0.3 螺旋線圈電磁共振式無線電能傳輸

特斯拉線圈無線電能傳輸系統需要將一端接地，通過大地形成閉合回路，適合遠距離的無線電能傳輸。關于特斯拉的電能傳輸系統原理目前尚無準確說法，尼古拉·特斯拉在專利中的解釋也不是很清晰，但尼古拉·特斯拉在多篇文章中指出，能量并不是以輻射電磁波的形式傳輸，而是以固定的路線傳輸，傳輸速度可以超過光速。

100多年后的2007年，美國麻省理工學院的Matin Soljacic等人完成了一項實驗，他們改進了特斯拉線圈的結構，線圈不需要接地，采用四個圓柱形螺旋線圈結構，用電磁共振原理成功地點亮了一個距離2m外的60W的電燈。2008年9月，美國內華達州雷電實驗室通過無線傳輸，將800W電能傳輸到5m遠的距離。

圓柱形螺旋線圈不需要將線圈一端接地，但傳輸距離要比特斯拉線圈短。圓柱形螺旋線圈是最常用的一種傳輸線圈，通電后線圈周圍產生的磁場均勻且方向性好，傳輸電能效率較高，一般用于高頻幾十兆赫茲、中距離無線電能傳輸的場合。圓柱形螺旋線圈無線電能傳輸是對特斯拉線圈無線電能傳輸應用的改進。螺旋形傳輸線圈結構根據傳輸距離分為兩線圈結構、四線圈結構和中繼線圈結構等形式。

1．圓柱形四線圈結構電磁共振式無線電能傳輸原理

圓柱形四線圈螺旋線圈無線電能傳輸結構分成發射部分和接收部分，如圖0-12所示。發射部分包括C₁、L₁、L_a，接收部分包括L_b、L₂、C₂。

圓柱形四線圈結構無線電能傳輸的工作原理：發射部分高頻輸入電源u₁經電容C₁和第一發射線圈L₁組成LC諧振回路，通過諧振在C₁和L₁產生高頻電壓，L₁上的高頻電壓通過感應耦合傳送到第二發射線圈L_a，由第二發射線圈L_a發射電能。接收部分第一接收線圈L_b接收電能，通過耦合傳送到第二接收線圈L₂，L₂和C₂產生諧振，輸出高頻電壓u₂。圖0-12中的L₁和L_a相當于特斯拉線圈中的升壓變壓器，L₁相當于一次繞組，L_a相當于二次繞組，L₂和L_b相當于特斯拉線圈中的降壓變壓器，L_b相當于一次繞組，L₂相當于二次繞組。

四線圈結構在發射線圈前增加發射端環路線圈，將高頻磁場能量感應到發射線圈，在接收線圈后增加負載端環路線圈，將接收線圈感應的能量供給負載，這兩個環路線圈由單匝線圈構成。環路線圈的引入提供了低損耗、高比例的阻抗變換，實現阻抗匹配。

四線圈結構相比于兩線圈結構，其優點在于能夠進行電源匹配和負載匹配，實現隔離高頻電源和負載對諧振線圈的影響。缺點是傳輸線圈需要四個線圈，使得傳輸線圈結構變得復雜，在應用上受到限制。

2．圓柱形兩線圈結構電磁共振式無線電能傳輸原理

兩線圈結構由發射線圈和接收線圈組成，發射線圈與接收線圈之間通過空間磁場的諧振耦合實現電能的無線傳輸，如圖0-13所示。

圓柱形兩線圈結構無線電能傳輸的工作原理：發射部分高頻電源經補償電容和發射線圈組成LC諧振回路，由發射線圈發射電能。接收部分接收線圈和補償電容諧振接收電能。發射部分補償電容、發射線圈和接收部分接收線圈、補償電容組合稱為磁耦合諧振器。

3．圓柱形中繼線圈結構電磁共振式無線電能傳輸原理

為能夠更加有效地提高傳輸性能和傳輸距離，可在發射線圈和接收線圈之間加入中繼線圈，由此構成三線圈結構（如圖0-14a所示）或五線圈結構（如圖0-14b所示）。一般情況下，中繼線圈、發射線圈、接收線圈的軸心在同一條水平線上，并相互平行。其工作原理是從發射線圈上產生的電能通過電磁共振的方式傳輸到中繼線圈上，中繼線圈再通過磁場耦合的方式將能量傳送到接收線圈上，接收線圈接收之后，再將電能提供給負載。由于中繼線圈的存在可提高兩兩線圈之間的耦合度，所以會大大提高系統的傳輸功率，增加傳輸距離，但中繼線圈的安裝位置在應用中受到限制。

圓柱形螺旋線圈結構傳輸距離一般在幾米，線圈的安裝位置要求沿線圈中心軸方向，線圈占用的空間比較大，在近距離應用場合受到限制。在近距離傳輸的情況下需要考慮傳輸線圈所占的體積，因此近年發展了平面螺旋線圈，平面螺旋線圈體積小且傳輸磁場能量大，更適合應用于無線充電領域。