0.3 螺旋线圈电磁共振式无线电能传输

特斯拉线圈无线电能传输系统需要将一端接地，通过大地形成闭合回路，适合远距离的无线电能传输。关于特斯拉的电能传输系统原理目前尚无准确说法，尼古拉·特斯拉在专利中的解释也不是很清晰，但尼古拉·特斯拉在多篇文章中指出，能量并不是以辐射电磁波的形式传输，而是以固定的路线传输，传输速度可以超过光速。

100多年后的2007年，美国麻省理工学院的Matin Soljacic等人完成了一项实验，他们改进了特斯拉线圈的结构，线圈不需要接地，采用四个圆柱形螺旋线圈结构，用电磁共振原理成功地点亮了一个距离2m外的60W的电灯。2008年9月，美国内华达州雷电实验室通过无线传输，将800W电能传输到5m远的距离。

圆柱形螺旋线圈不需要将线圈一端接地，但传输距离要比特斯拉线圈短。圆柱形螺旋线圈是最常用的一种传输线圈，通电后线圈周围产生的磁场均匀且方向性好，传输电能效率较高，一般用于高频几十兆赫兹、中距离无线电能传输的场合。圆柱形螺旋线圈无线电能传输是对特斯拉线圈无线电能传输应用的改进。螺旋形传输线圈结构根据传输距离分为两线圈结构、四线圈结构和中继线圈结构等形式。

1．圆柱形四线圈结构电磁共振式无线电能传输原理

圆柱形四线圈螺旋线圈无线电能传输结构分成发射部分和接收部分，如图0-12所示。发射部分包括C₁、L₁、L_a，接收部分包括L_b、L₂、C₂。

图0-12 四线圈结构电磁共振式无线电能传输系统示意图

圆柱形四线圈结构无线电能传输的工作原理：发射部分高频输入电源u₁经电容C₁和第一发射线圈L₁组成LC谐振回路，通过谐振在C₁和L₁产生高频电压，L₁上的高频电压通过感应耦合传送到第二发射线圈L_a，由第二发射线圈L_a发射电能。接收部分第一接收线圈L_b接收电能，通过耦合传送到第二接收线圈L₂，L₂和C₂产生谐振，输出高频电压u₂。图0-12中的L₁和L_a相当于特斯拉线圈中的升压变压器，L₁相当于一次绕组，L_a相当于二次绕组，L₂和L_b相当于特斯拉线圈中的降压变压器，L_b相当于一次绕组，L₂相当于二次绕组。

四线圈结构在发射线圈前增加发射端环路线圈，将高频磁场能量感应到发射线圈，在接收线圈后增加负载端环路线圈，将接收线圈感应的能量供给负载，这两个环路线圈由单匝线圈构成。环路线圈的引入提供了低损耗、高比例的阻抗变换，实现阻抗匹配。

四线圈结构相比于两线圈结构，其优点在于能够进行电源匹配和负载匹配，实现隔离高频电源和负载对谐振线圈的影响。缺点是传输线圈需要四个线圈，使得传输线圈结构变得复杂，在应用上受到限制。

2．圆柱形两线圈结构电磁共振式无线电能传输原理

两线圈结构由发射线圈和接收线圈组成，发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输，如图0-13所示。

图0-13 两线圈结构电磁共振式无线电能传输系统示意图

圆柱形两线圈结构无线电能传输的工作原理：发射部分高频电源经补偿电容和发射线圈组成LC谐振回路，由发射线圈发射电能。接收部分接收线圈和补偿电容谐振接收电能。发射部分补偿电容、发射线圈和接收部分接收线圈、补偿电容组合称为磁耦合谐振器。

3．圆柱形中继线圈结构电磁共振式无线电能传输原理

为能够更加有效地提高传输性能和传输距离，可在发射线圈和接收线圈之间加入中继线圈，由此构成三线圈结构（如图0-14a所示）或五线圈结构（如图0-14b所示）。一般情况下，中继线圈、发射线圈、接收线圈的轴心在同一条水平线上，并相互平行。其工作原理是从发射线圈上产生的电能通过电磁共振的方式传输到中继线圈上，中继线圈再通过磁场耦合的方式将能量传送到接收线圈上，接收线圈接收之后，再将电能提供给负载。由于中继线圈的存在可提高两两线圈之间的耦合度，所以会大大提高系统的传输功率，增加传输距离，但中继线圈的安装位置在应用中受到限制。

图0-14 具有中继线圈结构电磁共振式无线电能传输系统示意图

圆柱形螺旋线圈结构传输距离一般在几米，线圈的安装位置要求沿线圈中心轴方向，线圈占用的空间比较大，在近距离应用场合受到限制。在近距离传输的情况下需要考虑传输线圈所占的体积，因此近年发展了平面螺旋线圈，平面螺旋线圈体积小且传输磁场能量大，更适合应用于无线充电领域。