第1章 绪 论
1.1 课题背景及研究意义
近年来一些电器生产厂商，出现了一些相关的产品。例如海尔公司展出了一款“无尾电视”，通过无线的方式将电能与信号同时传递给显示屏，引起了世界各国的广泛关注[3]。 磁共振式无线电能传输技术于 2006 年被美国的麻省理工学院提出，并给出了相关的理论基础和实验验证[4]，随后该技术开始被世界各国广泛研究和应用。该技术主要基于磁共振的原理，通过空间中变化的磁场进行能量的传输。与微波传输技术相比，由于其采用的是近场耦合，由磁场传输能量，频率范围在几千赫兹到几兆赫兹之间，磁场对于人和生物的影响是很小的[5]，所以采用磁共振式无线能量传输技术是比较安全的。与感应耦合传输方式相比，虽然磁共振技术传输功率小一些，但其实现几千瓦功率的传输是没有问题的，用于一般的家用电器上已经足够了。
1.2 无线电能传输技术的发展现状
麻省理工学院（MIT）在该领域一直处于领先地位。文献[8]中 MIT 提出了在两线圈基础上加入 1 个同频率的中继线圈的结构，发射线圈与接收线圈位置相互垂直而没有磁耦合，而是通过与中继线圈的磁场能量交换来实现电能的传输，两线圈以同样的频率旋转，如图 1-1 所示。当改变中继线圈的旋转速度时，最大传输效率可达 61.2%。另一文献[9]中 MIT 对多负载系统进行了研究，并指出多负载时系统的传输效率要比单负载时效率高。
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第2章 磁共振式无线电能传输技术的原理分析
2.1 引言
到目前为止，无线电能传输技术仍处于探索阶段。现有的对于无线电能传输原理的分析主要有耦合模理论、磁场有限元分割分析和电路耦合理论[51]。其中耦合模理论是从振荡的形式出发分析线圈之间的能量转化关系；磁场有限元分割分析是以经典的电磁场理论为依据，用场的概念来进行描述；电路耦合理论则是以电路理论中的互感耦合模型出发进行研究。本文通过电路谐振和互感等最基本的电路耦合理论对系统进行分析。
2.2 无线电能传输系统的基本构成
不同于紧密耦合下的传统变压器，耦合系数一般在 0.3 以下，与相对位置变化有很大关系。为获得较大的传输功率和较高的传输效率，在耦合线圈上加入了谐振电容，并且两个 LC 回路的固有谐振频率基本相同，当输入的激励频率与回路的固有频率相同时，便会产生谐振，线圈中产生交变电场和磁场，电能通过耦合线圈的作用进行传递。
电能的整个转换过程并不复杂，变化的电流将在发射线圈周围激发出交变磁场，通过两个线圈之间的耦合将电能传送到接收线圈上，在接收线圈上将会激发出同样频率的交流电，再通过整流电路变为直流电，将电能提供给负载消耗掉。本文在研究中输入端由直流稳压电源代替市电供电，负载由于只针对家用电器中的加热结构，只以交流电的形式输出，也没有使用整流桥。
第 3 章 无线电能传输系统的设计.............. 26
3.1 引言 ......................... 26
3.2 设计要求 .................... 26
第 4 章 系统的实验分析和研究 .............. 38
4.1 引言 ........................... 38
4.2 系统工作频率段的选取 ..................... 38
结 论............................ 50
第4章 系统的实验分析和研究
4.1 引言
在第 2 章和第 3 章中分别介绍了系统的传输原理分析和系统的整个设计过程，本章中将对构建的实验平台进行实验分析和研究，针对负载特性、水平移动等不同环境下的传输特性，主要分析在满足传输功率要求的前提下系统的传输效率如何，同时通过理论结合实验对系统做出适当的调整，使得系统能够最终实现稳定的工作和高效的传输。
4.2 系统工作频率段的选取
按照设计要求，系统工作频率只要满足?200kHz 即可。实际应用中，过高的频率会给周围环境带来电磁干扰，同时可能给人体带来难以估计的危害，所以应当尽量降低系统的工作频率。然而，在传输线圈之间的耦合程度较小时，只有通过较高的工作频率才能达到较远的传输距离和较高的传输效率，所以太低的工作频率又难以实现真正的应用。 在本节中通过实验来选择适合的工作频率段，再此只针对 700W 功率传输时分析。实验时系统参数如下：线圈输入的方波交流电幅值约为 308V，发射端线圈（带磁芯）的自感值为 326.8μH，电阻为 0.4，接收端线圈（无磁芯）的自感值为 90μH，电阻为 0.1。 负载选用的是大功率铝壳电阻，单个电阻承受最大功率 500W，阻值 10?，通过串并联连接使得实验的阻值为 70?，如图 4-1 所示。
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结 论
本文旨在研究一种用于家用电器的无线电能传输系统，系统的尺寸、工作频率、传输特性等都受到实际应用的限制。本文通过理论与实验结合，设计和研制出了合理的实验样机，并进行了相关的实验分析和研究，对本文主要研究内容和结果总结如下： 1、通过电路耦合理论对磁共振式无线电能传输系统进行了原理分析，针对实际应用选择了适合的电路拓扑结构，通过仿真验证了模型的准确性。 2、选择了发射线圈有磁芯、接收线圈无磁芯的结构，以及合适的工作频率范围，使系统达到了较高的传输效率。 3、对线圈有水平和垂直方向位移时的传输特性进行了实验分析。所建立的平台中，接收线圈具有较灵活的自由度。在垂直距离 5~8cm 时，系统传输效率较高。重点研究了水平方向位移时的传输特性，对于 700W 负载，在大部分水平范围内效率都在 80%以上。4、对 700W 到 300W 的不同功率负载进行了实验研究，并结合理论对不同负载时的效率特性作了分析。垂直距离为 6cm 时，针对不同负载，系统在整个水平范围内都能保证负载的额定功率，在大部分的水平范围内，传输效率如下：700W 和 600W 负载时效率为 80%，500W 和 400W 负载时效率为 75%，300W负载时效率为 70%。 5、对系统进行大功率传输时系统的稳定性进行了实验验证，结果表明，系统是能够长期稳定工作的。 要真正实现无线电能传输技术在家用电器上得到应用，本文还有许多需要进一步研究和完善的地方： 1、系统的电磁兼容和抗干扰能力需要有可靠的保障。几十 kHz 的交流电场和磁场对周围环境的影响有待解决，同时系统是否能够在外界干扰下可靠的工作需要进一步研究。 2、传输效率还需提高，系统的传输效率必须跟使用导线传输时的效率接近才有真正使用的价值，否则难以得到应用。
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参考文献（略）