磁耦合谐振式无线充电系统功率输出特性与匹配电路设计
磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计
磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计
一、实验目的：
研究磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率及影响因素。
二、实验器材：
1.无线电能传输系统主要器件：发射端和接收端线圈、电容、电阻、谐振电路；
2.发射端电源和信号源；
3.接收端负载电阻、直流电压表；
4.实验仪器：示波器、信号生成器。
三、实验原理：
四、实验步骤：
1.搭建发射端和接收端线圈、电容、电阻和谐振电路的结构；
2.给发射端线圈接入电源和信号源，在示波器上观察是否能产生高频电磁场信号；
3.给接收端线圈接入负载电阻，并用直流电压表测量输出电压；
4.调节信号频率，观察输出电压的变化；
5.测量不同频率下的输出电压大小，并记录；
6.根据测量结果，绘制输出电压与频率的关系曲线；
7.改变发射端和接收端之间的距离，重复步骤3-6，观察输出电压的
变化；
8.根据测量结果，绘制输出电压与距离的关系曲线；
9.改变发射端和接收端线圈的尺寸，重复步骤3-6，观察输出电压的
变化；
10.根据测量结果，绘制输出电压与线圈尺寸的关系曲线；
11.分析实验结果，探讨传输效率与频率、距离、线圈尺寸的关系。
五、实验注意事项：
1.实验时需保证线圈与电容及电阻之间的连线正确；
2.实验时应注意观察信号源和示波器的显示，避免高频电磁场对其他
设备造成干扰；
3.实验时需小心操作，避免触摸电源线或其他高压部件。
六、预期结果：
1.通过实验数据得出输出电压与频率、距离、线圈尺寸之间的关系曲线；
2.分析曲线，得出传输效率与频率、距离、线圈尺寸的关系；
3.得出优化磁耦合谐振式无线电能传输系统的方向，以提高传输效率。
基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计
基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种通过磁场耦合方式实现电能传输的无线电能传输技术。
与传统的无线电能传输技术相比，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有高效率、高安全性、低辐射等优点，在很多领域有着广泛的应用前景。
本文将对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行分析与设计。
首先，磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本原理是通过谐振腔和共振线圈实现能量的传输。
谐振腔和共振线圈之间通过磁场耦合，实现了能量的传输。
谐振腔是发射端和接收端都必须具备的，谐振腔内的电磁场能量被传输到共振线圈中，再通过共振线圈传输到接收端。
谐振腔和共振线圈的谐振频率需要匹配，以实现高效率的能量传输。
在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时，首先需要确定传输的距离和传输功率的需求。
传输距离的长短决定了系统的工作频率和设计参数的选择，传输功率的需求决定了系统的功率放大器的设计。
其次，需要进行谐振腔和共振线圈的设计。
谐振腔的设计主要是确定谐振腔的形状和尺寸，以及谐振腔的谐振频率。
谐振腔的形状和尺寸可以根据实际应用场景进行选择，谐振频率需要与共振线圈的谐振频率匹配。
共振线圈的设计主要是确定线圈的匝数和长度，以及线圈的电感值。
接下来是功率放大器的设计。
功率放大器是用来提高传输功率的装置，通常采用放大器来实现。
功率放大器的设计需要考虑放大器的频率响应、增益和功率效率等参数。
由于谐振腔和共振线圈是通过磁场耦合进行能量传输的，所以功率放大器的输出需要采用谐振腔和共振线圈的输入端进行耦合。
最后是系统的控制和保护。
在实际应用中，磁耦合谐振式无线电能传输系统需要具备良好的控制和保护功能。
控制功能可以通过监测传输功率、输出电压和电流等参数实现，保护功能可以通过过流、过压和过温等方式实现。
综上所述，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计主要包括传输距离和功率需求的确定，谐振腔和共振线圈的设计，功率放大器的设计，以及系统的控制和保护。
磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计
磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计无线电能传输是一种通过电磁场传输能量的技术，已经在无线充电和电力传输等领域得到应用。
磁耦合谐振式无线电能传输系统是一种高效、稳定的无线电能传输方式，本文将详细介绍其设计。
首先，我们需要设计传输系统的基本结构。
磁耦合谐振式无线电能传输系统由两个主要部分组成：发送端和接收端。
发送端由电源、谐振电路和电磁辐射装置组成；接收端由谐振电路、整流电路和负载装置组成。
在发送端，电源提供电能给谐振电路，谐振电路通过调节谐振电容和谐振电感的数值来产生与接收端谐振频率相匹配的电磁场。
电磁辐射装置将电磁场辐射出去，以传输能量。
在接收端，谐振电路接收到发送端辐射出的电磁场，并与发送端的谐振频率相匹配。
整流电路将接收到的电磁能量转换为直流电能，供给负载装置使用。
为了实现高效的能量传输，需要对谐振电路进行精确的设计。
首先，需要通过计算确定发送端和接收端的谐振频率。
谐振频率的计算公式为：f=1/(2*π*√(LC))，其中f是谐振频率，L是谐振电感，C是谐振电容。
通过调节谐振电容的数值，可以精确控制谐振频率。
另外，谐振电路中的谐振电感可以通过螺线管或变压器等电感元件来实现。
电感元件的选择需要考虑到频率范围和能量传输效率等因素。
同时，为了增加能量传输的效率，可以采用功率放大器来提高传输功率。
功率放大器将发送端的电能转换为电磁能量，并将其放大到适合的功率水平。
为了确保安全性，还需要考虑电磁辐射的控制。
可以使用屏蔽罩或改变电磁场的辐射模式来减小电磁辐射范围。
此外，在实际应用中，还需要考虑传输距离和传输效率等因素。
在设计过程中，可以通过试验和模拟来进行优化。
总之，磁耦合谐振式无线电能传输系统是一种高效、稳定的无线电能传输方式。
通过精确设计谐振电路和选取合适的电感元件，可以实现高效能量传输。
同时，需注意对电磁辐射的控制，以确保系统的安全性。
磁耦合谐振式超导无线电能传输的性能研究
磁耦合谐振式超导无线电能传输的性能研究磁耦合谐振式超导无线电能传输的性能研究引言：随着科技的不断发展，能源传输成为人们关注的热点问题之一。
无线电能传输作为一种新兴技术，吸引了广泛的关注和研究。
磁耦合谐振式超导无线电能传输是一种有潜力的技术，具有较高的能量传输效率和较远的传输距离。
本文旨在通过对磁耦合谐振式超导无线电能传输的性能进行研究，为其在实际应用中的推广和发展提供参考依据。
一、磁耦合谐振式超导无线电能传输的原理磁耦合谐振式超导无线电能传输是利用物理现象中的磁耦合和谐振效应，通过特殊设计的共振装置，在发射端产生电磁场，使其与接收端的共振元件相互耦合。
通过调整共振频率和传输距离，实现高效的无线电能传输。
二、磁耦合谐振式超导无线电能传输的优势1. 高能量传输效率：利用超导材料的特性，减少能量传输过程中的能量损耗，提高能量传输效率。
2. 较远的传输距离：磁耦合谐振技术能够实现能量在距离较远的情况下的传输，大大提高了传输的便捷性和适用范围。
3. 环境友好：相较于传统的电线传输方式，磁耦合谐振式超导无线电能传输具有无线、无污染、无辐射等优势，对环境更加友好。
三、磁耦合谐振式超导无线电能传输的性能研究1. 共振频率调整对传输效率的影响：研究发现，共振频率与传输效率密切相关。
适当调整共振频率可以提高能量传输效率，但频率过高或过低都会导致能量损耗增加，降低传输效率。
2. 传输距离对传输效率的影响：研究发现，在一定范围内，能量传输效率与传输距离成正比。
然而，随着传输距离的增加，能量传输效率会逐渐降低，需要进一步优化装置和技术，提高传输效率。
3. 超导材料对传输效率的影响：超导材料是磁耦合谐振式超导无线电能传输中的关键因素之一。
选择合适的超导材料可以提高能量传输效率和传输距离。
目前，高温超导材料是研究的热点，能够在相对较高的温度下实现超导，提供更好的传输性能。
四、磁耦合谐振式超导无线电能传输的应用前景1. 无线电能传输领域：磁耦合谐振式超导无线电能传输技术具有高效、远距离和环境友好的特点，有望替代传统的电线传输方式，广泛应用于无线电能传输领域。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统是一种使用磁耦合谐振式传输能量的技术。
在该系统中，电能通过主共振腔中的高频振荡电路产生，并通过磁耦合传输到副共振腔中。
主共振腔和副共振腔之间通过磁耦合进行能量传输。
为了实现高效的无线电能传输，需要设计合适的高频振荡电路和磁耦合传输系统。
在主共振腔中设计一个高频振荡电路，可采用谐振电路或射频功率放大器，以产生高频振荡电流。
该电路应具有较高的谐振频率和功率放大能力。
设计合适的磁耦合传输系统。
磁耦合传输系统由主共振腔和副共振腔之间的电感耦合组成。
为了实现高效的能量传输，需要选择合适的电感耦合系数和谐振频率。
电感耦合系数越大，能量传输越高效。
而谐振频率则决定了能量传输的效率。
在设计磁耦合传输系统时，需要根据实际需求选择合适的参数。
需要进行系统的调试和优化。
通过实验和测试，不断调整系统的参数，提高能量传输效率。
可以通过改变主共振腔和副共振腔的谐振频率，调整磁耦合传输系统的电感耦合系数，等等。
还可以通过改变高频振荡电路的参数，改变电流的波形和频率，进一步提高能量传输效率。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统是一种高效的无线电能传输技术。
通过合适的设计和优化，可实现高效、稳定的无线电能传输。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计高频自激振荡无线电能传输系统是一种无线电能传输技术，可以将能量从一个电路传输到另一个电路，而无需使用传统的导线连接。
这种技术可以广泛应用于电力传输、电子设备充电等领域。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统是基于磁耦合和谐振实现的一种能量传输系统。
下面将对该系统的设计进行详细介绍。
1. 系统原理磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统由两个主要部分组成：能量发射端和能量接收端。
能量发射端包括功率放大器和发射线圈，能量接收端包括接收线圈和整流电路。
能量发射端通过功率放大器将输入电源信号放大，并通过发射线圈将能量以高频电磁波的形式传输出去。
能量接收端的接收线圈接收到高频电磁波，并将其转换为电能，然后通过整流电路将其转换为直流电能供电使用。
2. 系统设计（1）能量发射端设计能量发射端的主要设计参数包括功率放大器的功率和频率，发射线圈的感应系数和谐振频率。
功率放大器应具有足够的功率输出，并能够将输入电源信号放大到高频电磁波的水平。
功率放大器的功率输出可以通过控制电源电压来实现。
发射线圈的感应系数决定了能量传输的效果。
感应系数较大会提高能量传输效率，但也会增加系统的成本和复杂性。
需要在效率和成本之间进行权衡。
谐振频率应与接收线圈的谐振频率相匹配，以实现最佳能量传输效果。
谐振频率可以通过调整发射线圈的电感和电容来实现。
整流电路应能够将接收到的高频电能转换为直流电能。
一种常用的整流电路是使用稳压二极管和电容器的整流电路。
3. 系统优化为了实现最佳的能量传输效果，可以对系统进行优化。
可以通过调整发射线圈和接收线圈的物理尺寸和位置来优化系统的能量传输效率。
这可以通过模拟软件进行模拟和优化。
可以通过使用集成电路和微控制器来实现系统的自动控制和监测。
这将提高系统的稳定性和可靠性。
还可以通过改进谐振电路的设计和优化整流电路的效率来进一步提高系统的能量传输效果。
磁耦合谐振式无线供电系统设计
磁耦合谐振式无线供电系统设计摘要：磁耦合谐振式无线供电技术具有传输距离远、功率大、效率高等特点，是无线供电技术领域主要研究热点之一。
本文提出了基于STM32的磁耦合谐振式无线供电系统设计方案，介绍了系统硬件电路工作原理及软件设计。
经测试，本系统具有无线传输功率大、效率高等优点。
关键词：无线供电；磁耦合谐振；逆变电路1.系统功能磁耦合谐振理论是近年来MIT在电能的无线传输方面获得的重大突破，它比基于电磁感应式理论的无线供电传输的距离更远，从毫米和厘米的级别跨越到了米的范围[1]，相比之下更能满足物联网时代对无线供电技术的需求。
与基于微波理论的无线供电系统相比而言，磁耦合谐振无线供电效率有了很大的提高，减少了大功率的微波辐射对身体的伤害，成为无线供电系统研究的主要热点[2]。
系统硬件电路主要由系统控制模块、辅电源模块、逆变电路和负载电路构成，控制模块产生PWM波驱动控制大功率MOS管通断来形成高频交流电，高频交流经发射线圈将电能传送出去。
受电端通过接收线圈以磁耦合谐振方式接收电能，经整流滤波电路为负载提供直流电能。
系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图2系统等效模型系统控制电路所需直流电源由工频交流经整流、稳压电路提供。
供电端将工频交流整流、逆变为高频交流电传送到发送线圈，逆变后得到的激励源称为U in。
发射端采用的是LC串联方式，激励源直接作用的是LC回路。
在高频条件下，电路可等效为电感、电容和电阻的二端口网络，在激励源U in的作用下，发射回路的LC网络可等效为R t、C t、L t。
接收端的回路采用LC串联方式，同理，可将接收端等效为R r、C r、L r。
把系统接收端的负载等效为R D，两线圈的互感系数用M 表示，等效电路模型如图2所示。
图2 系统等效电路模型系统采用串联谐振的方式，串联谐振是一个电压振荡，电容和电感（线圈）上的电压是Q倍的半桥供电电压，所以在选择谐振电路的补偿电容时，要选择耐压值很高的电容，避免把电容击穿。
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计
磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计摘要：本文针对无线电能传输系统设计中存在的传输效率低、系统稳定性差等问题，提出了一种磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计方案。
该方案通过对谐振式高频无线电能传输系统的研究和分析，提出了一种新的磁耦合谐振式高频自激振荡电能传输系统设计方案，并对其进行了理论分析和仿真验证。
研究结果表明，该设计方案能够有效提高无线电能传输系统的传输效率和系统稳定性，具有较高的实用价值。
一、系统设计原理1.1 磁耦合谐振式无线电能传输系统原理磁耦合谐振式无线电能传输系统是利用磁场耦合进行电能传输的一种新型无线电能传输系统。
其基本原理是利用发射端的无线电能发射器产生高频谐振磁场，然后通过磁场耦合将能量传输到接收端的无线电能接收器，最终将高频电能转换为直流电能供电。
该系统利用磁场耦合进行电能传输，能够实现远距离、高效率的电能传输，并且不受传统电缆线路的限制，具有较高的应用价值。
二、系统设计方案2.1 磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计方案基于以上原理，本文提出了一种磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计方案。
该方案包括发射端和接收端两部分，发射端包括高频自激振荡电路和磁场发射装置，接收端包括磁场接收装置和直流电能输出装置。
2.2 发射端设计发射端采用高频自激振荡电路产生高频振荡信号，然后通过磁场发射装置将能量传输到接收端的磁场接收装置。
高频自激振荡电路采用谐振电路和自激振荡电路相结合的设计，能够产生高频振荡信号，并通过磁场发射装置将能量传输到接收端的磁场接收装置。
三、系统设计分析3.1 系统设计参数选择在系统设计中，需要考虑到高频自激振荡电路的频率、功率和效率等参数选择，以及磁场发射装置和磁场接收装置的设计参数选择。
通过合理选择系统设计参数，能够提高系统的传输效率和系统稳定性。
3.2 仿真验证为了验证系统设计方案的有效性，本文利用仿真软件对系统进行了仿真验证。
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阻Ri和电压Ud的变化；3）因此负载电阻要随Ri变化，以 保证输出最大功率。
(5)
其幅值|I2|为：
I2
= USωM R1 + RS
[( ω 2M 2 RS + RL
+
R2 ) +
RL ]
(6)
将发射端映射到接收端，得到等效电路如图2所示。 图1中，对负载RL而言其之前电路相当于等效电源，根据 戴维南定理，等效电源电压和等效内阻分别为：
Ud
=
U SωM R1 + RS
(7)
Ri
=
ω2M 2 R1 + RS
+
R2
(8)
所以可以把磁耦合无线电能传输系统等效的看成一
个频率为 ω，幅值Ud，内阻Ri的交流电源，当耦合式谐
振传输系统被当作电源部分时，在调节线圈系统参数时
可以根据负载的变化来确定系统的最佳参数。
Rs
R2 C2
M
U S
L1
L2
RL
磁耦合谐振式无线充电系统
功率输出特性与匹配电路设计
Output property and matching circuit design of
magnetic resonant wireless power transfer system
李家栋，王冬青，徐 栋，龚秀元
LI Jia-dong, WANG Dong-qing, XU Dong, GONG Xiu-yuan
jωI2M = US − jωI1M = 0
(4)
求解方程组(4)得到：
线圈半径，D为发射线圈与接收线圈之间的距离，耦合
系数为 k = M 系统输出的最大功率在负载电阻与系 L1L2
统回路内阻相等时取得其值为
Ud 2Ri
。
可见：1）耦合系数k与发射和接收线圈之间的距离
和相对位置有关；2）耦合系数k的改变会引起回路中内
将式(1)代入式(2)化简得：
(3) ZZRR21==((ωω22CC21LωL214−−M11ω))222C4M++22 (ωω2RC222CC1+2122((RRRL12)++RRS1))22
− −
j j
(ω (ω
ω3M 2C1(ω 2C1L1 −1)
2C1L1 −RS )2 ω3M 2C2 (ω 2C2L2 −1)
Z R1
Z
R
2
= =
(ωM )2
Z1 (ωM )2
Z2
(2)
收稿日期：2018-01-21 基金项目：国家自然科学（61573205）；山东省自然科学（ZR2015FM017） 作者简介：李家栋（1995 -），男，山东人，硕士研究生，研究方向为无线充电桩技术。
【122】 第40卷 第10期 2018-10
1 理论分析
1.1 系统分析与模型建立
无线电能传输系统要达到电能的共振传输需要满足
发射线圈和接收线圈谐振频率相同条件，以及信号以谐 振频率发送[16～20]。本文选择经典的SS式无线电能传输 电路拓扑结构进行研究，图1为拓扑电路的简化模型， 其中US为电路的交流正弦电压驱动电源，RS为电源内 阻，线圈L1和谐振电容C1构成发射端的谐振回路，线圈 L2和谐振电容C2构成接收端的谐振回路，M为发射端与 接收端的互感系数，RL为负载电阻。
RL
Ud
R L
C1 R 1
图2 磁耦合无线充电系统负载等效电路
1.2 输出特性分析
当模型的发射线圈和接收线圈处在理想的轴向位置
时，互感系数为M
=
πµ0 NR4 2D3
，其中N为线圈匝数，R为
图3 负载输出功率随耦合系数的变化曲线
从图3中可见：确定的负载电阻仅能够在一个确定 的耦合系数下输出最大功率，当耦合系数偏离这个值时 无论增大还是减小输出功率都会降低。所以传统的定值 负载无线电能传输系统只有在发射线圈与接收线圈处于 确定的距离与位置上时才能输出最大功率。这就会造成 无线充电系统的局限性，而实际中的无线充电系统不能 确保充电位置的准确性，例如无线充电汽车的停靠位置 就是不能保证精确。考虑到这个问题可以设计一个追踪 最大功率点的拓扑电路，以确保系统能够高效的传输 电能。
[
Rs
M
R2 C 2
US
L1
L2
RL
C1 R1 图1 磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路
如图1所示，发射线圈和接收线圈的自阻抗分别表 示为：
Z1
=
Z2 =
jωL1 + jωL2 +
1
jωC1 1
jωC2
+ R1 + RS + R2 + RL
(1)
两线圈分别等效到对应线圈的反映阻抗为：
2C2L2 −1)2 + ω 2C22 (R2 + RL )
2
当反映阻抗ZR1与ZR2虚部为零时线圈发生共振于是 得到：
ω= 1 = 1
L1C1
L2C2
根据基尔霍夫电压定律写出发射端与接收端谐振回 路方程组：
II12((RR12++RRSL++jωjωLL1 +2 +jωj1ωC1C1 )2−)
一个SEPIC电路，采用调节占空比的方法来追踪系统的最大功率点。仿真结果表明所提出方法
是有效和可行的。
关键词：MPPT；最大功率；无线充电
中图分类号：TP391.4
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2018)10-0122-04
0 引言
随着科技发展与时代进步，无线电能传输技术日趋 成熟。无线电能传输系统能够较好地应于小型可穿戴设 备或便携式电子设备的电源[1,2]，电动汽车的非接触式 充电系统[3,4]。因为无线电能传输相比有线充电可以避免 充电接口受损引起的安全事故并且不受环境条件的约束 而受未来市场的欢迎[5～7]。苹果公司在发布的iphone8与 iphoneX上就增加了无线充电功能，可以预见无线充电 将是未来电器行业又一个值得开发与完善的领域[8,9]。 无线电能传输系统的研究主要集中在共振频率、传输效 率、传输功率等方面。在传输效率以及线圈共振频率等 方面已有许多研究成果[10～12]，在功率传输方面，张榕提 出分别用耦合模式理论和电路理论对磁耦合共振式无线电 能传输技术的实现原理和传输特性进行分析的方法[13]，在 传输效率方面，陈利亚提出高频逆变电源系统的选型与仿 真、谐振线圈系统的电路模型仿真以及动力电池的充电 特性测试与仿真方面的分析方法[14]，在模型建立方面， 张斌提出根据无线输电的传输特性建立磁耦合共振模型 的方法[15]。本文对无线充电系统中匹配电路对功率传输 的影响进行了研究，针对系统输出功率不稳定等问题进 行了匹配电路设计。
（青岛大学 自动化与电气工程学院，青岛 266071）
摘 要：在无线电能传输系统中，线圈相对位置和负载电阻的变化会影响系统的传输功率。为了使传
输功率不受线圈相对位置与负载电阻变化等因素的影响。提出设计一种能够跟踪最大功率点
（MPPT）的电路。根据串联谐振双线圈无线电能传输系统的发射侧功率特性，在接受侧串联