篇一：无线电力传输系统
无线电能传输系统结构及工作原理
1无线电能传输系统结构
根据工作过程中初、次级绕组之间相对位置的不同存在方式，无线电能传输系统按结构可分为三类：分离式、滑动式（直线式）和旋转式无线电能传输系统，分别用于给相对于初级系统保持静止、滑动和旋转状态的电气设备充电。图2-1、图2-2所示是这几种系统比较典型的电磁结构示意图。
图2-1滑动式无线电能传输结构
图2-2分离式、旋转式无线电能传输结构
2无线电能传输系统的工作原理
与传统的变压器电能传输系统相比，无线电能传输系统耦合系数较小，所以增加磁能积利用率、减小体积、提高系统的功率传输能力是无线电能传输首先要考虑的问题。于是在设计无线电能传输系统时初级电路通常采用高频变流/逆变技术，使交流电压在较高的频率上工作。如图2-3所示为无线电能传输系统的工
作原理方框图，无线电能传输系统的基本结构包括：初、次级电路以及感应耦合电磁结构。初级交流电压经初级电路，由初级绕组与次级绕组耦合，次级绕组耦合得到的电能经次级电路供给负载使用，同时利用初、次级绕组还可以实现信号的双向传输。
图2-3无线电能传输系统工作原理方框图
系统工作时，在输入端将经整流、逆变的单相低频交流电转换成高频交流电流供给初级绕组。次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，若为直流负载，则将高频电流经过整流为负载电能传输；若为交流负载，则根据需要进行交交变频或交直交逆变处理。这种能量传输方式有以下优点：①没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传输能力不受环境因素，如尘土、污物、水等的影响。因此这种方式比起通过电气连接来传输能量，更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦；②系统各部分之间相互独立，可以保证电气绝缘；③能够采用多个次级绕组接收能量时可为多个用电负载电能传输；④变压器初、次级可以相互分离，配合自由，可以处于相对静止或运动状态，适用范围也更广泛。
篇二：无线电力传输系统
本科毕业论文（设计）
题
目
中短距离小功率
无线电力传输系统设计
指导教师
张军
职称
讲师
学生姓名
陈昂
学号
20091526102专
业
通信工程（无线移动通信方向）
班
级
2009级无线移动通信1班
院
（系）
电子信息工程学院
完成时间
2013年4月20日
中短距离小功率无线电力传输系统设计
摘
要
移动互联网的井喷式繁荣，移动互联设备（MID）层出不穷的涌现，电池技术瓶颈的限制已难以满足人们的用电需求；物联网的深入发展，越来越广泛的网络节点能量供给等都要求更为先进的无线能量传输技术的发展，尤其是中短距离中小功率的无线电能传输的发展。两者共同昭示着无线电能传输光明的未来。
本文对无线电能传输（WPT）做出了简要但系统的介绍，并对其中的微波输能技术(MPT)做出了深入的探讨，在此基础上建立起了中短距离中小功率无线电力传输系统模型，即为MPT-MDSP式系统的模型。这种系统是由发射和接收两部分组成，发射部分用声表面波射频发生电路将DC转变成RF并通过特制天线辐射出去，接收部分再通过接收天线接收RF能量，用整流电路将RF转变成DC，供应用电设备。
关键词
无线电能传输（WPT)/微波输能(MPT)/天线
MIDDLEDISTANCE&SMALLPOWER
WIRELESSPOWERTRANSPOTAION
SYSTEM
ABSTRACT
TheWirelessPowerTransportation(WPT)showsaoutstandingnecessityinourtoday`sdailylife.ForonethingTheMobileInternetdevice(MID)comesoutoneafteranotherbecauseofTheprosperityofMobileInternet.Thelimitationsofthetechnologybottleneckinbatterycapacitycannotfitpeople`srequirementinthesedevises.ForanothertheboomingofInternetofThingsbringslargequantityofnetnodes.Thesenodescannotbechargedeasily.However,WPTwillbethebestwaytosolvethisproblem.Especially,theMiddleDistance&SmallPowerWirelessPowerTransportationSystem(WPT-MDSP)willplaysagreatrolein
thesescopes.Inthispaper,ImadeabriefbutclearintroductionoftheWPT,andathoroughdiscussioninMicrowavePowerTransportation(MPT),whichwasusedtoleedtotheappliedsystemWPT-MDSP.Thissystemcontainstwoparts,theeradiationpartandtheReceivepart.ThefirstpartworksforchangingDirect-current（DC）
intoRadiofrequency（RF）,theotherdoestheconversework.Bothofthemaredesignedforexclusiveuse.TheyworkstogethertochargetheElectricalequipment.Keywords
WirelessPowerTransportation(WPT)/MicrowavePowerTransportation(MPT)/Antenna
目
录
摘
要
....................................................IIABSTRACT...................................................III
1无线能量传输概述
...........................................11.1研究背景及意义
........................................11.2研究历程及现状
........................................21.3无线输能的方式及比较
..................................31.4本文的主要内容及行文结构
..............................42中短距离小功率无线电力传输系统简述
.........................52.1WPT-MDSP系统定义
.....................................52.2MDSP系统发展状况
.....................................62.3MPT-MDSP系统的技术构成...............................62.3.1MPT系统组成和关键技术
.....................................2.3.2MPT-MDSP系统的技术构成
....................................3系统的发射系统设计
.................................................3.1微波源前端电路设计....................................3.2微波功率发射源设计....................................3.3发射天线设计
.........................................13.3.1天线的主要技术指标
........................................13.3.2433M八木定向天线设计
.....................................134系统的接收系统设计
................................................154.1接收天线设计
.........................................154.2负载匹配
.............................................15能量传输效率分析
..................................................25.1WPT-MDSP系统的能量传输效率研究方法..................205.2一种系统效率的分部研究法.............................26系统的优化升级方案构思
...........................................226.1系统体积的缩小
.......................................226.2系统能量传递效率的提升...............................236.3系统的智能化改进及安全性.............................23致
谢....................................................26参考文献....................................................21无线能量传输概述
1.1研究背景及意义
21世纪是信息、通信技术飞速发展的时代。移动互联技术如井喷式的发展：人与人之间的通信日臻完美；人与物，物与物之间的通信方兴未艾。一方面，已经发展起来的移动互联网已经很大程度上的优化着我们的美好生活，让我们随时随地，每时每刻都能与我们的亲朋好友进行着文字、图片、语音、视频各种交流，手指轻轻一滑，我们的欢声笑语便能传遍整个世界。另一方面，物联网似乎蕴含着更大的能量：我们所在意的植物能是会说话的，比如农场里的作物温度，湿度，CO2浓度等，都能通过无线传感网告诉我们。同样，我们所在意的动物，食物，建筑物，交通工具等等，都能通过无线传感网告诉我们他们的状态、“心情”。
前者的背后稍加抽象的思维我们便会发现这种大发展大繁荣主要源于两种革命式的变化：一是信号的无线化：从传统的有线电话，到现在的3G/WIFI/4G等的发展。二是，手持终端的无线化：从有线电话，到“大哥大”再到现在的手机甚至“平板手机”。现今人们的需求催生了高性能大屏幕的智能平板手机，但电池技术的瓶颈让我们不得不忍受电池电量不足的痛楚：如果我们能看惯一堆扯来扯去的电线，能适应一天至少冲一次电，那么出差的时候关机或者拿个备用机似乎也变得不可避免。能量能不能无线化传输呢？
后者的大发展当然也要一定程度的解决无限能量传递的问题，无线节点寿命如果只取决于电池的寿命的话，无线传感网的发展阻力将大大增加。物联网的发展大势所趋，无线节点的供电势必会推动无限能量传输的发展。
当然，能量可以实现无线传输。而且无线能量传输已经开始了较为广阔的应用，尽管我们并不常听闻。我国随着经济的快速发展，能源战略问题也日益突出。中国科学院在名为《中国未来能源战略咨询报告》中建议太阳能经济实惠，是解决中国乃至世界能源危机的最佳方式。早在20世纪50年代，美国等西方国家就开始了利用太阳能卫星将太空的太阳能转换成微波传输到地面，再转换成电能的无线输能研究。在军事上，如高空永久飞行通信平台，微型侦察机等卫星武器，还如条件恶劣地区的电力传输，以及电动汽车的供能等众多应用。所以，无线能量传输技术是一种潜在新兴的并且将会大有可为的技术。“他被美国《技术评论》评为未来十大科研方向之一”[2]。
1.2研究历程及现状
事实上无线能量传输有着年轻而又悠久的历史。年轻是因为他并没有成熟被大规模应用而为世人所熟知。但，他却有百年的历史！在这里不得不提这位“被遗忘的天才”尼古拉斯·特斯拉(Nikola·Tesla)。1890年，他做了无线电能传输的实验，利用地球看作似一个巨型的内导体，再利用环绕在地球表面的电磁波进行大规模无线[2]能量传输。历史上的通古斯大爆炸，传说便是他用这种方式产生的巨大能量。后来，因财力不足而实验失败，他的实验资料都被美国中情局尘封，而不为世人流传。此后关于无线能量传输的研究便中断了。
近代，直到20世纪60年代，无线电能传输才再次新兴起来。[3]1964年WilliamC·Brown研发出了将微波能转变成电能的硅整流二极管天线。1967年美国雷声公司和美国空军合作共同进行了世界上第一次电力微波实验，实验成功用微波向直升飞机提供足够的电力。1968年美国提出了上文所说的空间太阳能发电（SSP）的概念。1979年美国NASA和美国能源部共同提出了有重大意义的空间太阳能计划，并建立了SPS太阳能卫星基准系统。1994年科研工作者用微波将4KW的能量传输了42米之遥。1995年美国NASA建立起了250MW的（SPS）空间太阳能动力系统。2001年5月，法国G·Pignolet用磁控管方式的微波发射源点亮了40米外的200W电灯泡。2003年欧盟在留尼旺岛建立了一个2.45G频段的微波电能传输装置，为1Km外的格朗巴桑村进行了电能供应。[2]最近几年，世界和国内无线电能传输的发展如火如荼。尤其是在2007年6月，美国麻省理工学院（MIT）在该领域有了巨大突破，利用磁共振无线输电技术（ERPT），研制出的无线电能供应装置成功点亮相距大约2.1m远的60W电灯泡后[4]，我国的研究机构都给于了深刻的重视。在国外比如Powercast，英特尔，微软，摩托罗拉，苹果等公司都有很深入的研究。在国内青岛海尔集团，香港城市大学，华南理工，东南大学，上海大学，哈工大等院校也开始了一定深度的研究。2010年8月国际成立了无线充电联盟，并发布了QI无线充电标准，为大规模的商用拉开了帷幕。据估计2020年，无线电力传输的产业规模将达到500-1000亿。[2]
1.3无线输能的方式及比较
无线能量传输（WPT）经过百年的研究发展，大致形成了四种主要的方法。电磁感应的方式（ICPT），微波输能的方式(MPT)，磁耦合共振的方式(ERPT)，空间太阳能的方式(SPT)。
图1-1无线输能技术方式
ICPT(InductivelyCoupledPowerTransportation)电磁感应式无线电能传输，是一种古老的无线电能传输方式，追溯起来，早在特斯拉发明了变压器的时候就已经实现了。是以磁场为媒介，利用变压器耦合，通过初级线圈和次级线圈耦合产生感应电流，电能可以穿过非金属材料传输，从而实现无电气连接的能量传输。这种传输方式已经用到了我们生活中，除了变压器，还有电动牙刷，以及最近QI的无线充电标准，在电动汽车充电中的应用以及Lumia920、Nexus4等最新的几款手机中的应用。这种传输功率大，效率高但是传输距离很近，一般不超过10cm。
MPT(MicrowavePowerTransportation)微波输能技术，最早是由赫兹（1857-1894）提出的，他论证了电磁波可以在高压电弧产生经只有空间传播后能在接收设备商检测到的理论[1]，而后一直到1964年威廉姆·布朗（WilliamC·Brown）研发出了硅整流二极管天线后能将微波能转变成电能，将直流电能转化成了400W左[3]右的微波能，传输了7.4米，在接收端被接收到了104W直流电能。SPS（SolarPowerSatellite）的发展也是MPT发展很重要的一部分。上世纪70年代，美国、日本进行了大规模深入研究，以应对出现的能源危机，如上文所述。它是把直流电能转化成微波通过天线传输出去，然后经过整流天线，将微波能转变成直流能量的技术。在中国，1994年，由林为干首先引进微波输能的概念，[3]而后的研究也不很系统，主要分布在整流天线的方向上研究。但从国内外多年的研究来讲，是一种相对较成熟的技术了。
它可以进行中远程距离的能量传输，而且传输功率也可以有很大的范围，但是效率不很高，微波的危害还没有研究清楚，对人体和坏境的破坏还有待于深入研究。
ERPT（Electro-magneticResonantPowerTransportation）磁耦合共振能量传输技术，他是一种新技术，2007年美国MIT教授马林
·尔贾希克，做的两个共振线圈隔空输能将一个60W的灯泡在2米左右的距离内点亮的实验，然后将成果发表在了《科学》上开始的。MIT的学者认为，相同谐振频率的物体构成耦合共振系统可以很[4]高效率的传递能量，而对周围非同频率谐振的物体影响甚小。但也有人说是特斯拉实验的一种改进。即便如斯，这种技术100多年来也鲜有研究。一经发表，便在世界范围内产生了巨大的影响。日本东京大学，美国匹兹堡大学，华盛顿大学，英国哥伦比亚大学，中国香港理工，哈工大，东南，华工，浙大等院校都积极的开展研究。丰田的电动汽车充电系统，海尔的无尾电视，英特尔的“无限共振能量连接”都是基于这种技术的应用，一时占据着无线能量传输的最高位而风光无限好。当然，传输距离，线圈大小，谐振频率的控制等也有诸多待解决的问题。
SPT（SolarPowerTransportation）太阳能能量传输，当然，空间太阳能的传输可以利用MPT的SPS方式，也可以利用太阳能电池板的光电效应来实现能量的传递和转化。前一种方式归并到MPT，不再累述。后一种方式，太阳能受天气影响的不可靠性等原因使研究不多，这里也不深入。
表1WPT技术的四种方式比较
技术/项目
传输距离
传输功率
效率
ICPTMPTERPTSPT近/分米级
可近可远
中/米级
远/千米级
大/千瓦
可大可小
中/瓦
大/兆瓦
高
低
高
中
优点
功大效率高
距离远灵活
没有辐射
清洁新能源
缺点
距离短
效率低
距离短
应用范围
1.4本文的主要内容及行文结构
本文题目为《中短距离小功率无线电力传输系统设计》，主要内容是基于MPT方式的中短距离中小功率的无线电能传输,是针对于家用电器以及无线互联设备，比如平板电脑、手机等设备供电而进行的前期研究。主要包括，微波功率发生器，微波源前端电路设计，发射天线设计，接收天线设计，整流滤波电路设计。
全文分为6章。
第1部分，主要讲无线能量传输的一些基础知识。从整体上形成一个体系和清晰的概念。
第2部分中短距离小功率无线电力传输系统概述，主要是对基于MPT技术的我所设计的“二中”系统有一个清晰的定位和认识。以及在该系统中的关键技术。
第3部分发射系统的设计。包括微波发射源的设计，功率发射源控制电路的设计，发射天线的设计。是全文的重点章节。
第4部分接收系统的设计。包括接收天线的设计，整流滤波电路的设计，以及负载的匹配。
第5部分能量传输效率分析。
第6部分系统的优化升级方案。
最后还有本文的总结和展望。力求文章脉络清晰，研究资料翔实，研究方法可靠，语言通俗易懂
2中短距离小功率无线电力传输系统简述
2.1WPT-MDSP系统定义
中短距离小功率无线电力传输系统（WPT-MDSPS）是无线电力传输在中、短距离，中、小功率电子设备方面的应用。如在家用电器上的应用，在移动设备上的应用。本文所述系统试图针对手机、平板等移动互联设备的电能无线补偿。
2.2MDSP系统发展状况
从特斯拉建造了艾弗里铁塔，或者是发明出了交流发电机开始起，无线电能传输便拉开了序幕。如前所述，无线电能传输系统大都在空间域大功率能量传输的发展。但近几年，随着移动互联网爆炸式发展，移动互联设备如雨后春笋般的涌现。其本身的移动性，和对电池电量不断提升的要求，迫切的催生着无线电能传输在中短距离小功率方面的应用。
2007年马林
·尔贾希克，做的两个共振线圈隔空输能将一个60W的灯泡在2米左右的距离内点亮的实验后，磁耦合共振技术(ERPT)在无线能量传输上的应用如火如荼。尤其是在MDSP系统上的应用，迅速成为WPT技术中的新秀和宠儿。Intel、Apple、及国内的Haier等公司都开始了合作研究并推出了产品。马林
·尔贾希克和他的伙伴也成立了一家Witricity的风投公司，推动者这项技术的商用。2012年12月3日各大网站纷纷报道了“苹果公司最新公布的隔空充电年专利”[5]，一时众说纷纭，推测苹果会将项技术用于新一代的iphone上。其实这也不足为奇，2012年三星推出的GalaxyS和Note系列旗舰手机，诺基亚最新旗舰机Lumia920,谷歌Nexus4等最新一代的机皇大都配备有无线充电功能。而他们用的是Qi标准的电磁感应（ICPT）技术。“2010年无线充电联盟（WirelessPowerConsortium，WPC）于8月31日上午在北京钓鱼台国宾馆发布Qi无线充电国际标准”[6]，标志着该技术的成熟和商用。
更早，在马林
·尔贾希克得意的领着美国天才奖的时候，另外一家Powercast的公司已推出了一款似乎更为便捷的无线能量传输装置[7]，他用射频能量为周围1米左右的小功率用电器提供能量。而这家公司的产品技术和本文有着几乎相同的思路，但我不得不声明这是我知道这家公司之后才知道的。
2.3MPT-MDSP系统的技术构成
本文是基于MPT式的中小功率中短距离无线电力传输。
图2-1微波输能技术原理图
2.3.1MPT系统组成和关键技术
MPT系统涉及微波的多个研究领域，包括微波功率发生器、波束控制、接收天线、整流天线组阵技术、空间功结合”[3]。
MPT系统由三部分组成，第一部分：微波功率发生器，将直流DC变成微波能量RF。第二部分：发射和传播部分，将微波能量传播出去。第三部分：微波接收和整流部分，将接收到的微波能量RF，整流成直流DC。
图2-2MPT系统组成框图
2.3.2MPT-MDSP系统的技术构成
MPT-MDSP是MPT技术在特定方向的应用。本文就这种应用对MDSP系统作如下设计：
1、微波功率源：用433M声表面波晶振和功率放大电路发射出10W左右的433MHZ的微波能量。
2、发射天线：增益为12DB，阻抗为50欧姆的430MHZ八木定向天线。
3、接收天线：增益为20DB，阻抗为50欧姆的430MHZ的立体正方形天线。
4、整流电路：将接收天线的微波能量滤波，全波整流桥整流，稳压管稳压，得到电压3V左右的直流能量。
5、负载匹配：负载为LED红色灯珠，工作电压2.7~3.3V，功率1W。
3系统的发射系统设计
图3-1发射系统框图
3.1微波源前端电路设计
微波源的前端电路是一种将市电转换成低压稳定的直流电的电路。通信设备和多媒体设备的发展，这种技术已经十分成熟。各种品牌的手机充电器都是起到这样的作用。下面是全波整流型超力通CLT760A手机充电器电路，可以用作微波发射源的前端电路。其电路图3-2如下：
图3-2微波发射源的前端电路
它的工作原理是：
先将220V市电经过D1、D2、D3、D4桥式整流，输出200V
左右的直流电，再经变压器（T）初级线圈（L1）加到Q1的集电极，同时，另一路经启动电阻R2为Q1的基极提供一个偏置电压，使Q1导通。
这种充电器稍加改善便可作为MDSP系统微波发射源的前端电路，将输出额定电压设置为12V，输出额定电流为1A.输出功率为10W左右。
3.2微波功率发射源设计
在MPT系统中微波源通常用价格便宜，效率较高的磁控管。[9]而在MDSP系统
中，由于是中小功率，磁控管的功率太大，由安全性和实用性等方面考虑，选择了大功率射频功率放大电路。该微波功率源，采用433MHZ的声表面波（SAW）谐振器，然后经功率放大器，产生功率433MHZ,10W左右的微波能量。其电路图3-3如下：
图3-3SAW谐振器型振荡电路原理图
该电路为共基极电路,其起振条件为:
（1）
上式中,Pce为晶体管TR1的集电极回路接入系数,RP
为输出回路的谐振阻抗,
hfe为晶体管TR1的电流放大倍数,hie为晶体管TR1的输入电阻。”[10]
对于SAW谐振式振荡器,双边带相位噪声/载波比可以近似的表示为：
（2）
然后，选择功放管，设计两级功率放大电路，以及合适的电阻，电感，电容，选频网络。在电路输出端发射出10W左右433MHZ微波能。
3.3发射天线设计
3.3.1天线的主要技术指标
由绪论中几种无线电能传输技术的比较可知，MPT方式其效率是较低的，而其提升效率的关键就在天线技术的提升，所以天线技术在该系统中处于十分重要的地
位。
天线的馈电点阻抗：
天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。它具有电阻分量Rin和电抗分量Xin.即:
Zin=Rin+jXin
(3)
天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线阻抗计算或者说匹配问题，是一项很复杂的问题，甚至是个课题，有一系列计算方法，在这里就不详细论述了，只用“经典等效传输线法”[11]为例介绍其计算方法：
等效传输线法是将长度为2L，半径为a的圆柱导体的对称振子等效长度为L，特性阻抗为Zc，传播常数为v的有损耗均匀开路线，如图4所示。根据传输线理论，输入阻抗的计算公式如下：
式中传播常数：
相位常数为：
衰减常数为：
（6）
（5）
（4）
（7）
其中：
（8）
（9）
（10代入上述公式，根据传输线理论可近似得出天线的输入阻抗为：
（11天线的方向和增益：
天线从方向上可分为全向天线和定向天线，全向天线就是每个方向都有辐射，辐射呈球形，每一维方向它的能量密度都相同。而定向天线，是只朝着指定的方向辐射，其不同方向的辐射强度不同。它的方向可由方向图5画出。
图3-5天线方向图
天线的增益是指在输入相同功率的条件下，实际的天线与理想中的辐射单元在空间中相同一点处的信号其功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度[12]。天线增益与天线方向图有密不可分的关系，天线方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线增益越高。天线增益其实就是用来衡量一个天线朝某个特定方向接收和发射信号的能力。天线的增益可由公式计算：
G=10Lg(P2/P1)
(12)其中P2,是定向天线在该点处的功率密度，P1是全向天线在改点处的密度。
天线的极化方式：
天线的极化是由天线辐射最大的方向的电磁波中磁场方向定义的[12]。分为水平极化，垂直极化，椭圆极化，双极化等。一对收发天线其单极化方式要相同。
3.3.2433M八木定向天线设计
“八木宇田天线”，简称“八木天线”。”[13]具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。得到了广泛的应用。
它的设计可由八木天线计算软件完成，输入频率为天线频率433MHZ；选用12单元高增益定向天线，单元铜管直径选6.4mm；左边一行数据是单元振子长度，右边一行数据为振子间距。其长度单位点击转换公制后为厘米。
其操作方法和个部分的作用如下图6所示：
图3-6操作方法和部分作用
振子的长度，以及各振子见距通过计算数据如下图7所示：
图3-7振子长度
4系统的接收系统设计
图4-0接收系统设计框图
4.1接收天线设计
系统的接收天线可以设计成“430MHZ立体正方形天线”[14]。立体正方形天线是环形系列的天线，因其频率为433MHZ故其波长短，天线也容易制作。以下是该种天线的制作方法：如图4-1所示：在正方形的环状天线上加上反射器，成为立体的定向阵列天线。
图4-1在环状天线上加上反射器
图4-2是433MHZ带宽天线整体直观图：
图4-2天线直观图
如表二所示：是制作该天线所需原材料，制作的时候稍加注意其精度，以求满足430MHZ左右的频带。
表二：制作该天线所需原材料列表
材料
参数
数量
铜棒
塑料管
3P接线板
主杆U型夹
同轴电缆
胶带
攻牙螺丝
直径1~2mm长1m
VP-13长30m
接线片
TV用
50欧姆系列
3mm*6mm
2根
2根
2120cm
一卷
2个
如图4-3所示：在塑料管上用电钻钻孔，用攻牙螺丝固定元件，孔应该稍小一点。孔钻完后安装接线板和主杆U型夹。
图4-3吊杆加工尺寸
照图4-4示，将铜棒用钳子折弯。
图4-4元件加工尺寸
如图4-5所示，一面稍稍折弯接线板的端子，一面将元件插入，再焊接。焊锡要充分附着，掌握合适的温度，以焊接牢固。这焊接部分成为其它原件的支点，注意不要包焊或者焊接不牢。
图4-5元件的固定方法
这种天线是平衡供电型，故在与不平衡同轴电缆之间安装转换器。
图
4-6陷波转换器的制作法
最后将转换器焊在辐射器的供电部，便安装完成。精心制作，该天线的FB能达到20db。便能用之收机发射端的电磁波，并用馈线传递到整流滤波稳压电路输入端。
滤波整流稳压电路设计
滤波整流稳压电路，先是将天线馈线输入的高频电流，经过声表滤波器，将433MHZ的微波滤出，输入下一级整流电路。如图4-7。
图4-7声表面波滤波电路
这是一种专用于高频电子线路整流滤波的特殊电路，通过用大电容和大电感对整流后所得到的直流电信号进行平波，最后得到波形较平滑的直流电。[15]如图4-8所示
图4-8高频整流滤波电路
4.2负载匹配
测试输出端的电压、电流，配备合适的负载。本文提供一种负载，即红色LED灯珠，其规格如图：4-表三：红色LED灯珠
一些参数
光谱参数
峰值波长
447.3nm质心波长
499.9nm中心波长
437.0nm半波宽
22nm色晶坐标（x,v）
0.322,0.340色晶坐标
(u,v)
0.199,0.317显色指数
71.2光电参数
点亮电流
5.0m3预热时间
500ms测试电流
350mA正向电感
3.47V光通量
90898.6nlm光效率
74.944n/w光功率
280.5080mw
图4-9灯珠实物
5能量传输效率分析
5.1WPT-MDSP系统的能量传输效率研究方法
WPT-MDSP系统的能量传输效率可以有多种不同的研究方法。比如研究系统发射频率和效率的关系，绘制出频率效率特性曲线；研究系统发射和接受间的距离和效率之间的关系，绘制出距离效率曲线；研究系统各部分的效率以及构成系统后的整体效率等多种研究方法。
5.2一种系统效率的分部研究法
如第二章所述MPT-MDSP系统分为三个部分。第一部分：微波功率发生器，将直流DC变成微波能量RF。第二部分：发射和传播部分，将微波能量传播出去。第三部分：微波接收和整流部分，将接收到的微波能量RF，整流成直流DC。各部分及各部分的传递效率如图5-1所示：
A第一部分系统效率为η1B第三部分系统效率为η3图5-1各部分的传输效率
第一部分系统效率为η1，它主要有微波源电路决定的，在MPT系统中通常用磁控管，DC-RF的转化效率能达到75%。本文如前所述，用声表面波功率放大器，实验表明其效率在46%左右。
第二部分系统效率为η2，微波在大气中传递具有很强的穿透性，基本上是无损
耗的，Degenford等人在反射波束导波系统的实验表明，传递效率η2与D、A1、A2、和λ有关。
（5.1）
如果发射天线口径分布为高斯型，τ=2.4，λ=4mm。此时
η2=99.63%。
第三部分系统的效率为η3，它分为两个组成部分，一是接收天线的效率η4，另一是整流效率η5。
图5-2η4有赖于天线的优化设计，若整流天线负载为RL，负载得到的电压为VD，则整流天线效率为：
（5.2）
（5.3）
η5由整流晶体二极管的参数，阻抗匹配，直流负载等因素决定的。
则第三部分系统效率：
（5.4）
η3=η4·η5（5.5）
整个系统的能量即是DC-RF-DC的能量转化传递过程，故系统的能量传递效率为：
η=η1·η2·η3（5.6）
在本文中WPT-MDSP系统整体的传递效率DC-RF-DC-负载，整体上能量传递效率为12%。
6系统的优化升级方案构思
6.1系统体积的缩小
如文章三、四章所述，无论是发射天线还是接收天线都是有些庞大的，而在无线移动设备上，尤其是接收端，系统的大小是至关重要的。
在研究该系统时发现有一种整流天线，体积很小，贴片式的，能够做到微波的接收滤波整流的功能。
如电子科技大学王鲁豫等设计的微波整流器[16]，如下图6-1所示：
图
6-1微波整流器
中国科学院电工研究所
孔力、邓红雷等设计的一种接收整流天线[17]。如图6-2所示：
图
6-2一种整流天线
上海大学杨雪霞等设计的高效圆极化整流天线[18]。如图6-3所示：
图
6-3整流天线
如果上述技术能够应用到WPT-MDSP系统中来，接收端的体积可以大大减小，可以设计出比较理想的接收系统。由于笔者能力的限制，关于整流天线的设计还在学习之中，所以本文所述的系统还只用了传统的天线和整流电路。
6.2系统能量传递效率的提升
MPT系统一个突出的缺点就是整体的能量传输效率不高，本文所述MPT-MDSP也有同样的问题。前文实验数据表明该系统的能量传输效率只有12%，而这个数据与节能减排，低碳经济的能源战略思想是有出入的，这也同样是该系统一个至关重要的问题。
系统能量传输效率的提升可以从系统的发射部分，系统的接收部分以及整个系统的匹配三部分入手。发射部分，一方面提高DC-RF的转化效率，可以从优化射频电路和改变微波发射源的角度改进；另一方面，发射天线的优化，在兼顾安全的基础上尽量提高能量密度，或者改用“天线阵”[19]的技术。接收部分，一方面提高接收天线的增益[21]，另一方面提高整流电路的整流效率。整个系统效率的提升还可以改进天线之间的匹配，天线与负载的阻抗匹配等方面。
6.3系统的智能化改进及安全性
系统的智能化改进，主要是对不同接收设备的智能识别，不同设备不同输出功率的智能控制，接收设备的位置定位，发射天线的跟踪等几方面的改进。
同时，微波对自然界的污染以及对人类自己的伤害越来越引起了人们的关注，国际电子电器工程师协会（IEEE）、国家辐射防护测量委员会，已经推荐出了一些非官
方的指导方针，用来限制射频对人体能量的限制。
科研工作者投入了大量的精力，用来研究电磁照射剂量的安全范围。美国联邦通信委员会（FCC）规章中包含了职业的以及普通人群的照射环境。如下表4，表5所示。
表4职业的辐射剂量范围（MPE限值）
频率范围（MHZ）
电场强度(V/m)磁场强度(A/m)功率密度(mW/cm2)0.3~3.03.0~3030~300300~15001500~100006141842/f61.4------1.634.89/f0.163------100900/f21.0f/300566666平均时间(min)
表5普通人群的辐射剂量范围（MPE限值）
频率范围（MHZ）
电场强度(V/m)磁场强度(A/m)功率密度(mW/cm2)0.3~1.341.34~3030~300300~15001500~1000061482427.5------1.632.190.073------100180/f20.2f/15001.03030303030平均时间(min)
我国对于电磁辐射也有自己的标准，在这里就不一一累述。只要产品在这样的标准内，相信不会对人体带来很大的伤害。正如我们所熟知的，每个人都每种生物都生活在微弱的电磁场环境之中，它们主要来源于太阳及雷暴活动，而这种微弱磁场我们已经适应。
总结与展望
本文对无线电能传输（WPT）做出了简要但系统的介绍，并对其中的微波输能技术(MPT)做出了深入的探讨，在此基础上建立起了MPT-MDSP系统的模型。这种系统是由发射和接收两部分组成，发射部分将DC转变成RF并通过特制天线辐射出去，接收部分再接收RF能量，将RF转变成DC，供应用电设备。
当然本文所建立起的这个系统模型是不完美的，甚至是不完善的。在体积和效率上都显得笨拙和粗糙，但结果是可行的，是可以再深入研究进行改进的。在无线能量传输愈发火热的今天，对这种技术系统的分析和创新性的探讨是很有意义的。一方面这种技术还不成熟，各国的研究也刚刚起步，以后的发展有很大的空间；另一方面贴近生活，研究成果可以广泛的应用于生产生活之中。青岛海尔集团超前技术研究中心估计未来5到10年，无线电力传输这一新兴产业将达到上千亿元的产业规模。不仅如此，正如无线通信的发展一样，相信无线电力的发展将会极大的改变当今我们的生活方式。期盼着一个没有电缆羁绊的无线电力时代的到来！
致
谢
本文的完成，导师张军老师给予了诸多关键恳切的指导意见，在此致以真心的敬意。张老师是一位平易近人，真挚热忱一位人。他对同学们关心关爱，对待教学孜孜以求，不辞劳苦。多年来受益匪浅，感谢老师悉心教诲。
感谢父母多年来对我学习的支持和关心；感谢老师给与的真诚帮助和悉心教诲；感谢四年来相互帮助，共同进步，一起度过美好青春时光的同学们；感谢小正太在彼此失落彷徨的时候相互提携；感谢向强在奋斗的时候相互鼓励；感谢我们三人团相濡以沫，感谢我们四人帮一起犯二；感谢王某贴心的爱。
谨以此文致给我即将逝去的青春。
参考文献
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2012:83-89
篇三：无线电力传输系统
第１５卷第１３期２０１５年５月 科学技术与工程 Ｖｏ１．１５ Ｎｏ．１３ Ｍａｙ ２０１５ １６７１—１８１５（２０１５）１３—００７７—０６ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＠２０１５ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
基于特斯拉线圈的无线电力传输系统 牟春阳 李世中 梁国强 （中北大学机电工程学院，太原０３００５１）
摘要针对家庭中用电导线逐渐增多的问题，设计了以特斯拉线圈为核心的无线电力传输系统。系统以特斯拉线圈为无 线电力发射装置，接收装置采用与电力发射端产生磁共振的形式实现无线电力传输。实验表明，基于该系统的电力接收部分 在靠近电力发射天线１０～２０ ｅｍ的位置，接收功率最大可达几十瓦，在离发射天线ｌ０～１５ ｍ的位置，接收功率可达零点几瓦。
所以，在１０—１０ ｍ范围内满足家用电器的基本用电要求。
关键词特斯拉线圈 ＴＭ７２４；
无线电力传输 磁共振 Ａ 导线 中图法分类号文献标志码随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，不 但使人们未来的生活有望摆脱手机、相机、笔记本电 脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒 店多种场所提供的无线电力；而且可用于一些特殊 场合。在无线电力传输中，最看好的是特斯拉线圈，因为这种线圈不但可以无线发射电力，也可以无线 接收电力。基于特斯拉线圈的无线电力传输系统，是将发射端线圈与接收端线圈振荡频率调整至相 同，便可以使发射端与接收端发生谐振，这样，便可 使发射端与接收端进行交互能量 。基于特斯拉 线圈的无线电力传输系统传输电力，不需要电线，一 个功率为几千瓦的特斯拉线圈可以随意将电能输送 到几十米之外，可以让在家中的每个用电器都能在 家里的任意位置，任意时间都能用上方便省事的 电能 。
国内外的研究现状和发展趋势，２００２年，重 验室成功地将８００ Ｗ电力用无线的方式传输到５ ｍ 远的距离 。
现在利用电磁耦合的电力传输方式已经在一些 小功率的电子产品、家用电器中得到了应用，在 ２０１０年１月７ １３国际消费电子展上推出世界上首 台不用电源线、信号线、网络线的“无尾电视”，可见 在不久的将来，电力无线传输会实现。
１总体设计方案 基于特斯拉线圈的无线电力传输系统设计考虑 的最基本要素是将用电器与市电电插座之间的输电 导线去掉，加入无线电力发射器和无线电力接收 器 。无线电力发射器将市电电能升压之后，通过 整流滤波得到电压较高的直流电，再将电压较高直 流电通过ＬＣ电路时高压直流电变为高频的交流 电，最后发射端再用一个空心共振变压器做发射天 线将高频交流电转换为高频强磁场，并且天线将高 频强磁场发射出去 。电力发射部分的原理图和 电路图如图１和图２。
１—１ｒ— ｒ———１／，Ｉ—— ｆ一——］
Ｉ市电升压 Ｉ… 整流滤波 发射端震荡 电自隧换与发 部分 厂＿］，１
部分 厂＿ １电路部分ｒ
一
庆大学开始对非接触式电能传输技术的基础理论及 工程应用进行研究＿３．４
Ｊ，并成功研制了一套电动汽 车无接触供电系统。东南大学自２００６年在无线能 量传输方面也进行相关的研究工作，并提出了电场 耦合的光电机技术，以及磁耦合谐振式无线能量传 输系统功率调频控制技术、电动汽车无线充放电与 电网互动技术等一系列关键技术 。２００７年６月，美国麻省理工学院研究团队实现了在短距离内的无 射部分 ＼一＼一一一／＼一 ／｜
图１ 电力发射端原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ 线电力传输。在６ ｆｔ（约１．８３ ｍ）之外连将６０ ｗ的 灯泡点亮了 ’。Ｊ。２００８年９月，北美电力研讨会发 布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实 ２０１４年１２月２９日收到 无线电力接收器天线和接收端电容构成接收端 的Ｌｃ电路，电力接收ＬＣ电路的震荡频率将与发射 天线发射出的高频强磁场的频率相同，即产生磁共 振，从而接收端以较少的损耗接收并将磁场转换为 第一作者简介：牟春阳，女。硕士研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：６１０４４０６０５＠ ｑｑ?ｃｏｎ。 电能。最后将高频电通过变频或者整流滤波直接供 给用电器使用 Ｊ。电力接收部分的原理图和电路 图如图３和图４。
７８
科学技术与工程 ｌ５卷 电能转换与发射 整流滤波部分 发射端震荡电路部分 ｃ １ ＩＩ
＜ ／ ＿ 《Ｎ
Ｌ４
魂 页电子管初级线圈 次级线圈 ＜ 压二 ， 电感 图２电力发射部分电路 Ｆｉｇ．２ Ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
Ｊ＿
ｊ＿
效电流为 ，那么每一个变压器的输入功率为 Ｕｉ
（Ｗ），若在每一个变压器上的次级线圈上的电 流为，２，因为次级线圈为串联，则串联之后的电流 图３电力接收端原理图 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｎｄ 还是，２。因为每一个变压器在输入为Ｕ。 的条件下，２电力发射部分 ２．１市电电压的升高 输出有效值为Ｕ ，则次级线圈串联后输出电压有 效值为２Ｕ 。每一个变压器的输入功率为Ｐ，由于 输出的电流不变，而电压变为原来的２倍，则升压后 的总体输出功率为２Ｐ。理想条件下，单个变压器的 ｌ１ Ｔ
变压器的种类有很多，但要满足特斯拉线圈的 功率关系式为 。
＝ ，２，即厶＝ Ｕｆ】ｌ】１
。在普通 正常工作，则必须要求变压器能将电压升到２ ０００ Ｖ 以上；如果要满足部分家用电器的用电要求，则变压 器的功率不低于８００ Ｗ，并且体积小，能满足在比较 恶劣的条件下长时间稳定工作。经检测在我们日常 微波炉变压器的输入电压为Ｕｉ ＝２２０ Ｖ，单个输出 电压为Ｕ ＝２ ０００ Ｖ，所以，经过市电升压之后，输 出电压为Ｕ。
＝４ ０００ Ｖ，输出电流１２：０．４ Ａ，输 出功率Ｐ。 ＝１ ６００ Ｗ。
生活中的微波炉变压器比较合适¨…。
用两个升压变压器，将变压器的输入端并联，将 输出端串联，若输入电压为 ，若每个输入端的有 电能接收转换部分 ＼ｌ， ，２．２初级升压的整流滤波 整流滤波部分的电路设计，采用了将升压后的 高压电通过由４个耐压值为１２ ｋｖ的高压二极管组 用电器 整流滤波部分 ．二Ｉ＝
ｌ Ｄ２
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一．
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（接受天线、）
（＝ －＿＇Ｃ１ＡＰ ）
厂 Ｄ４ Ｄ５
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受管高压 二极－＿－＿＿＿＿—
Ｃ２
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图４电力接收部分电路 Ｆｉｇ．４ Ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
篇四：无线电力传输系统
篇五：无线电力传输系统
专利内容由知识产权出版社提供专利名称：无线电力传输装置以及无线电力传输系统专利类型：发明专利发明人：柳成汉,李在璇,金泳鲜,郑载勋,朴云圭申请号：CN201580057829.8申请日：20151026公开号：CN107112806A公开日：20170829摘要：本发明涉及一种无线电力传输装置，其通过磁场以无线方式向至少一个无线电力接收装置传输电力，其特征在于，具备：用于产生磁场的送电部、阻抗匹配部以及用于控制所述阻抗匹配部的控制部，所述阻抗匹配部具有：多个第一电路，由电容器或电感器构成，串联连接于所述送电部；多个第二电路，由电容器或电感器构成，并联连接于所述送电部；匹配电感器，与所述第二电路串联连接；多个开关，分别配置在所述第一电路以及所述第二电路上，对其进行开闭。申请人：LS电线有限公司地址：韩国京畿道国籍：KR代理机构：北京鸿元知识产权代理有限公司更多信息请下载全文后查看
篇六：无线电力传输系统
专利内容由知识产权出版社提供专利名称：一种无线电能传输系统专利类型：发明专利发明人：李孟,杨文财,李帅旗,卢佳纯,翟悦廷申请号：CN201911113602.7申请日：20191114公开号：CN111064498A公开日：20200424摘要：本发明公开了一种无线电能传输系统，包括：电能接收单元和电能发射单元，所述电能接收单元存储有标识号，所述电能接收单元设有输出接口；所述电能发射单元存储有标识号，所述电能发射单元存储有输电曲线模板，所述电能发射单元用于包括：根据所述标识号得到特征参数，并根据所述特征参数和输电曲线模板得到输电控制程序，以所述输电控制程序来改变所述电能接收单元的输出。通过在电能发射单元存储输电曲线模板的方式，使得本无线电能传输系统可以使同一电能发射单元灵活地对不同类型的电力负载进行高效输电，适用于不同的应用场景。本发明主要用于无线电能传输技术领域。申请人：镓能半导体(佛山)有限公司,佛山华玉股权投资合伙企业(有限合伙)地址：528251广东省佛山市南海区桂城街道宝石西路1号C时代南海互联网产业载体2座综合办公楼7楼706号国籍：CN代理机构：广州嘉权专利商标事务所有限公司代理人：蔡伟杰更多信息请下载全文后查看
篇七：无线电力传输系统
（19）中华人民共和国国家知识产权局
（12）发明专利申请
（21）申请号
CN201510002202.4（22）申请日
2005.07.2（71）申请人
JC科技技术株式会社;安东大学校产学协力团
地址
韩国庆尚北道
（10）申请公布号
CN104659931A
（43）申请公布日2015.05.2（72）发明人
李炯周
（74）专利代理机构
北京京万通知识产权代理有限公司
代理人
齐晓静
（51）Int.CI
权利要求说明书
说明书
幅图
（54）发明名称
中继器系统及无线电力传输系统
（57）摘要
一种中继器系统，其配置于用于产生电磁
波的电磁波产生源与从所述电磁波产生源接收电力的接收机之间，其中，所述中继器系统包括：第一中继器，邻近所述电磁波产生源而配置；以及第二中继器，与所述第一中继器相隔开，所述第一中继器具备第一感应线圈以及连接于所述第一感应线圈的第一电容器来构成第一共振电路，所述第二中继器具备第二感应线圈以及连接于所述第二感应线圈的第二电容器来构成第二共振电
篇八：无线电力传输系统
无线电力传输技术的大体原理与应用前景
摘
要：
无线电力传输是一种传输电力的新技术，它将电力通过电磁耦合、射频微波、激光等载体进行传输。这种技术解除关于导线的依托，从而取得加倍方便和广漠的应用。本文就无线电力传输的进展历史和大体原理做了一些介绍，并对其以后可能的应用做了一些探讨。
关键词：
无线电力传输技术
电磁感应
射频
原理与应用前景
1.引言
自17世纪人类发觉如何发电后就用金属电线来四处传输电力。时至今日，供电网、高压线已遍及全世界的角角落落。在工作和生活中，愈来愈多的电器给咱们带来极大便利的同时，不知不觉各类“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增。只是，这些年的科技进展说明，在无线数据传输技术日趋普及之时，科学家对无线电力传输（WirelessPowerTransmission，WPT）的研究也有了专门大冲破，从某种意义上来讲，无线电力传输也再也不是空想——在以后的生活中摆脱那些纷乱的电源线已成为可能。
2.无线电力传输的进展历史
19世纪末被誉为“迎来电力时期的天才”的名尼古拉·特斯拉（NikolaTesla，1856—1943）在电气与无线电技术方面作出了突出奉献。他1881年发觉了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年发明多相交流传输及配电系统；1889—1890年制成赫兹振荡器；
1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍普遍用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采纳高频电流的电动机，但由于效率低和对平安方面的忧虑，无线电力传输的技术无冲破性进展［１］。1901—1905年在纽约周围的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，假想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。
2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW实验型微波输电装置，已开始以频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。
2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其利历时仍然要将产品与充电器接触。
2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于电话快速充电。
2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。
2020年9月，北美电力研讨会发布的论文显示，他们已经在美国
内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。
2020年10月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能够开始充电。
3.无线电力传输的大体原理
电磁感应——短程传输
电磁感应现象是电磁学中最重大的发觉之一，它显示了电、磁现象之间的彼此联系与转化。电磁感应是电磁学中的大体原理，变压器确实是利用电磁感应的大体原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的大体原理如图1所示，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。假设线圈L1中通已交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或给电池充电。
电磁耦合共振——中程传输
中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100khz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100khz时，电磁波即能够在空气中传播，而且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输
能力的高频电磁波称为射频（即：RF）。将电信息源（模拟或数字）用高频电流进行调制（调幅或调频），形成射频信号后，通过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一进程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签，等等，实现效率较高的无线电力传输。
具体来讲，整个装置包括两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并非向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。图2是一个典型的利用电磁共振来实现无线电力传输的系统方案。电磁波的频率越高其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。
微波/激光——远程传输
理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。因此，能够利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这关于新能源的开发利用、解决以后能源欠缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（SpaceSolarPower，SSP）的概念。其构思是在地球外层空间成立太能能发电基地，通过微波将电能送回地球。
4.无线电力技术的应用前景
无线电力传输作为一种先进的技术一样应用于特殊的场合，具有普遍的应用前景。
给一些难以架设线路或危险的地域供给电能
高山、丛林、沙漠、海岛等地的台站常常碰到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地址的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电，无线输电可补充电力不足。另外，无线输电技术还能够给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、砍木的机械人供电。
解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题
我国的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充沛且存在大片荒芜土地，南方部份地域水力、风力资源丰硕，这些地域有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地域人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭当中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采纳无线输电技术，还能够把核电站建在沙漠、荒岛等地。如此一方面便于埋葬核废料，另一方面当电站运行发生故障时也能够幸免对周围动植物的大量损害和耕地的污染。
传送卫星太阳能电站的电能
所谓卫星太阳能电站，确实是用运载火箭或航天飞机将太阳能电池板或太阳能聚光镜等材料发送到赤道上空35800km的地球静止同步轨道上。在太空的太阳光线没有地球大气层的阻碍，辐射能量十分稳固，是“取之不尽”的干净能源。而且一年中有99%的时刻是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍［３］。在那里利用太阳能电池
板把阳光直接转变成电能，或用太阳能聚光镜把阳光汇聚起来作为热源，像地面热电厂一样发电。如此产生的电能供给微波源或激光器，然后采纳无线输电技术将大功率电磁射束发送至地面，接收到的微波能量经整流器后变成直流电，由变、配电设施供给用户。
无接点充电插座
随着无线电力技术的进展，一些小型用电设备已经实现了无线供电。如：电动牙刷、“免电池”无线鼠标、无线供电“膜片”/“垫”等。无线供电“膜片”/“垫”是一种家用电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡、小型电机、电话、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件、乃至是植入式医疗器件等供电。
给以微波发动机推动的交通运输工具供电
此刻大部份交通运输工具燃烧石油产品，其发动机叫做柴油发动机、汽油发动机等。与此类比，以微波作为能源推动的发动机叫做微波发动机。微波是工作频率在—300GHz的电磁波，不能直接用它来驱动电动机，因为要设计出在如此高的频率下工作的发动机超级困难。若是思路加以改变，把微波能量转变成直流电流的整流器，那么微波就能够够直接作为交通工具的能源了。煤、石油、天然气的存储量有限，而日消耗量庞大，总有耗尽之日，到那时卫星太阳能电站可望成为能源供给的骨干，通过无线输电技术就能够够直接把微波能量输给交通运输工具。
在月球和地球之间架起能量之桥
世界人口的不断增加和地球资源的日趋耗尽，太阳系中其他星球的开发利用是人类一直以来的夙愿。月球是地球的天然卫星，其上资源丰硕，地域辽阔，是第一要开发的星体。以后人类对月球的利用主若是移民和资源获取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太阳能电池的原料。若是先在月球上成立起工厂，然后把太阳能电站直接建在月球上，比起建在地球静止同步轨道上要容易些，借助于微波束或激光束把电能发送到地球。
5.结语
随着无线电力传输技术的不断进展与成熟，不但令人们以后的生活有望摆出电话、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒店多种场所提供的无线电力，而且可用于一些特殊场合，如人体植入仪器如心脏起搏器等的输电问题、新能源（电动）汽车、低轨道军用卫星、太阳能卫星发电站等。活着界经济迅速进展的今天，节能和新的、可再生能源的开发是摆在能源工作者眼前的首要问题。太阳能是取之不尽、用之不竭的干净能源。除核能、地热能和潮汐能之外，地球上的所有能源都来自太阳，建造卫星太阳能电站是解决人类能源危机的重要途径。要将相对地球静止的同步轨道上的电能输送的地面，无线输电技术将发挥相当重要的作用。从久远来看，该技术具有潜在的普遍应用前景。可是，每一种无线传输方式，都有一系列问题需要解决，如电能传输效率问题，电力公司如何收费和计费，能量传输所产生的电磁波是不是对人体健康带来危害，等等。不
管如何，一旦这项技术能够普及，就会给人们的生活带来庞大的便利。
参考文献:
［1］白明侠，黄昭.无线电力传输的历史进展及应用［J］.湘南学院学报，2020，31，（5）：51-53.
［2］刘永军.无线电力传输技术：制造以后空间神话［J］.中国电子商情（基础电子），2020，11：70-75.
篇九：无线电力传输系统
无线电力传输系统的发展与展望
摘
要：由近期无线输电的发展来看，微波无线输电
的成功实验有效推动了太空太阳能发电领域的进步。无线输
电技术受到世界各国的普遍重视，正式因为人类伟大的发明
和创造能力，才能推动科技的不断进步。尽管在无线输电技
术的发展道路上必然会存在各种需要攻破的难题，但正是因
为前景的广泛性，才推动我们不断探索，相信无线输电技术
在未来能有长足的发展。
关键词：无线输电；磁耦合谐振；太空太阳能
1.
无线输电技术发展背景
第二次工业革命后，人们迈入电气时代，电力广泛地应
用于工业生产与社会生活中，极大地促进了经济的发展和提
高了人们的生活水平。现如今在日常生活中，我们随处可以
见到电力系统的输电线路，但在新闻报道中我们也会听到有
关于废弃电线杆以及过密输电线路给城市美观造成的不良
影响，甚至老化的输电线路由于摩擦、磨损和部分裸露的问
题，导致很容易产生接触火花，严重影响到供电系统的安全
性和可靠性，同时给整个用电系统的正常运行也造成了极大
的隐患。同时无线通信技术作为一个全新的科学技术在迅猛
的发展，拜托有形的介质的束缚，实现传输的目的，在信号
传输方面已经取得很大进展，如果能量即电能也可以像信号
那样不再依靠于介质，从而实现非接触的电能传输，这一技
术在科技革命
中也应运而生。
[1]国内外在无线电能传输这方面展开了深入的研究，也取
得了很大进展，但是还有很多问题尚未解决，无线电能传输
理论有待突破，传输功率和效率有待提高等。
提出并研究无线输电的新原理，这不仅减少了输电导线，实现了环保的要求，并且解决了回路输电中存在的一些问题，最重要的是无线电力传输系统大大提高了输电的方便性，为
电力系统的发展提供了新的契机。
2.
无线电能传输发展
早在
1889年无线电之父尼古拉
?特斯拉就提出了无线输
电的想法，并在实验室内对无线传电技术进行开发与研究，即将低频高压电流转化为高频电流，在仅有空气作为媒介的情况下来输电。在
1891年
7月
30日
35岁的特斯拉在纽约
的休斯顿街的实验室用机电振荡器进行了机械共振实验，这
一实验使周围的一些建筑物产生了共振，由于实验的危险性，他被迫强拆自己的房子来终止实验，但期间他在纽约一些地
方无线点亮了那里的电灯，为无线传输的可能性提供了证据
2006年麻省理工学院科研小组首次提出磁耦合谐振式
无线电能两传输技术的理论，其通过最尖端的技术可以利用
“谐振式电磁感应”将无线电力传输到三公尺，隔空点亮了
60瓦的灯泡，超过三公尺距离就点不亮了，超过十公尺就没
电了。
2007年
8月，在日本召开的“无线电源革命研究会
-单
元小时之日”研究会上，专家们着重讨论了无线电能传输发
展的前沿动态及研究现状，他们语言：无线电能传输时代即
将到来。
2009年
8月日本长野无线公司宣布开发出了基于磁共振
的无线充电系统，可以确保短距离内较高的输电效率。
日本东京大学
TakehiroImura课题组针对
kHz至
GHz频带内不同点的电磁耦合谐振式无线电能传输系统进行了
建模与仿真，并对螺旋线圈谐振器的传输效率与相对位置之
间建立函数关系和实验研究。
2015年
3月
8日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）
声明，其研究人员利用微波，将
1.8千瓦电力以无线方式，精准地传输到
55米距离外的一个接收装置。
[1]2015年
3月
12日，日本三菱重工也宣布，科研人员将
10千瓦电力转换成微波后输送，其中的部分电能成功点亮了
500米外接收装置上的LED灯。这也是迄今为止日本在国内
成功实验中距离最长、电力最大的一次。
由近期无线输电的发展来看，微波无线输电的成功实验
有效推动了太空太阳能发电领域的进步。这一技术需要雄厚
的技术支持和实验研究作为基础，又由于其广阔的应用领域
和广泛的应用前景，无线输电技术受到世界各国的普遍重视，正式因为人类伟大的发明和创造能力，才能推动科技的不断
进步。
3.
无线电能传输展望
作为一个新兴的理论，无线电能传输自
出现之日就备受
关注，同时国内外的相关学者在此方面都展开了积极的研究，这也证明了无线电能传输发展的重要性和必要性，侧面的反
映了无线电能传输的实用价值性和经济价值。
假若我们在不破坏环境的前提下，在陆地上将无线输电
的发射器和接受器与我们所处的自然环境相融合，在无介质
的情况下将电能有方向性的进行传输，这将会解决一系列电
力系统中现存的一些问题。
从国内方面来看，无线输电技术对我国这样地理环境复
杂的能源大国来说就像一道曙光，照亮经济发展的道路。我
们可以利用无线输电技术作为中转，将人烟稀少、地形复杂、施工困难的西部地区的太阳能资源输送到便于架线的地方
后，将接收到的电能投入电网使用。又例如我国南方部分地
区，水能、风能资源丰富，但这些地区的地势地形对电力系
统的构建造成很大困扰，这时候无线输电便派上了用场。
大的方面来看，由于地球上的人口在不断增长，地球上
的自然资源也在不断被消耗，人类在通过各种途径开发新的能源，当我们把目光从地球转向地球外的世界时，神秘广袤
的宇宙中蕴含着无穷的能量，太空中的光能资源可谓异常充
足，因为其完全不像在地球上那样受到昼夜、阴晴和季节的变化，我们可以在太空建一座太阳能发电站，同时还可以利
用月球上丰富的SiO2资源，制造太阳能电池，将太阳能电站
建在月球上，然后借助无线电能传输技术将电能发送到地球。
[2]尽管在无线输电技术的发展道路上必然会存在各种需
要攻破的难题，但正是因为前景的广泛性，才推动我们不断
探索，相信无线输电技术在未来能有长足的发展。■
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.[2]
王秩雄，胡劲蕾，梁俊，王长华
.无线输电技术的应
用前景
[J].空军工程大学学报，2003，4（1）：
82-04.
篇十：无线电力传输系统
电力系统中无线电能传输的技术探析
摘要：现阶段随着经济社会的进步与发展，电力系统运行中的无线电能传输技术越发收到广大社会群体的关注。这篇文章先是简要叙述电力系统中无线电能传输技术的应用现状，随后具体探究电力系统中无线电能传输的关键性技术。
关键词：电力系统；无线电能传输；技术探究
电能之所以可以被广泛的应用其主要是依托于电力系统运行中的线路，但是由于各个线路之间相互交叉，其在具体的工作过程中经常会出现一些安全性故障，严重时甚至会影响国民的生活与生计。因而，在电力系统运行中运用无线电能传输技术就变的尤为重要。
一、电力系统中无线电能传输技术的应用现状剖析
第一，电磁感应无线电能传输技术。通常来说，电力系统中的变压器其供电线圈主要在铁芯上进行围绕，致使其供电过程中经常会出现系统供电不便捷等情况。因此，为了增强电力系统中供电的灵活性与便携性，大部分人员都会采用相同质地的材料对变压器周边的边绕组间进行替代。就当前电力系统中来看最为常见的非接触型电能传输就是电磁感应式无线电传输技术。总体来讲，此类非接触性的电能传输主要是依靠电磁感应系统中的耦合技术和现代化电力系统控制技术才得以有效实现的。运用电磁感应电能传输技术，可以有效避免电能传输过程中接电火花和导体外露现象的出现，逐渐降低电能传输过程中的危险性，使电能可以安全高效的进行传输[1]。
从技术性方面来说，电磁感应无线电传输技术较为成熟，其不仅可以在电力系统电传输功率上进行改革创新，还可以进一步增强其传输的安全性和高效性。但其由于电能传输的功率较低且可传输电能范围较短，故一般都要将二者进行紧密贴合且只可应用于局部的电能传输中。也就是说，此类电能传输方式其本质上是将电流从线圈导入使其产生直通变化，并利用耦合原理在线圈上激起感应电动势，从而达到电能传输的目的。
第二，近磁场振式无线电能传输技术。现阶段随着经济社会的进步与发展，国民的生产生活与电力系统之间有着紧密而不可分割的关系。根据调查与分析后发现，当前在电力系统传输过程中最先进的技术就是近场谐振技术，换句话来讲也就是说电场E的强度与电荷之间存在着一定的反比例关系，随着电场E与电荷之间距离的增加，其电场E的强度也会逐渐削弱。通常而言，高次方成分与电荷形状、布局、内在复杂性等诸多要素之间有着紧密的关联，加之高次方在某种程度上来讲也会间接影响近场的构成。换言之，近场、高次方成分、电荷分布以及形状这几者之间都有着紧密的内在联系且互为依托。根据相关数据分析结果表明：电荷之间的位置越相近其高次方的成分也就相对越高。同时，天线内在的电荷作为构成电磁波的重要组成部分，其受时间因素的影响致使近场的高次方不会传播到太远的位置。因而，天线周边的介质将与电磁波的磁场和电场无诸多关联，以此减轻各个线路之间的干扰，加强其稳固性和提高通讯系统的传播效率[2]。
第三，辐射式无线电能传播技术。辐射式无线电能传播技术在具体工作开展过程中主要是依靠定向化的天线技术来接收和发送微波束能量。其通常依据整流技术和高科技的接收能力在接收端进行长距离的无线电能传递。但就现阶段的实际情况而言，将此类辐射式无线电能传播技术运用在生活之中还是有所局限性的，仅可以被应用于太空中太阳能的发射与传送，用天线将其进行有序的转换，并发射至其他基站，使其可以变成能量造福于广大社会群体[3]。
二、简析电力系统中无线电能传输的关键性技术
第一，近场天线。经过相关技术人员的探究与分析后发现，电力系统中无线电能传输时内部的线圈会逐渐构成相应的磁场，进而防止高方磁场的外向化辐射。当接收线圈与发射线圈之间的距离较近时会形成相应的磁场耦合现象。其与传统电磁感应的电能传输技术相比，会有更高的灵活度且工作效率较高。根据电磁场理论将辐射天线的尺寸进行相应的限制后可以发现这二者之间仍旧存在着一定的正比例关系，当天线的尺寸变大后无线电能的传播界限也会变大。故相关人员在进行相关设计时需要严密考量天线的尺寸，以此提高电能传输的速度和效率，保证其稳固性[4]。
第二，微波源。磁控管：通过对以往电磁场数据记录中不难发现，磁控管最高连续波的记录为25kW；放大链发射设备：总体来说，放大链发射设备的工作效率与磁控管二者之间并没有较大的差距，其二者的主要区别在于放大链必须要借助于多层级别的射频放大器才可以开展放大工作，单独则不可以放大；射频放大管：现阶段市场上广为流通与应用的射频放大管主要有三极管、四级管、速调管等几大类别，速调管在几者之中的工作效率最高，其平均功率为25-50kW。固态微波放大器：固态微波放大器中的单个固态器件功率都较小，在具体的工作过程中经常会出现内部器件转换速度过慢等现象。因而，现阶段的微波源在工作效率与工作功率上都难以满足电力系统的实际诉求[5]。
第三，微波接收整流设备。现阶段市场上广为流传与应用的微波接收整流设备主要以硅整流二极管天线为主。其主要是由天线与高频整流电路构成的，工作效率和功率都较高。此类技术通过无线电能技术可以使电能的传输变得更加灵活且便利，为今后电力系统的升级垫下坚实的基础。
三、电力系统中无线电能传输技术应用存在的问题
现阶段在电力系统中应用无限电能传输技术主要面临以下问题有待解决：第一，无线传输的距离过远，难以在远距离内进行电能的传送，这就需要有关技术人员加大科技创新力度和研发力度，创造出可以具有远距离覆盖特点的近场天线和定向天线。第二，微波能量与电能量之间的转换效率过低，难以满足现阶段电力系统运行的经济性诉求。
四、电力系统中无线电能传输技术的未来发展趋势
第一，无线电能在智能家居领域的应用。现阶段随着经济社会的发展和科学技术的进步，智能家居已经不再是遥不可及的，而智能家居的关键与核心就是利用无线电能传输技术来为智能化家居用品提供充足的电能，促使其高效的开展工作。
第二，无线电能在电动汽车领域的应用。无线电能的传输技术是保证电动汽车电源充足的关键与前提；与此同时，智能电网中运用无线电来充电还可以进一步改善电网之间的互动化局面。
第三，无线电能在医疗领域的应用。通常来说，诸如心脏起搏器、假体植入等医疗设备体积较小，可以利用无线电能传输技术为其提供源源不断的电源。将其运用在医疗设备中具有以下几点优势：通过直接性的物理化连接来避免感染现象的出现；植入性设备可以避免实体线路连接而产生意外性事件的发生概率；无线电能传输技术削弱设备之间的摩擦，使其具备可靠性与安全性。
结语：
虽然科学信息技术的进步与社会的发展使无线电能传输技术与我们之间的距离变得更近一些，但是其在具体的运用过程中仍旧存在一些问题有待解决，与理
想化运用尚有一段距离。
参考文献：
[1]王奉献，张献，杨庆新，等.无线电能传输智能控制系统研究[J].广东电力，2018，31（11）：59-65.[2]杨琳，张镇，梁振艳.无线电能传输技术研究与应用[J].广东电力，2018，31（11）：15-23.[3]冯天旭，王智慧，孙跃，等.采用三维偶极线圈的无线电能传输系统多自由度拾取机构[J].电力系统自动化，2018，42（23）：99-104.[4]周斌，谭林林，解蕙茹，等.三线圈结构的无线电能传输系统优化设计与分析[J].广东电力，2018，31（11）：92-99.[5]袁李君，王晶晶，陈国东，等.基于模糊控制的无线电能传输系统最优效率点跟踪方法[J].广东电力，2018，31（11）：52-58.