles，and the theory of across －section bearing capacity，the design methods were compared about the cross-section reinforcement for reinforced concrete under bending between the Chinese code and the American code．The strengths and grades of materials were a little deferent;the practical design expression of design basic principles was deferent;the derivation of design formula was similar，but there was some difference of the design formula．By the calculation results from one problem，this showed that the force and reinforcement based on the American code were larger than those based on the China code，and the construction requirements of the American code were stricter than those of the China code．

Key words:reinforced concrete;bending load;across-section of reinforcement;design method

（责任编辑

李

宁檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶

）

（上接第45页）

Design Optimization of Coupling Mechanism for Magnetic-Ｒesonance

based Wireless Power Transfer System

CHEN Yi-peng，NIE Yi-xiong

(Faculty of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

Abstract:Through the circuit model of the magnetically resonant wireless power transfer system consisting of four coils，the expression of the transmission efficiency is obtained．First，use a two-coil model in a preliminary design of the parameters to determine the transmission distance and resonant frequency and to obtain the radius，number of turns and wire diameter of the resonance coil．Then，use the four-coil model to optimize the parameters and adjust the mutual inductance between coils to achieve the maximum transmission efficiency of the system．Combination of the two-coil model and the four-coil model for design and analysis of the system parameters ensures the model analysis accuracy and simplifies the resonant coil design process，thus providing a theoretical basis for design optimization of the magnetically resonant wireless power transfer system．

Key words:magnetic-resonance;wireless power transfer;two-coil model;four-coil model;design optimization

（责任编辑

李

宁）

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浅谈无线电力传输

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

rlc串联电路频率特性实验报告

竭诚为您提供优质文档/双击可除rlc串联电路频率特性实验报告 篇一：RLc串联电路的幅频特性与谐振现象实验报告 _-_4(1) 《电路原理》 实验报告 实验时间：20XX/5/17 一、实验名称RLc串联电路的幅频特性与谐振现象二、实验目的 1．测定R、L、c串联谐振电路的频率特性曲线。 2．观察串联谐振现象，了解电路参数对谐振特性的影响。1．R、L、c串联电路(图4-1)的阻抗是电源频率的函数，即： Z?R?j(?L? 1 )?Zej??c 三、实验原理 当?L?

1 时，电路呈现电阻性，us一定时，电流达最大，这种现象称为串?c 联谐振，谐振时的频率称为谐振频率，也称电路的固有频率。 即 ?0? 1Lc 或f0? 12?Lc R无关。 图4-1 2．电路处于谐振状态时的特征： ①复阻抗Z达最小，电路呈现电阻性，电流与输入电压同相。 ②电感电压与电容电压数值相等，相位相反。此时电感电压(或电容电压)为电源电压的Q倍，Q称为品质因数，即Q? uLuc?0L11 ????ususR?0cRR L c

在L和c为定值时，Q值仅由回路电阻R的大小来决定。 ③在激励电压有效值不变时，回路中的电流达最大值，即： I?I0? us R 3．串联谐振电路的频率特性： ①回路的电流与电源角频率的关系称为电流的幅频特性，表明其关系的图 形称为串联谐振曲线。电流与角频率的关系为： I(?)? us 1?? R2??L?? ?c?? 2 ? us ???0? ?R?Q2?????? ?0? 2 ?

I0 ???0? ?1?Q2?????? ?0? 2 当L、c一定时，改变回路的电阻R值，即可得到不同Q 值下的电流的幅频 特性曲线(图4-2) 图4-2 有时为了方便，常以 ?I 为横坐标，为纵坐标画电流的幅频特性曲线(这称?0I0 I 下降越厉害，电路的选择性就越好。I0 为通用幅频特性)，图4-3画出了不同Q值下的通用幅频特性曲线。回路的品质因数Q越大，在一定的频率偏移下，为了衡量谐振电路对不同频率的选择能力引进通频带概念，把通用幅频特性的幅值从峰值1下降到0.707时所对应的上、下频率之间的宽度称为通频带(以bw表示)即：bw? ?2?1 ??0?0

磁耦合谐振式无线电能传输

磁耦合谐振式无线电能传输 DOI：10.16640/jki.37-1222/t.2016.12.137 1磁耦合谐振式无线电能传输 （1）无线电能传输。无线电能传输，简称WP■技术，是根据能量传输过程中中继能量形式的不同，在不使用导线连接的情况下通过电场等进行进行传输的新型技术。其主要包括：磁（场） 耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式（如太阳辐射）、机械波耦合式（超声）。其中，磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。这项技术开创了人类通信的新纪元，基于能源供给而产生的无线电技术将会创造出人类能源史的新里程，其给大众带来的意义与影响也非同凡响。这项技术的使用具有以下的特点： 1 ）通用性电波的传输不需要导线进行连接一旦普及，将会使电子产品从导线的束缚中解脱出来，电器接口、兼容性的问题将得到解决，供电更方便，便捷人们的生活，提高人们的生活水平，提高人们的生活质量。 2）便携性、实用性目前的生活状况下实现无线电能传输依旧面临这挑战，但这项技术的推广，将会极大的提高传输的速度、传输

的量，对彻底解决人民生活中电力的供给问题提供有力的帮助，方便生活，提高效率。同时，对于目前很多缺乏或者无法布置电线造成的供电困难现象，无线电能传输的普及将会使这难题得到解决，紧急情况下快速地供电模式也是未来发展的必然趋势，例如加拿大等国开始尝试使用辐射式供电驱动的无人飞机作为电视转播台。 3）美观性不以导线连接的无线电能传输，将会推动电子设备的体积进一步的减小，电子设备的数据线将不再需要，便捷人们生活的同时，营造一种美观性。在能效转化效率、电磁人体辐射安全的情况下，无线供电时代的普及，将能够有效解决家庭布线、家电固定化等破坏问题，节省铜、塑料等资源。 4）安全性无线电能传输技术的普及，将会消除电子设备接触产生的电火花、电火花可能引起的爆炸、插头损坏和接触不良等安全隐患。如使用无线充电技术的电动牙刷和电动剃须刀的防水性将进一步得到提高。 5）绿色性、永久性若空间太阳能发电实现真正的商业运作化，人类将能从太阳能得到巨大的能量，在能源不缺乏的基础上，无线电能传输将而真正解决能源问题，实现绿色能源，提高能源供给，解决能源危机，造福后代。 （2）磁耦合谐振式磁耦合谐振式，作为新的无线电能传输方式，主要工作原理是利用物理学的"谐振" 原理，两个振动频率相同的物体能高效传输能量。基于磁场谐振耦合的无线电力传输，实际上是将磁场作为传输的介质，当电源发送端的振荡磁场频率和接收端

高效无线电力传输系统

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

无线电能传输实验报告

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

大学物理实验报告系列之RLC电路的谐振

【实验名称】 RLC 电路的谐振 【实验目的】 1、研究和测量RLC 串、并联电路的幅频特性； 2、掌握幅频特性的测量方法； 3、进一步理解回路Q 值的物理意义。 【实验仪器】 音频信号发生器、交流毫伏表、标准电阻箱、标准电感、标准电容箱。 【实验原理】 一、RLC 串联电路 1．回路中的电流与频率的关系（幅频特性） RLC 交流回路中阻抗Z 的大小为： () 2 2 '1??? ? ? -++= ωωC L R R Z （32-1） ???? ? ??????? +-=R R C L arctg '1ωω? （32-3） 回路中电流I 为： )1()'(2ω ωC L R R U Z U I - ++== （32-4） 当01 =- ω ωC L 时， = 0，电流I 最大。 令即振频率并称为谐振角频率与谐的角频率与频率分别表示与,,000=?ωf ： LC f LC πω21100= = （32-5） 如果取横坐标为ω，纵坐标为I ，可得图32-2所示电流频率特性曲线。 2．串联谐振电路的品质因数Q C R R L Q 2)'(+= （32-7） QU U U C L == （32-8） Q 称为串联谐振电路的品质因数。当Q >>1时，U L 和U C 都远大于信号源输出电 压，这种现象称为LRC 串联电路的电压谐振。 Q 的第一个意义是：电压谐振时，纯电感和理想电容器两端电压均为信号源电 压的Q 倍。 1 20 1 20f f f Q -= -= ωωω （32-12） 显然(f 2-f 1)越小，曲线就越尖锐。 Q 的第二个意义是：它标志曲线尖锐程度，即电路对频率的选择性，称 f （= f 0 / Q ）为通频带宽度。 3．Q 值的测量法

谐振耦合式无线电力传输系统matlab建模

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);

无线电能传输

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

交流谐振电路-实验报告

University of Science and Technology of China 96 Jinzhai Road, Hefei Anhui 230026,The People ’s Republic of China 交流谐振电路 李方勇 PB05210284 0510 第29组2号（周五下午） 实验题目 交流谐振电路 实验目的 研究RLC 串联电路的交流谐振现象，学习测量谐振曲线的方法，学习并掌握电路品质因素Q 的测量 方法及其物理意义。 实验仪器 电阻箱，电容器，电感，低频信号发生器以及双踪示波器。 实验原理 1． RLC 交流电路 由交流电源S ，电阻R ，电容C 和电感L 等组成 交流电物理量的三角函数表述和复数表述 ()() φ?φ?+=+=t j Ee t E e cos 式中的e 可以是电动势、电压、电流、阻抗等交流电物理量，?为圆频率，φ 为初始相角。电阻R 、电容C 和电感串联电路 电路中的电流与电阻两端的电压是同相位的，但超前于电容C 两端的电压2π ，落后于电感两端的电压2π 。 电阻阻抗的复数表达式为 R Z R = 模R Z =

电容阻抗的复数表达式为 C j e C Z j C? ? π1 1 2= =- 模C Z C? 1 = 电感阻抗的复数表达式为 L j Le Z j L ? ? π = =2 模 L Z L ? = 电路总阻抗为三者的矢量和。由图，电容阻抗与电路总阻抗方向相反，如果满足 L c ? ? = 1 ， 则电路总阻抗为R，达到最小值。这时电流最大，形成所谓“电流谐振”。调节交流电源（函数发生器）的频率，用示波器观察电阻上的电压，当它达到最大时的频率即为谐振频率。电路如下图。 电路参数–电动势电压，电流，功率，频率 元件参数–电阻，电容，电感 实验内容 1．观测RLC串联谐振电路的特性 （1）按照上图连接线路，注意保持信号源的电压峰峰值不变，蒋Vi和Vr接入双踪示波器的CH1和CH2（注意共地） （2）测量I－f曲线，计算Q值 （3）对测得的实验数据，作如下分析处理： 1）作谐振曲线I－f，由曲线测出通频带宽 2）由公式计算除fo的理论值，并与测得的值进行比较，求出相对误差。

无线电能传输系统报告.doc

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

谐振电路实验报告

rlc串联谐振电路的实验研究 一、摘要： 从rlc 串联谐振电路的方程分析出发，推导了电路在谐振状态下的谐振频率、品质因 数和输入阻抗，并且基于multisim仿真软件创建rlc 串联谐振电路，利用其虚拟仪表和 仿真分析，分别用测量及仿真分析的方法验证它的理论根据。其结果表明了仿真与理论分析 的一致性，为仿真分析在电子电路设计中的运用提供了一种可行的研究方法。 二、关键词：rlc；串联；谐振电路；三、引言 谐振现象是正弦稳态电路的一种特定的工作状态。通常，谐振电路由电容、电感和电阻 组成，按照其原件的连接形式可分为串联谐振电路、并联谐振电路和耦合谐振电路等。 由于谐振电路具有良好的选择性，在通信与电子技术中得到了广泛的应用。比如，串联 谐振时电感电压或电容电压大于激励电压的现象，在无线电通信技术领域获得了有效的应用， 例如当无线电广播或电视接收机调谐在某个频率或频带上时，就可使该频率或频带内的信号 特别增强，而把其他频率或频带内的信号滤去，这种性能即称为谐振电路的选择性。所以研 究串联谐振有重要的意义。 在含有电感l 、电容c 和电阻r 的串联谐振电路中，需要研究在不同频率正弦激励下 响应随频率变化的情况，即频率特性。multisim 仿真软件可以实现原理图的捕获、电路分 析、电路仿真、仿真仪器测试等方面的应用，其数量众多的元件数据库、标准化仿真仪器、 直观界面、简洁明了的操作、强大的分析测试、可信的测试结果都为众多的电子工程设计人 员提供了一种可靠的分析方法，同时也缩短了产品的研发时间。 四、正文 （1）实验目的： 1.加深对串联谐振电路条件及特性的理解。 2.掌握谐振频率的测量方法。 3.理解电路品质因数的物理意义和其测定方法。 4.测定rlc串联谐振电路的频率特性曲线。 (2)实验原理： rlc串联电路如图所示，改变电路参数l、c或电源频率时，都可能使电路发生谐振。 该电路的阻抗是电源角频率ω的函数：z=r+j(ωl-1/ωc) 当ωl-1/ωc=0时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。谐振角频率ω 0 =1/lc ，谐振频率f0=1/2π lc 。 谐振频率仅与原件l、c的数值有关，而与电阻r和激励电源的角频率ω无关，当ω< ω0时，电路呈容性，阻抗角φ<0；当ω>ω0时，电路呈感性，阻抗角φ>0。 1、电路处于谐振状态时的特性。 （1）、回路阻抗z0=r,| z0|为最小值，整个回路相当于一个纯电阻电路。（2）、回路 电流i0的数值最大，i0=us/r。（3）、电阻上的电压ur的数值最大，ur =us。 （4）、电感上的电压ul与电容上的电压uc数值相等，相位相差180°，ul=uc=qus。 2、电路的品质因数q 电路发生谐振时，电感上的电压（或电容上的电压）与激励电压之比称为电路的品质因 数q，即： q=ul（ω0）/ us= uc（ω0）/ us=ω0l/r=1/r*l/c （3）谐振曲线。 电路中电压与电流随频率变化的特性称频率特性，它们随频率变化的曲线称频率特性曲 线，也称谐振曲线。 在us、r、l、c固定的条件下，有

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展

1 综 述 作者简介：程丽敏(1988- )，女，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展 程丽敏，崔玉龙 (北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029) 摘 要：作为一种无线电能传输(WPT)方式，磁耦合谐振式无线电能传输距离为几十厘米，传输效率 可以达到90%，传输功率可以达到千瓦级。对磁耦合谐振式WPT 系统的整体结构类型，谐振器的拓扑结构类型，提高传输距离、传输效率和传输功率的方法及谐振频率分裂等几方面进行了研究。总结了国内相关高校的研究成果，并给出了该技术的应用前景及存在问题。 关键词：磁耦合谐振式；无线电能传输；发展现状；存在问题；应用前景中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2012)12-0001-05 Abstract: As a mean of wireless power transmission (WPT), magnetic coupling resonant wireless power transmission distance can be from scores of centimeters to several meters, transmission ef ? ciency can reach 90%, and transmission power can reach kilowatt grade. Study was carried out for whole structure category of magnetic coupling resonant WPT system, topologic structure category of resonator, improvement of transmis-sion distance, transmission ef ? ciency and transmission power methods and resonant frequency split etc aspects. Summary was made for study results of related colleges and universities at home and the application prospect of the technology and existing problems was given. Key words: magnetic coupling resonant type; wireless power transmission; present development situation; existing problem; application prospect CHENG Li-min, CUI Yu-long （College of Information Science&Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China ） Magnetic Coupling Resonant Type Wireless Power Transmission Technology Study Progress 0 引言 无线电能传输(WPT)技术是不使用导线连接而通过电场、磁场、激光等软介质实现的电能传输方式。1890年，尼古拉?特斯拉提出了把地球作为内导体、距离地面约60km 的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz 的低频共振，再利用环绕地球表面的电磁波来远距离传输电力[1]。2006年11月，在美国物理学会工业物理论坛上，麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic 首次提出了磁耦合谐振式WPT 技术[2]。WPT 技术主要有3种，即电磁感应式、磁耦合谐振式和电磁辐射式。电磁辐射式WPT 技术是利用电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理而实现的能量传输。电磁感应式无线电能传输技术(简称IPT)主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现 电能无线传输。磁耦合谐振式WPT 的理论基础是耦合模式理论，两个相同谐振频率的振荡电路，在波长范围内是通过近场瞬逝波耦合的，感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内，允许能量高效地从一个物体传到另一物体。而与周围不同频率的物体之间的相互作用很弱，电能传输的介质是中高频的磁场。 1 磁耦合谐振式WPT技术研究现状 1.1 国外研究现状 1.1.1 WPT系统的整体结构类型 从磁耦合谐振式W P T系统的整体结构来看，可分为单发射器、单接收器的系统，单发射器、多接收器的系统，有中继谐振器的系统。 1)单发射器、单接收器的WPT系统 对于单发射器、单接收器系统，也有不同的实

RLC串联谐振电路的实验报告

RLC串联谐振电路的实验报告 （1）实验目的： 1.加深对串联谐振电路条件及特性的理解。 2.掌握谐振频率的测量方法。 3.测定RLC串联谐振电路的频率特性曲线。 (2)实验原理： RLC串联电路如图所示，改变电路参数L、C或电源频率时，都可能使电路发生谐振。该电路的阻抗是电源角频率ω的函数：Z=R+j(ωL-1/ωC)当ωL-1/ωC=0时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。谐振角频率ω0 =1/LC，谐振频率f =1/2πLC。谐振频率仅与原件L、C的数值有关，而与电阻R 和激励电源的角频率ω无关，当ω<ω 0时，电路呈容性，阻抗角φ<0；当ω>ω 时，电路呈感性，阻抗角φ>0。 1、电路处于谐振状态时的特性。 （1）、回路阻抗Z 0=R,| Z |为最小值，整个回路相当于一个纯电阻电路。 （2）、回路电流I 0的数值最大，I =U S /R。 （3）、电阻上的电压U R 的数值最大，U R =U S 。 （4）、电感上的电压U L 与电容上的电压U C 数值相等，相位相差180°，U L =U C =QU S 。 2、电路的品质因数Q 电路发生谐振时，电感上的电压（或电容上的电压）与激励电压之比称为电路的品质因数Q，即： Q=U L （ω ）/ U S = U C （ω ）/ U S =ω L/R=1/R* （3）谐振曲线。 电路中电压与电流随频率变化的特性称频率特性，它们随频率变化的曲线称频率特性曲线，也称谐振曲线。 在U S 、R、L、C固定的条件下，有

I=U S / U R =RI=RU S / U C =I/ωC=U S /ωC U L =ωLI=ωLU S / 改变电源角频率ω，可得到响应电压随电源角频率ω变化的谐振曲线，回路 电流与电阻电压成正比。从图中可以看到，U R 的最大值在谐振角频率ω 处，此 时，U L =U C =QU S 。U C 的最大值在ω<ω 处，U L 的最大值在ω>ω 处。 图表示经过归一化处理后不同Q值时的电流频率特性曲线。从图中（Q 11/2时，U C 和U L 曲线才出现最大值，否则U C 将单调下降趋于0，U L 将单调上升趋于U S 。 仿真RLC电路响应的谐振曲线的测量 五、结论

无线电力传输技术

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，