特斯拉线圈与无线电力传输要点

特斯拉线圈与无线输电

摘要：美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉在1891年发明特斯拉线圈，主要用来生产超高电压但低电流、高频率的交流电力。为更好地解释特斯拉现象，我们做了特斯拉闪电实验。现在特斯拉线圈被很多爱好者用来制作绚丽的人工闪电，其最重要的应用之一就是可以用来实现无线输电。无线输电是可实现供电体与用电体之间的非物理接触而进行能量传输的一种模式。无线输电技术不仅在实际生产生活中应用前景巨大，利用无线输电可减少电线的使用，从而降低生产成本，增加生产过程安全性，如减少电线使用一定程度上降低火灾发生几率。本文就特斯拉线圈和无线电力传输的基本原理做了一些介绍，并对其未来可能的应用做了一些探讨。

关键词：特斯拉线圈高频振荡无线输电应用前景

引言：19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的名尼古拉·特斯拉在电气与无线电技术方面作出了突出贡献。他1891年发明高频变压器( 特斯拉线圈) ，现仍广泛用于无线电、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用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线力传输的技术无突破性进展。1 9 0 l —1 9 0 5 年在纽约附近的长岛建造Warden．clyfe 塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输到世界上任何一角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。特斯拉有生之年没有财力实现这一主张。后人从理论上完全证实了这种方案的可行性，证明这种方案不仅可行，而且效率极高，对生态安全，并且不会干扰无线电通信。

若无线充电技术可实现，电池、电线等将逐渐被无线取代，这将大大缓解由

电池、电线带来的环境、能源问题，如应用到医疗救援事业——心脏起搏器，病人无需为更换“心脏起搏器”而动手术，可直接进行无线输电；若生命探测机器人可进行无线充电，那么它就可长时间不间断进行搜救工作，使其工作效率大大提高。如应用在军事方面——间谍机器人可进行无线充电，无需担心供能问题，长时间持续工作便可实现。至于家庭应用方面，通过无线充电则可克服很多麻烦如手机充电线，电脑充电线等。总之，无线输电技术普及，将有益于提高人类的生活水平。

1. 特斯拉无线输电的发展现状：

国外对无线电能传输技术的研究较早，早在20世纪70年代中期就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20世纪90年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突破研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供破。

1995年1月，美国汽车工程协会根据Magne-chargeTM系统的设计，制订了在美国使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准———SAEJ.1773[4]。

通过对近年来国外无接触功率传输理论与实验的研究成果发现，目前无接触功率传输的研究绝大部分是近距离传输方面的研究，国外对带气隙的变压器模型的理论分析和应用设计已有不少成果，且有部分成果已经得到了实际应用，而对于远距离的无接触功率传输的研究，国外直到近几年才有相关实验成果的报道。如美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授及其团队在2006年用所谓的“电磁共振原理”成功将2.13m外的60W的灯泡点亮。2008年9月美国内华达州的雷电

实验，日本也研究出远距离室成功的将800W电力无线传输到5m远的距离，提供30W功率的实验装置。

2.2 国内研究现状

国内在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007年2月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术。

国内科技企业在无线输电研究方面也有较快进展。2010年1月，海尔在第四十三届国际消费类电子产品展览会上推出全球首台无尾电视。

2.特斯拉线圈原理：

特斯拉线圈是利用电路谐振进行能量变换的高压发生装置。它的工作原理与普通变压器有较大不同。普通变压器的耦合系数K 一般接近于1，所以初级和次级电压基本成比例关系;而特斯拉线圈的耦合系数一般都小于0.3，工作时，两级电压比例是随时间变化而变化的，不成线性关系。下面先来看看特斯拉线圈的主体结构：

特斯拉线圈的主体部分包括：升压充电回路、初级谐振回路和次级回路；初级谐振回路由初级线圈、主电容、打火器构成。次级谐振回路次级线圈和放电顶端构成，电容和电感的数值可根据实际制作而定。但最关键的是两回路的谐振频率要相同。

特斯拉线圈的工作过程：电源要先给主电容充电，当电压达到打火器的放电阀值时，打火器间隙的空气电离打火，近似导通，建立初级谐振回路，通过振荡向次级回路传递能量。次级回路随之振荡，接收能量，放电顶罩的电压逐渐增大，并电离附近的空气，‘寻找’放电路径，一旦与地面形成‘通路’，‘闪电’也就出现了，如果没有‘闪电’，几个(次数主要与耦合系数有关)周波后，初级回路能量释放完毕。较大部分的能量都转移到次级回路上，一部分能量损耗在回路上。次级回路继续振荡，并反客为主，带动初级回路振荡，以相同的方式把刚才得到的能量还给初级回路。但又一部分能量损耗在回路上，如此反复（见原理演示图），直到损耗掉大部分能量。打火器两端电压和电流都不足后，打火器等效断开，由外部电源继续给主电容充电。充电过程要比放电过程长得多，大概在3~10 毫秒左右。所以特斯拉线圈放电频度都在每秒100 次以上，也使肉眼看上去为连续放电效果。原理演示图如下：

上面这张形象地描述了特斯拉线圈工作时的能量传递过程，为了更进一步

了解变化的快慢，下面从波形仿真角度来看看电压的变化过程：

进一步放大比较：

模拟以上波形的各项参数：

L1=11uH, C1=230nF; L2=60mH, C2=42pF; 主电容工作电压：V=10KV 耦合系数：K=0.14; 谐振频率：f=100KHz;

实物参照图：

3.利用特斯拉线圈原理实现小型无线输电实验

3.1 总体设计

无线供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路5 部分组成，系统框架如下图所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100KHZ，才有足够的电磁辐射。

3.2 高频振荡电路设计

用CMOS 电路六反相器CD4069 的晶体振荡电路CD4069 构成的两种晶体

振荡电路如图（2）所示

3.3 功率放大器的设计

电路如图（3）所示场效应管属于电压控制元件，是一种类似于电子管的三极管，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有输入阻抗高，输入功耗小，温度稳定性好，信号放大稳定性好，信号失真小，噪声低等特点，而且其放大特性也比电子三极管好，图（3）功率场效应管电路中三个电阻R1、R2、R3 并联接到场效应管的栅极G，前级的高频振荡电路也接到G；原级S 直接接地；漏极D 接LC 振荡电路，其谐振频率和前级的高频振荡频率相同。

3.4 发射、接收线圈电路流程图4 如下所示

发射模块接收模块

发射和接收线圈都采用直径0．5ram左右的漆包线绕12 匝，线圈直径约为80r。发射模块的作用是将直流能量高效率地转换为射频功率信号，以便接收电路能够充分利用能量接收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理的模块。为了满足实际应用的需求，需要将接收到的射频信号进行整流、滤波、降压以及稳压处理，处理之后的直流电压方可供其他负载使用。该模块主要包括整流电路以及降压电路。

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般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景。

4.1 给一些难以架设线路或危险的地区供应电能

高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地方的边防哨所、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。此外，无线输电技术还可以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、伐木的机器人供电。

4.2 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、日照充足且存在大片荒芜土地，南方部分地区水力、风力资源丰富，这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地区人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭之中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采用无线输电技术，还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。这样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可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。

4.3 传送卫星太阳能电站的电能

所谓卫星太阳能电站，就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影响，辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源。并且一年中有99%的时间是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍。在那里利用太阳能电池板把阳光直接转变为电能，或者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。这样产生的电能供给微波源或激光器，然后采用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。

4.4 无接点充电插座

随着无线电力技术的发展，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、手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件、甚至是植入式医疗器件等供电。4.5 给以微波发动机推进的交通运输工具供电

现在大部分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，以微波作为能源推进的发动机叫做微波发动机。微波是工作频率在0.3—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非常困难。如果思路加以改变，把微波能量转变为直流电流的整流器，那么微波就可以直接作为交通工具的能源了。煤、石油、天然气的存储量有限，而日消耗量巨大，总有耗尽之日，到那时卫星太阳能电站可

望成为能源供给的主干，通过无线输电技术就可以直接把微波能量输给交通运输工具。

4.6 在月球和地球之间架起能量之桥

世界人口的不断增长和地球资源的日益耗尽，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，其上资源丰富，地域辽阔，是首先要开发的星体。未来人类对月球的利用主要是移民和资源获取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太阳能电池的原料。如果先在月球上建立起工厂，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，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。在世界经济迅速发展的今天，节能和新的、可再生能源的开发是摆在能源工作者面前的首要问题。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至关重要的作用。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，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否对人体健康带来危害，等等。不管怎样，一旦这项技术能够普及，就会给人们的生活带来巨大的便利。

参考文献：

1.冯慈璋、马西奎：《工程电磁场导论》，高等教育出版社2000版。

2.杨拴科、赵进全：《模拟电子技术基础》，高等教育出版社2010版。

3.杨建国、宁改娣：《电子技术实验指导书》，西安交通大学出版社。

4.张克农、宁改娣：《数字电子技术基础》，高等教育出版社2010版。

5.王锡凡：《电气工程技术》，西安交通大学出版社2009版。

6.中国科协学会学术部：《无线电能传输关键技术问题与应用前景》，中国科学技术出版社2012版。

7.Admin,《电磁感应与耦合融合的无线输电》，文章出自中国CN期刊在线投稿联盟。

8.(美) 玛格丽特．切尼《被埋没的天才：科学超人尼古拉·特斯拉》，陈璐译，重庆出版社2010版。

9.《特斯拉线圈制作》、《特斯拉线圈原理》、《无线输电技术原理》，文章出自百度文库。

10.《特斯拉线圈》，文章出自百度百科。