2.1 磁耦合谐振器无线电能传输原理与特性

2.1.1 磁耦合谐振器无线电能传输原理

磁耦合谐振器分为发射侧和接收侧，通过发射线圈谐振回路和接收线圈谐振回路进行能量传输。任何两个电磁系统在相隔一定的距离下都会产生耦合现象，但由于距离、耦合和谐振频率等因素，使得其传递电能的效率很低。如果发射线圈和接收线圈工作在谐振状态，具有相同的谐振频率，此时发射侧和接收侧的回路阻抗为阻性，可以实现最高的传输效率。

磁耦合谐振器如图2-1所示，图中包括发射线圈L₁、接收线圈L₂、发射侧补偿电路、接收侧补偿电路，u₁为发射侧传输输入交流电压，u₂为接收侧传输输出交流电压。

图2-1 磁耦合谐振器组成

磁耦合谐振器可以通过近场理论进行分析。电磁辐射由辐射源产生交变磁场，这个交变磁场按性质分为感应场和辐射场，感应场的电场滞后于磁场90°相角。从能量上看，感应场的电磁振荡中，磁能与电能相互转换能量，并不对外辐射，而辐射场的能量则脱离辐射体向外辐射。感应场和辐射场按照距离辐射源的远近程度又称为远区场和近区场，两个场都存在辐射体的周围。远区场的特点是场强与距离成反比，在距离辐射源n个波长后，只需要考虑辐射场。与远区场相比，近区场比较复杂。根据近场的特性，电磁共振式这种能量传输方式的作用距离可按式（2-1）进行估算，能量传输的最大距离近似为近区场的最大作用距离，即

式中，λ为波长；c为光速；f为传输线圈谐振频率。设传输线圈谐振频率为10MHz，由式（2-1）可以得到能量传输距离大约为4.78m。一个电感和电容组成的辐射源，随着远离辐射源的距离增加，电场强度与磁场强度将不断降低，其降低的形式非常复杂。经过对不同辐射源的测量表明，在距离辐射源大约λ/2π的地方，辐射场和感应场的强度相等，距离继续增加，感应场就迅速削弱。一般来说，小电流高电压的辐射体，其电场远大于磁场；大电流低电压的辐射体，其电场远小于磁场。电磁共谐振式无线电能传输系统即借助了具有非辐射特性的电磁场近场特性。在近区场电场完全被抑制，磁场被作为能量交换的介质。在负载需要能量的情况下，能量通过磁场传递，在负载不工作期间能耗为零，并不向外辐射能量。

2.1.2 磁耦合谐振器无线电能传输特性

磁耦合谐振器是非线性多参数交叉影响的耦合系统，任意一个参数的改变或偏移都有可能对系统的传输特性产生影响。磁耦合谐振器的特性涉及频率特性、距离特性、能效特性等几方面。

1．频率特性

传输频率是影响磁耦合谐振器传输效率的关键因素之一，频率特性主要表现为系统的传输频率与谐振器的谐振频率之间的关系，只有在传输频率与谐振器的谐振频率相同的条件下，能量才能被最有效地传递。传输频率与谐振器谐振频率相同的条件也就是传输系统处于共振状态，若偏离共振状态，则能量传输会被较大幅度的衰减或者几乎不能被传递。因此系统的传输频率必须与谐振器的自谐振频率相同时才能实现能量的高效传输，其中任意一个频率不同都会导致系统工作效率的降低，因此在电磁共振式无线电能传输系统的设计中，要解决好系统传输频率的跟踪问题。

频率分裂是电磁共振式无线电能传输系统的一个重要现象，当谐振器耦合程度逐渐增强到某一临界值时，频率分裂现象即会出现，一般将出现频率分裂时的耦合点定义为临界耦合点。当耦合系数继续增大时，基于传输效率最优的谐振频率将会分裂为两个极大值点。频率分裂会导致系统在固有谐振频率处的传输性能显著下降，因此在传输系统设计时要考虑这些问题。

2．距离特性

根据磁耦合谐振器无线电能传输原理，系统谐振频率是影响传输距离的最直接因素，谐振频率越高，发射的磁场越强，传输距离越远。传输距离是影响电磁共振式无线电能传输系统谐振器耦合程度的主要因素之一，传输距离的改变会影响耦合系数的大小，也有可能导致频率分裂现象的发生。随着传输距离的增加，电磁共振式无线电能传输系统由过耦合阶段过渡到欠耦合阶段，系统频率分裂现象消失，同时，随着传输距离的增加，系统的传输效率逐渐降低。因此，电磁共振式无线电能传输系统在中远距离下进行电能传输时，频率分裂现象一般不会出现，而带来的新问题是系统传输效率与负载接收功率的急剧衰减。通常采用提高系统谐振频率、减少谐振器自身损耗以及负载阻抗匹配等方法进行改善。

3．效率特性

磁耦合谐振器的效率特性主要表现为传输频率影响特性、谐振器耦合影响特性以及负载匹配影响特性。一般情况下，提高传输线圈的共振频率，增大传输线圈间的互感，减小传输线圈的内阻是提高系统传输效率的主要方法。由于趋肤效应的原因，共振频率的提高会使线圈内阻变大，因此共振频率并非越大越好。