摘 要：磁耦合谐振式无线电能传输是电力范畴的一项新技术，在多方面具有相对明显的优势，例如：传输距离远、速度快等。基于这些优点，该项技术得到了广泛的应用，更成为了我国电力行业重点研究的一个重点课题。本文就对磁耦合谐振式无线电能传输的相关内容，进行简要的分析和阐述，希望对我国电力行业的发展，以及经济效益的提升，给予一定的帮助。

关键词：磁耦合谐振式；无线电能传输；电力行业

中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0040-03

Abstract：The magnetic coupling resonant radio transmission is a new technology in the category of electric power. It has relatively obvious advantages，such as the long distance and fast speed. Based on these advantages，the technology has been widely used，and it has become a key topic in the focus of China's power industry. This paper makes a brief analysis and exposition of the related content of magnetic coupling resonant radio transmission，and hopes to give some help to the development of China's electric power industry and the promotion of economic benefits.

Keywords：magnetic coupling resonance；radio energy transmission；power industry

0 引 言

磁耦合谐振式无线电能传输作为一项新的技术模式，其传输距离可以达到几十厘米，传输效率也可提升到90%，传输功率也可以达到上千瓦。同时，无线电能传输主要是利用空间无形软介质，实现将电能由电源端传递到用电设备，保证用电设备使用的稳定性。这种供电模式主要是基于集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等学科，使供电阶段更加的稳定和安全，避免影响用电设备的正常使用[1]。另外，磁耦合谐振式无线电能传输技术的穿透性相对较好，不会受到任何因素的影响，保证电力电能的稳定性。

1 磁耦合谐振式无线电能传输技术分析

1.1 技术架构分析

磁耦合谐振式无线电能传输技术主要是由两个线圈和四个线圈等结构组成，并且在电能傳输的过程中，主要是由发射端和电能接收端等方面组成。另外，发射端主要是由发射能量线圈和高频率的电源组成，能量接受端是由接受线圈、和谐振电路板、负载电路等方面组成。从总体的角度来说，磁耦合谐振式无线电能传输技术构架相对较为简单。

1.2 运行原理

磁耦合谐振式无线电能传输的过程，是以导线缠绕制成的发射线圈与谐振电容共同并列所形成的谐振体。同时，这种谐振体容纳性较强，能连接在电场和磁场之间，并且自谐振频率以线圈为基础点，以空气为传输介质，进行磁场更换。另外，在电能接受时，主要是利用接受线圈带有一个点位电容组成的谐振体，在相同的条件下，谐振频率和电能发送端才能同时运行，这样才能有效地实现两个谐振体交换运行模式，形成磁耦合谐振式系统，在最大程度上保证电能传输的稳定性，为电能使用设备的运行，提供了基础性的条件[2]。

1.3 技术优势

（1）磁耦合谐振式无线电能传输具有良好的通用性，并且在传输的过程中，是不需要连接任何电导线的，这样可以避免电能传输受到导线的限制，提升了电能传输兼容性，这样不仅保证了电能运输的稳定性，还为用电设备运行提供基础性保证。（2）该项技术的广泛应用，可以在很大程度上提升电能传输的效率，有效解决供电电力不足的现象。同时，由于电线布置不完善会产生供电困难，这样对电能传输就会造成一定阻碍。然而，磁耦合谐振式无线电能传输技术主要是以空气作为介质，完善电能传输的范围，以及传输的稳定性，保证了人们用电的充足性。（3）磁耦合谐振式无线电能传输技术的普及，可以降低用电设备与电能接触所产生的电火花、线路接触不良等现象，尽可能的消除安全隐患，提升了用电设备运行的稳定性[3]。另外，磁耦合谐振式无线电能传输技术还可以利用辅助设备，实现太阳能发电的模式，这样有效解决能源紧张问题，也有利于环保行业的发展。

2 磁耦合谐振式无线电能传输建模分析

2.1 电能传输模型构建

如图1所示，磁耦合谐振式无线电能传输主要是发射端和接受端等两个部分组成，在系统运行模拟的过程中，会将电源信号利用逆变转化的方式，形成高频并放大以后通过发射端进行传输。同时，在这个过程中发射线圈和接收线圈会形成谐振，能量也会由发射线圈耦合到接受线圈，将能量传输到接收电路中，并且通过利用整流滤波后送给负载，以此实现无线电能传输的模式[4]。另外，在磁耦合谐振式无线电能传模型构建的过程中，还需要补偿电容进行有效的连接，经过磁场的作用形成谐振，但是由于各项功能的不同，线圈的参数也存在一定差异，所以一定要对该方面进行综合性的考虑，避免影响电能传输的稳定和稳定性。

2.2 电路模型构建

图2中C1、C2为发射和接收线圈的补偿电容，L1、L2为发射、接线圈的等效电感，R1、R2为发射、接收线圈的等效电阻，ZL为负载阻抗，M为两线圈之间的互感。因此，在电路模型构建的过程中，应当对发射电路和接收电路阻抗进行计算，其计算公式为：

另外，在模型构建的过程中，完成电路阻抗计算后，需要进行电源输出功率、负载功率等方面的计算，其公式为：

通过这些计算公式，以及最终所计算的结果，可以得出磁耦合谐振式无线电能传输的功率，以及与线圈参数、尺寸大小、匝数多少、耦合系数等方面的关系，进而判断电路系统的稳定性和可靠性，是否处于最佳的状态。

2.3 传输线圈模型构建

根据上述的分析，可以利用漆包线推算发射、接收的线圈数，漆包线直径为2mm，并且两圈的半径为100mm，匝数均为6，线圈互感的系数为M-0.5×3.14μNr4/D3，其中，N为两个线圈匝数，r为半径，D为两线圈的间距。另外，在传输线模型构建的过程中，通过利用逆变电路将电流信号进行转换，并且将电流信号放大以后，再传输到发射线圈。如图2所示，以無线鼠标为例，电源可以取计算机USB接口5V的直流电，经过逆变电流以后，将2MHz～5MHz的交流信号进行转换、放大发送到发射线圈。同时，若是借用功率发生器，则直接取5V直流电，将其信号加载到发射线圈，通过利用相应的计算公式可知负载阻抗为10Ω，并且对补偿器在0.2～20nF之间进行相应的调整，进而保证无线鼠标使用的稳定性[5]。

3 传输方向分析

（1）在传统输电模式中，接收线圈的平面法向总是和磁场方向平行，与发射线圈的耦合系数差距始终最大。然而，对于旋转接收系统而言，接收线圈和磁场的空间都会产生一定的变化，接收线圈的平面法向就会出现和磁场方向不平行甚至垂直的情况。那么，在这种情况下，接收线圈中的接收电压，会根据线圈平面法夹角的变化随之变化。另外，若是线圈控价的位置和方向发生变化，并且设置线圈1的圆心坐标点为（0，0，0），线圈2的坐标点为（0，t，h）的话，对两个线圈互感关系进行分析，其分析公式为：

其中，公式中的r1和r2为线圈1、2的半径，n1、nm为线圈1、2的匝数，δ为线圈1、2的法线夹角[6]。同时，在传输方向分析的过程中，可以利用双重积分的形式，对各项数值进行求解分析，并且空间两线圈的互感系数，会随着线圈法线夹角的变化而变化。

（2）在磁耦合谐振式无线电能传输的过程中，若是空开空间夹角产生变化，互感系数就会受到一定的影响，但是这种影响并不意味着互感系数会下降，也不会影响接收线圈接收到最大的电压值。尽管空间两线圈之间的夹角产生变化，也一定要保证η=ωM/R≥1，这样传输系统仍保持在强耦合状态，也叫做电能传输的有效范围，同时接收线圈收到的电压依旧可以接收最大电压值。然而，若是夹角发生变化η=ωM/R<1，系统就会处于欠耦合的状态，进而影响接收线圈接收电压，磁耦合谐振式无线电能传输的稳定性也会随之下降。

（3）从不同角度、不同程度进行分析后发现，若是系统轴、平行放置处于过耦合的状态下，应当在一定的范围内改变传输方向，同时要保证η=ωM/R≥1不变，这样接收圈接收电压数值也不会发生变化。可若是传输方向的改变，超出一定范围，η=ωM/R<1，这时接收线圈的接收电压最大值将随着传输方向改变而迅速减小。然而，传输系统轴、平行放置时处于“临界耦合”和“欠耦合”状态时，方向改变系数会降低，导致η=ωM/R<1，接收电压的最大值也会随着方向的改变而改变。通常情况下，传输方向改变不会影响无线传输性能，这样的性能称为“无方向性”；方向性的改变，传输方向随之发生改变时，这种方向性叫作“有方向性”。

4 磁耦合谐振式无线电能传输仿真分析

（1）为了保证功率、频率、负载电阻的之间的关系，可以利用固定系数降低功率、频率、负载电阻等变量的变化，如图3所示。从图中就可以看出，若是传输距离（D）一定的话，频率为600kHZ，传输效率就会随之提升，同时负载电阻也会受到效率的变化，随之产生变化。故功率、频率、负载电阻的变化，是随着传输距离而变化的。

（2）在仿真分析的过程中，可以利用固定负载对效率和功率进行研究分析，例如：如图4所示，若是固定负载（RL）取值为2000Ω，可以从图像中看出，传输效率若是相对较近，则传输效率也会随之提升。此时的频率变化，对系统传输效率不会造成严重的影响，只有谐振效率发生变化，功率输出才会产生一定的变化。

5 磁耦合谐振式无线电能传输技术发展分析

就目前形式而言，磁耦合谐振式无线电能传输技术的应用前景较为广泛，具有非常明显的优势。同时，磁耦合谐振式无线电能传输技术使用的过程，是以先进的技术理论为基础的，有效实现了无线传输电能的模式，但是在距离上还存在一定的限制，仅仅控制在几十厘米内。这样看来，磁耦合谐振式无线电能传输技术还是会受到一些因素的限制。因此，在后期发展的过程中，还需要对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行不断的研究和分析，发掘出更多的功能，并且带来更好的发展前景。

6 结 论

本文从不同角度、不同层面对磁耦合谐振式无线电能传输技术的相关内容，进行了简要的分析和阐述，通过仿真模拟，以及模型构建分析，进一步明确了磁耦合谐振式无线电能传输技术的功能和优势，以此保证电能传输的稳定性，保证用电设备运行处于正常的运行，进而促进相关行业发展的进程。

参考文献：

[1] 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+21.

[2] 黄学良，吉青晶，谭林林，等.磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究 [J].电工技术学报，2013，28（3）：171-176+187.

[3] 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.

[4] 傅含，张国忠，叶邯.磁耦合谐振式无线电能传输 [J].山东工业技术，2016（12）：160-161.

作者简介：曹嘉伦（1994-），男，汉族，上海人，硕士。研究方向：新能源及其电力电子技术。