試論無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中傳輸功率和效率的影響因素

林昌茂

摘要：隨著全球各國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家和相關(guān)工作人員開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)如何利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行電能的傳輸。如果這項(xiàng)技術(shù)研究成功，將會(huì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。但在目前該技術(shù)推廣的過(guò)程中，其所能夠使用的電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜。文章針對(duì)影響無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中傳輸功率和效率的各種因素進(jìn)行分析和探討，希望為我國(guó)相關(guān)工作人員在這方面的研究提供一些具有參考性的資料。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)電能傳輸；功率；效率；因素

在19世紀(jì)80年代末期，人們開(kāi)始研究無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)，直到2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院通過(guò)利用諧振原理初步取得了這方面的研究成果。目前，該技術(shù)在多種領(lǐng)域得到了應(yīng)用和推廣，如醫(yī)療器械等。這項(xiàng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，不僅給人們的生活帶來(lái)了更多的便利，還促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展。下面筆者就針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行理論分析。

1無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中傳輸功率和效率的理論分析

1.1無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中傳輸功率和效率的分析

現(xiàn)階段用于分析和研究諧振耦合電路所使用的方法理論主要包括電路和耦合模。耦合模理論能夠宏觀(guān)地描述出其運(yùn)行的原理，但無(wú)法根據(jù)各種參數(shù)詳細(xì)地說(shuō)明該系統(tǒng)所具有的各項(xiàng)功能。而電路理論相較于耦合模理論，能準(zhǔn)確描述出影響該系統(tǒng)傳輸功率以及效率的不同參數(shù)。根據(jù)相關(guān)資料顯示，這2種理論在研究該系統(tǒng)傳輸功率和效率方面具有同等作用，因此，本文所采用的研究方法是電路間的互感理論。傳輸系統(tǒng)通常是由發(fā)射、接受、負(fù)載以及電源4個(gè)部分裝置構(gòu)成的。

1.2無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中阻抗的分析

以諧振耦合電路為例進(jìn)行分析，其基本的工作原理是只有選擇頻率相同的2個(gè)物體，才能夠?qū)崿F(xiàn)物體間能量的傳輸。根據(jù)相關(guān)的輸出定理能夠清楚地了解到，當(dāng)2個(gè)物體間的阻抗為共軛關(guān)系時(shí)，2個(gè)物體間的傳輸功率能夠達(dá)到最大值。而阻抗不為共軛關(guān)系時(shí)，將會(huì)大大影響物體間傳輸功率。所以，為了增加2個(gè)物體間的傳輸效率，提高傳輸功率，應(yīng)選擇阻抗具有共軛關(guān)系的2個(gè)物體。若選擇了不相符的物體，極容易損壞相關(guān)的儀器。因此，在該系統(tǒng)中應(yīng)盡量選擇阻抗相匹配的物體，然而在實(shí)際的選擇中，難以選到阻抗十分匹配的物體，通常選擇具有相似阻抗的物體。

利用諧振耦合電路進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)主要包括2種電路和4種系統(tǒng)，其中電路包括正弦和功放2種電路，系統(tǒng)包括負(fù)載、調(diào)壓以及電磁發(fā)射和接收4種系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)能夠知道，上述4種系統(tǒng)能夠構(gòu)成功放電路的負(fù)載。圖1便是該系統(tǒng)2種等效的電路模型。

該電路模型中，VS是該電路的電源，R為電路中各部分的電阻，L線(xiàn)圈的電感，M表示每?jī)山M線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)，C則代表各部分的電容。在此電路模型當(dāng)中，以上敘述的為主要參數(shù)，其他影響較小的參數(shù)可忽略不計(jì)。

通過(guò)利用相關(guān)的公式能夠計(jì)算出其整體的阻抗，影響整體阻抗的參數(shù)一共有5個(gè)，分別為頻率、激磁和發(fā)射線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)、發(fā)射和接收線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)、接收和負(fù)載線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)以及負(fù)載電阻。這5種參數(shù)一旦發(fā)生變化，將會(huì)大大影響系統(tǒng)傳輸功率的大小和傳輸速率的有效性。

2實(shí)驗(yàn)研究與分析

2.1頻率對(duì)傳輸功率和效率的影響

接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈長(zhǎng)度為30cm，其中負(fù)載阻抗為60Ω，在對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其傳輸頻率逐漸增加，將得到的功率以及效率繪制成圖2，并對(duì)其進(jìn)行研究。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械工作過(guò)程中，功率與效率不是隨著頻率的增長(zhǎng)而無(wú)限增加的，是先進(jìn)行一個(gè)階段的增長(zhǎng)之后，又有一定的下降趨勢(shì)，在8.7MHz時(shí)，效率與功率同時(shí)達(dá)到了頂峰。根據(jù)這一現(xiàn)象就可以發(fā)現(xiàn)，在這一設(shè)備中，頻率對(duì)負(fù)載阻抗具有一定的調(diào)節(jié)作用，如果要使設(shè)備的效率達(dá)到最高，就可以改變頻率，使設(shè)備內(nèi)的負(fù)載阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.2M₂₃對(duì)傳輸功率和效率的影響

在研究的裝置中，所使用的是50Ω的負(fù)載阻抗，將輸出的頻率保持不變，固定在8.7MHz，將設(shè)備中各項(xiàng)圈的距離不斷地增加，將測(cè)得的結(jié)果繪制成圖3，并對(duì)隊(duì)形進(jìn)行分析。

根據(jù)圖3的分析可以發(fā)現(xiàn)，在線(xiàn)圈距離較短時(shí)，隨著距離的增加，功率與效率有一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而距離達(dá)到了一定程度后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，功率與效率具有明顯的下降趨勢(shì)，在本文的實(shí)驗(yàn)中功率達(dá)到最大值時(shí)兩線(xiàn)圈之間的距離為14cm，效率達(dá)到最大值時(shí)兩線(xiàn)圈的距離為20cm。這就能很好地表現(xiàn)出線(xiàn)圈距離的遠(yuǎn)近對(duì)負(fù)載阻抗有重要的影響，根據(jù)使用功率的要求，對(duì)線(xiàn)圈之間的距離進(jìn)行更改，使設(shè)備在使用過(guò)程中發(fā)揮出重要的作用。

2.3M₁₂：和M₃₄傳輸功率與效率的影響通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置的負(fù)載數(shù)值為50Ω純阻性負(fù)載，在發(fā)射信號(hào)時(shí)，其頻率保持在8.6MHz期間，發(fā)射線(xiàn)圈以及接受線(xiàn)圈之間的距離保持為20cm左右。對(duì)信息分析可知，把激磁線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈間距離調(diào)整時(shí)，M₁₂的數(shù)值也隨之發(fā)生改變；如果改變接受線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈時(shí)，M₃₄的數(shù)值也發(fā)生了改變，發(fā)射線(xiàn)圈和接受線(xiàn)圈電壓波段產(chǎn)生變化?？梢缘贸?/p>

結(jié)論，M₁₂：和M₃₄對(duì)于負(fù)載抗阻有很大影響，兩者一旦發(fā)生變化，模塊的輸出功率也發(fā)生變化。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的基本工作原理，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了阻抗是否匹配對(duì)其傳輸?shù)男Ч兄艽蟮挠绊?。所以，在選擇物體阻抗時(shí)，應(yīng)盡量與原阻抗相匹配，能夠有效地提高其傳輸?shù)男?。而影響阻抗大小因素主要包括頻率、激磁和發(fā)射線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)、發(fā)射和接收線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)、接收和負(fù)載線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)以及負(fù)載電阻5種因素。因此，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，盡量使各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高其傳輸?shù)男屎凸β省?