第15卷第13期2015年5月1671—1815（2015）13-0077-06
科学技术与工程
ScienceTechnologyandEngineering
Vol.15No.13May2015 2015Sci.Tech.Engrg.
基于特斯拉线圈的无线电力传输系统
牟春阳
李世中
梁国强
（中北大学机电工程学院，太原030051）
摘
针对家庭中用电导线逐渐增多的问题，设计了以特斯拉线圈为核心的无线电力传输系统。系统以特斯拉线圈为无
线电力发射装置，接收装置采用与电力发射端产生磁共振的形式实现无线电力传输。实验表明，基于该系统的电力接收部分
要
在靠近电力发射天线10～20cm的位置，接收功率最大可达几十瓦，在离发射天线10～15m的位置，接收功率可达零点几瓦。所以，在10～10m范围内满足家用电器的基本用电要求。关键词
特斯拉线圈中图法分类号TM724；
无线电力传输
磁共振A
导线
文献标志码
不随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，
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。在无线电力传输中，最看好的是特斯拉线圈，因为这种线圈不但可以无线发射电力，也可以无线接收电力。基于特斯拉线圈的无线电力传输系统，是将发射端线圈与接收端线圈振荡频率调整至相同，便可以使发射端与接收端发生谐振，这样，便可
［1］
使发射端与接收端进行交互能量。基于特斯拉线圈的无线电力传输系统传输电力，不需要电线，一个功率为几千瓦的特斯拉线圈可以随意将电能输送到几十米之外，可以让在家中的每个用电器都能在家里的任意位置，任意时间都能用上方便省事的
［2］
电能。
2002年，国内外的研究现状和发展趋势，重庆大学开始对非接触式电能传输技术的基础理论及
［3，4］
，并成功研制了一套电动汽工程应用进行研究
车无接触供电系统。东南大学自2006年在无线能量传输方面也进行相关的研究工作，并提出了电场耦合的光电机技术，以及磁耦合谐振式无线能量传输系统功率调频控制技术、电动汽车无线充放电与
［5］
电网互动技术等一系列关键技术。2007年6月，美国麻省理工学院研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。在6ft（约1.83m）之外连将60W的
［4，6］
。2008年9月，北美电力研讨会发灯泡点亮了
他们已经在美国内华达州的雷电实布的论文显示，
2014年12月29日收到
mail：610440605@第一作者简介：牟春阳，女。硕士研究生。E-qq．com。
验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m
［7］
远的距离。
现在利用电磁耦合的电力传输方式已经在一些
家用电器中得到了应用，在小功率的电子产品、
2010年1月7日国际消费电子展上推出世界上首
，台不用电源线、信号线、网络线的“无尾电视”可见
在不久的将来，电力无线传输会实现。
1总体设计方案
基于特斯拉线圈的无线电力传输系统设计考虑的最基本要素是将用电器与市电电插座之间的输电
加入无线电力发射器和无线电力接收导线去掉，
［8］
通过器。无线电力发射器将市电电能升压之后，
整流滤波得到电压较高的直流电，再将电压较高直流电通过LC电路时高压直流电变为高频的交流电，最后发射端再用一个空心共振变压器做发射天线将高频交流电转换为高频强磁场，并且天线将高
［9］
频强磁场发射出去。电力发射部分的原理图和电路图如图1和图2
。
Fig.1
图1电力发射端原理图
Schematicdiagramofpowertransmitter
无线电力接收器天线和接收端电容构成接收端
电力接收LC电路的震荡频率将与发射的LC电路，
天线发射出的高频强磁场的频率相同，即产生磁共振，从而接收端以较少的损耗接收并将磁场转换为电能。最后将高频电通过变频或者整流滤波直接供
［9］
给用电器使用。电力接收部分的原理图和电路图如图3和图4。
图2电力发射部分电路Fig.2Powertransmission
circuit
Fig.3
图3电力接收端原理图
Principlediagramofpowerreceivingend
2
2.1
电力发射部分
市电电压的升高
但要满足特斯拉线圈的变压器的种类有很多，
正常工作，则必须要求变压器能将电压升到2000V以上；如果要满足部分家用电器的用电要求，则变压器的功率不低于800W，并且体积小，能满足在比较恶劣的条件下长时间稳定工作。经检测在我们日常
［10］
生活中的微波炉变压器比较合适。
用两个升压变压器，将变压器的输入端并联，将
若每个输入端的有若输入电压为Uin，输出端串联，
效电流为Iin，那么每一个变压器的输入功率为
UinIin（W），若在每一个变压器上的次级线圈上的电流为I2，则串联之后的电流因为次级线圈为串联，
因为每一个变压器在输入为Uin的条件下，还是I2。
输出有效值为Uout，则次级线圈串联后输出电压有
由于每一个变压器的输入功率为P，效值为2Uout。
输出的电流不变，而电压变为原来的2倍，则升压后的总体输出功率为2P。理想条件下，单个变压器的
UinIin
。即I2=在普通功率关系式为UinIin=UoutI2，
Uout
单个输出微波炉变压器的输入电压为Uin=220V，
电压为Uout=2000V，经过市电升压之后，输所以，
输出电流I2=0.4A，输出电压为Uout总=4000V，
出功率Pout=1600W。2.2初级升压的整流滤波
采用了将升压后的整流滤波部分的电路设计，
高压电通过由4个耐压值为12kV
的高压二极管组
图4电力接收部分电路Fig.4Powerreceivingcircuit
经过全桥整流后通过一个20成的全桥整流电路，
kV无极性高压电容的初级滤波后，再通过两个2H的回形电感后，得到比较平缓的高压直流电。
经过市电升压部分后，正弦交流电电压有效值由220V变为4000V，经过由4个高压二极管组成的全桥整流电路后得到如图5实线所示的波形，再经过电容滤波和电感整流之后得到如图5虚线波形，此时电压平均值U平均=5655V。整流滤波电路的相关参数如表1。
表1Table1
参数名称输入功率频率输入电压滤波电容值显示周期桥式整流二极管压降
VDC（最大）
VDC（最小）
整流滤波电路输入输出相关参数Ｒectifierandfiltercircuitinputandoutputrelatedparameters
数值[**************]0.75655.4542495654.751168
单位WHzVμFmsVVV
性。LC电路中的电容采用国产MKP电容，工作频率在2.4G以内绝缘介质介电系数变化很小，电容量几乎不变，损耗较小。
高频交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密
。趋肤效应使导度越大。这种现象称“趋肤效应”
体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。LC震荡电路的电感采用直径为8mm铜管绕制而成，体积较大，电感较小，在高频条件下工作具有良好的散热导电性能，并且高频作用下采用管状导线
“趋肤效应”更能够降低和减少的产生。
LC振荡电路中，电容使用耐压值为1200V，容量为0.33μF的MKP电容，由于输入直流电电压在5000～5700V之间，而当电容在约200kHz的频率下耐压值降为约520V，所以采用将电容串联，使得每一个电容分担一部分电压，从而满足高频高压电的要求。电路中的电感，也就是发射端的初级线圈，由直径为8mm的铜管绕制而成，一共绕制9圈，内径为130mm，绕制形式为平铺的“蚊香”式，线与线的间距为5mm。
电容串并联后的耐压值计算公式为：
n=
VmaxU0
5700V
=10.96，取n=11。
520V
（1）
得：n=
电容串并联后的电容值计算公式为：串联：
图5整流滤波前后的波形
Thewaveformofrectifierfilterbeforeandafter
Fig.5
初级电路的LC振荡电路
由于整流后的直流电压达到了5000V，电压较高，已经超过了现在大部分常用电子元器件的耐压值，用半导体器件搭建震荡电路比较困难。设计初级电路的LC振荡电路设计的起振使用的是高频真
501。电子管负载能力强，空电子管FU-线性性能优
于晶体管，在高频大功率领域的工作特性要比晶体
501的允许电流大，管更好，并且真空电子管FU-为
600A，截止频率可达到30MHz，功率达1.5kW，阴极和阳极的击穿电压为4000V，满足线圈工作的基本要求。并且两级使用的是钍钨材料，电子管长时间击穿工作对极板的损耗较小，能满足长时间工作的要求。
此LC震荡电路工作频率在150～200kHz之间，频率较高，要求电容要具有较好的电容器频率特2.3
1111
++…+'=C1C2CnCX
可计算得11个电容串联后容量为C'X=0.03μF。电感的计算公式为：
N2A2
L=
30A－11D1
可计算得：L=20.85μH。式中：
A=
D1+N（W+S）
2
（2）
（3）
（4）
各参数如图6所示。
LC电路振荡频率的计算公式为：
1
F=
2Pi可计算得：F=201.5kHz。2.4
（5）
电力发射天线的设计
电力发射天线（如图7）是有一个空心电感线圈（次级线圈）和一个与地耦合的顶端电容构成的。
80科学技术与工程15卷
顶端电容部分的计算公式为：C=2.81.2781－
(
D2D1
)Pi2×（D1－
D2）
4Pi
22
（7）
各参数如图9所示。
图6电感（初级线圈）参数及绕线形式
Fig.6Inductance（primarycoil）parameters
andwindingform
空心电感线圈（次级也是一个LC震荡电路。其中，
线圈）用0.5mm的漆包线绕在一根PVC塑料管上做成。顶端电容用环形软塑料管，外面包上导电纸做成
。
Fig.9
图9顶端电容参数及形式
Thetopcapacitanceparametersandform
电容高度D2=顶端电容的外径D1=550mm，
145mm，计算得到顶端电容的值C=24pF。
次级电容值C=24次级电感值L=25.716mH，
pF，由公式：
1
（8）F=
2Pi'
得到次级线圈的振荡频F=202.587kHz。由于，初级LC电路振荡频F=201.5kHz和次级LC电路振荡频率F'=202.587kHz，由相对误差公式
|F'－F|ΔF
×100%=×100%，得到初次LC电δ=FF
路的谐振相对误差为δ=0.54%＜1%，初级LC电路和次级LC电路的频率相差很小，可以忽略不计。
图7电力发射天线的电路形式与外形
Fig.7Circuitformandshapeofpower
transmittingantenna
电感部分的计算公式为：
N2Ｒ2
L=
9Ｒ+10H
各参数如图8所示
。
3
（6）
3.1
电力接收部分
电力接收端LC电路与天线
发射端天线发出的是周期变化的高频磁场，发射天线为竖直的，所以，在发射天线螺线管内的磁感线方向为竖直的，发射天线发出的磁场的磁感线也是竖直或者接近竖直。所以要提高电力接收端的接收效率，则接收端的天线也为竖直放置。由于接收的是高频变化的磁场，接收端也采用LC电路的形式，根据用电器的体积和用电功率合理的选择接收天线和振荡电容，使接收端LC电路的振荡频率在190～210kHz之间，与发射端的LC电路发生谐振，以此来减少损耗，并且提高接收效率。3.2电力接收端的整流滤波
接收端的接收电路将磁场转换为频率接近高频变化的交变电流，频率在190～210kHz之间变化。接收端的整流电路首先用桥式整流电路将交变电流变为脉动的直流电，然后将脉动的直流电在经过滤波整流后变为供给电器的直流电。桥式整流由4个高压二极管搭建，并且每一个二极管都并联一个无
图8电感（次级线圈）参数及绕线形式
Fig.8Inductance（secondarycoil）parameters
andwindingform
空心电感线圈（次级线圈）绕线匝数N=1118圈，直径D=115mm，高度H=680mm，计算得到空心电感的值L=25.716mH。
13期牟春阳，等：基于特斯拉线圈的无线电力传输系统81
使得二极管在整流过程中始终处于极性陶瓷电容，
工作状态，从而补偿了高压二极管的高频特性。通过桥式整流后得到的脉动变化的电流再通过电容和电感的初步整流，得到比较平缓的直流电，从而完成了电力接收转换的工作。接收到的电力在经过稳压、逆变、降压等，再供给用电器直接使用。
参
1
曾
考文献
翔.无线电力传输技术研究.硅谷.2010；（10）.161—162
ZengX.Wirelesspowertransmissiontechnologyresearch.SiliconVal-ley，2010；（10）.161—1622
李
闫阳，杨庆新，
卓，等.磁耦合谐振式无线电能传输方向性
2014；29（2）：197—203分析与验证.电工技术学报，
LiY，YangQX，YanZ，etal.Magneticcouplingresonantradiocantransmitdirectionalanalysisandverification.JournalofElectricianTechnique，2014；29（2）：197—2033
孙
戴跃，王智慧，
欣.非接触电能传输系统的频率稳定性研
2005；20（11）：56—59究.电工技术学报，
SunY，WangZH，DaiX.Studyonfrequencystabilityofcontactlesspowertransfersystem.JournalofElectricianTechnique，2005；20（11）：56—594
谭林林，陈黄学良，
中，等.无线电能传输技术研究与应用综
2013；28（10）：1—11述．电工技术学报，
HuangXL，TanLL，ChenZ，etal.Ｒeviewandresearchprogressonwirelesspowertransfertechnology.JournalofElectricianTechnique，2013；28（10）：1—115
黄
谭林林，等.基于磁场谐振耦合的无线电力传输辉，黄学良，2011；30（1）：32—35发射及接收装置的研究.电工电能新技术，
HuangH，HuangXL，TanLL，etal.Basedonthestudyofmagneticresonancecouplingthetransmitterandreceiverofwirelesspowertransmission.ElectricalEngineeringandEnergyTechnology，2011；30（1）：32—356
KursA，KaralisA，MoffattＲ，etal.Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances.Science，2007；317（6）：83—867
李
照.无线电力传输技术的基本原理与应用前景.考试周刊，2011；（57）：148—149
LiZ．Thebasicprincipleandapplicationofwirelesspowertransmissiontechnology.ExamWeek，2011；（57）：148—1498
李岩松，杨以涵，等.无接触数据传输技术在配电网故障刘强强，
2009；37（12）：89—93定位的应用.电力系统保护与控制，
LiuQQ，LiYS，YangYH，etal.Applicationofnoncontactdatatransmissiontechnologyinfaultlocationofdistributionnetwork.PowerSystemProtectionandControl，2009；37（12）：89—939
莫小勇，张范兴明，
鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状
2013；28（12）：75—80及应用.电工技术学报，
FanXM，MoXY，ZhangX．Presentsituationofresearchandappli-cationofmagneticcouplingresonantwirelesspowertransmis-sion.JournalofElectricianTechnique，2013；28（12）：75—8010
吴邓茂军，
起，陈
亮，等.基于电子式互感器的电炉变压器
2011；39（9）：114—118差动保护研究.电力系统保护与控制，
DengMJ，WuQ，ChenLiang，etal．Studyofelectricfurnacetrans-formerdifferentialprotectionbasedonelectronictransformer.PowerSystemProtectionandControl，2011；39（9）：114—118
4实验结论及分析
完成了系统的设计对系统进行测试，验证是否能满足设计要求，把系统的电力接收装置在离电力发射不同距离下进行观察测试。具体的实验过程如下：
1）将电力接收端的输出部分接30W的白炽灯，接收天线在靠近电力发射天线10～20cm的位置时，灯泡达到正常亮度，即接收端接收的功率≥30W。电力接收天线逐渐远离电力发射天线时，灯泡的亮度逐渐变暗，在离发射天线距离为8～9m时，灯泡已经完全不亮。
2）将电力接收端的输出部分接上由20个0.06W绿光LED并联组成的总功率为1.2W的LED阵列。接收天线在靠近电力发射天线10～15m的位
LED阵列到正常亮度，置时，即接收端接收的功率≥1.2W。电力接收天线逐渐远离电力发射天线
LED亮度逐渐变暗，时，在离发射天线距离为20m
LED阵列已经完全不亮。左右时，
现象分析及结论：电力接收天线与电力发射天线距离为10～20cm时，接收的功率≥30W；在10～15m距离范围内接收端接收的功率≥1.2W，即电力接收天线离电力发射天线越近，接收功率越大。电力接收天线离电力发射天线越远，接收功率越小。通过以上的实验可知在15m范围内此系统可以满足小功率用电器的供电要求，可以广泛应用。
5总结
主要是研究和解决家庭中导线过多的问题。此系统是以特斯拉线圈为核心做电力发射装置。充分利用特斯拉线圈发射功率大，发射磁场强，传输效率高的优点。该系统电路简单、使用方便、灵活性高，是一个很好的装置。
（下转第86页）
86
scopicAerosols，1984：12011
科学技术与
12
工
苏
程
毅，万
15卷
等.晴朗无云天空光谱辐射的近似计敏，胡晓阳，
陈秀红，魏合理，李学彬，等.可见光到远红外波段气溶胶衰减2009；21（2）：183—189计算模式.强激光与粒子束，
ChenXiuhong，WeiHeli，LiXuebin，etal.Calculatingmodelforaerosolextinctionfromvisibletofarinfraredwavelength.HighPowerLaserandparticlebeams，2009；21（2）：183—189
2005；17（10）：1469—1473算模型.强激光与粒子束，
SuYiWanMin，HUXiaoyang，etal.Approximatecomputationmodelofclearskyspectralluminance.HighPowerLaserandParti-cleBeams，2005；17（10）：1469—1473
PerformanceofVisibleandInfraredImagingSystem
duringHaze-fogEpisodes
22
GEMing-feng1，，QIHong-xing1，WANGYi-kun1，，LIUMin1
（KeyLaboratoryofSpaceActiveOpto-ElectronicsTechnology，Shanghai
P．Ｒ．China；InstituteofTechnicalPhysicsChineseAcademyofSciences1，Shanghai200083，
UniversityofChineseAcademyofSciences2，Beijing10049，P．Ｒ．China）
［Abstract］BaseonMietheory，theextinctioncoefficientoftheaerosolandthedetectionrangeofimagesystem
duringhaze-fogepisodeswerecalculatedfromvisibletolongwaveinfrared.Theresultsshowthatduringhaze-fog
episodes，theextinctioncoefficientwilldecreaseandthedetectionrangewillincrease，withtheincreaseofwave-length.Andaserialofimageexperimentwithdifferentwavelengthsofvisibleandinfraredimagesystemhavebeenperformedtodemonstratetheaboveconclusion.Showsthatduringhaze-fogepisodestheperformanceofinfraredim-agesystemisbetterthanthatofvisibleimagesystem，cansolvetheproblemofvisibilitydroppedsharply.
detectiondistance［Keywords］haze-fogMIEtheoryinfraredimagesystem檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸
（上接第81页）
TheWirelessPowerTransmissionSystemBasedonTheteslaCoil
MUChun-yang，LIShi-zhong，LIANGGuo-qiang
（SchoolofMechatronicsEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，P．Ｒ．China）
［Abstract］Aimingattheproblemofelectricityconductorisincreasinginthefamily，thedesignofwirelesspower
transmissionsystemwithaTeslacoilasthecore.Teslacoilaswirelesspowertransmissiondevice，thereceivingde-viceisusedtoproducemagneticresonance（NMＲ）withawirelesspowertransmission.Theexperimentalresultsshowthat，thepowerreceivingportionofthesystemnearthepowertransmissionantennaisabout10～20cmposi-tion，receivingmaximumpowercanreachtensofwatts.Inalocationawayfromthetransmittingantennaisabout10～15m，thereceivedpowerofuptoafewtenthsoftile.So，inthe10cm～10mrangetomeetthesmallpowerelectricappliancesbasicelectricityrequirement.［Keywords］teslacoilwirelesspowertransmissionmagneticresonanceimagingwire
第15卷第13期2015年5月1671—1815（2015）13-0077-06
科学技术与工程
ScienceTechnologyandEngineering
Vol.15No.13May2015 2015Sci.Tech.Engrg.
基于特斯拉线圈的无线电力传输系统
牟春阳
李世中
梁国强
（中北大学机电工程学院，太原030051）
摘
针对家庭中用电导线逐渐增多的问题，设计了以特斯拉线圈为核心的无线电力传输系统。系统以特斯拉线圈为无
线电力发射装置，接收装置采用与电力发射端产生磁共振的形式实现无线电力传输。实验表明，基于该系统的电力接收部分
要
在靠近电力发射天线10～20cm的位置，接收功率最大可达几十瓦，在离发射天线10～15m的位置，接收功率可达零点几瓦。所以，在10～10m范围内满足家用电器的基本用电要求。关键词
特斯拉线圈中图法分类号TM724；
无线电力传输
磁共振A
导线
文献标志码
不随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，
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。在无线电力传输中，最看好的是特斯拉线圈，因为这种线圈不但可以无线发射电力，也可以无线接收电力。基于特斯拉线圈的无线电力传输系统，是将发射端线圈与接收端线圈振荡频率调整至相同，便可以使发射端与接收端发生谐振，这样，便可
［1］
使发射端与接收端进行交互能量。基于特斯拉线圈的无线电力传输系统传输电力，不需要电线，一个功率为几千瓦的特斯拉线圈可以随意将电能输送到几十米之外，可以让在家中的每个用电器都能在家里的任意位置，任意时间都能用上方便省事的
［2］
电能。
2002年，国内外的研究现状和发展趋势，重庆大学开始对非接触式电能传输技术的基础理论及
［3，4］
，并成功研制了一套电动汽工程应用进行研究
车无接触供电系统。东南大学自2006年在无线能量传输方面也进行相关的研究工作，并提出了电场耦合的光电机技术，以及磁耦合谐振式无线能量传输系统功率调频控制技术、电动汽车无线充放电与
［5］
电网互动技术等一系列关键技术。2007年6月，美国麻省理工学院研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。在6ft（约1.83m）之外连将60W的
［4，6］
。2008年9月，北美电力研讨会发灯泡点亮了
他们已经在美国内华达州的雷电实布的论文显示，
2014年12月29日收到
mail：610440605@第一作者简介：牟春阳，女。硕士研究生。E-qq．com。
验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m
［7］
远的距离。
现在利用电磁耦合的电力传输方式已经在一些
家用电器中得到了应用，在小功率的电子产品、
2010年1月7日国际消费电子展上推出世界上首
，台不用电源线、信号线、网络线的“无尾电视”可见
在不久的将来，电力无线传输会实现。
1总体设计方案
基于特斯拉线圈的无线电力传输系统设计考虑的最基本要素是将用电器与市电电插座之间的输电
加入无线电力发射器和无线电力接收导线去掉，
［8］
通过器。无线电力发射器将市电电能升压之后，
整流滤波得到电压较高的直流电，再将电压较高直流电通过LC电路时高压直流电变为高频的交流电，最后发射端再用一个空心共振变压器做发射天线将高频交流电转换为高频强磁场，并且天线将高
［9］
频强磁场发射出去。电力发射部分的原理图和电路图如图1和图2
。
Fig.1
图1电力发射端原理图
Schematicdiagramofpowertransmitter
无线电力接收器天线和接收端电容构成接收端
电力接收LC电路的震荡频率将与发射的LC电路，
天线发射出的高频强磁场的频率相同，即产生磁共振，从而接收端以较少的损耗接收并将磁场转换为电能。最后将高频电通过变频或者整流滤波直接供
［9］
给用电器使用。电力接收部分的原理图和电路图如图3和图4。
图2电力发射部分电路Fig.2Powertransmission
circuit
Fig.3
图3电力接收端原理图
Principlediagramofpowerreceivingend
2
2.1
电力发射部分
市电电压的升高
但要满足特斯拉线圈的变压器的种类有很多，
正常工作，则必须要求变压器能将电压升到2000V以上；如果要满足部分家用电器的用电要求，则变压器的功率不低于800W，并且体积小，能满足在比较恶劣的条件下长时间稳定工作。经检测在我们日常
［10］
生活中的微波炉变压器比较合适。
用两个升压变压器，将变压器的输入端并联，将
若每个输入端的有若输入电压为Uin，输出端串联，
效电流为Iin，那么每一个变压器的输入功率为
UinIin（W），若在每一个变压器上的次级线圈上的电流为I2，则串联之后的电流因为次级线圈为串联，
因为每一个变压器在输入为Uin的条件下，还是I2。
输出有效值为Uout，则次级线圈串联后输出电压有
由于每一个变压器的输入功率为P，效值为2Uout。
输出的电流不变，而电压变为原来的2倍，则升压后的总体输出功率为2P。理想条件下，单个变压器的
UinIin
。即I2=在普通功率关系式为UinIin=UoutI2，
Uout
单个输出微波炉变压器的输入电压为Uin=220V，
电压为Uout=2000V，经过市电升压之后，输所以，
输出电流I2=0.4A，输出电压为Uout总=4000V，
出功率Pout=1600W。2.2初级升压的整流滤波
采用了将升压后的整流滤波部分的电路设计，
高压电通过由4个耐压值为12kV
的高压二极管组
图4电力接收部分电路Fig.4Powerreceivingcircuit
经过全桥整流后通过一个20成的全桥整流电路，
kV无极性高压电容的初级滤波后，再通过两个2H的回形电感后，得到比较平缓的高压直流电。
经过市电升压部分后，正弦交流电电压有效值由220V变为4000V，经过由4个高压二极管组成的全桥整流电路后得到如图5实线所示的波形，再经过电容滤波和电感整流之后得到如图5虚线波形，此时电压平均值U平均=5655V。整流滤波电路的相关参数如表1。
表1Table1
参数名称输入功率频率输入电压滤波电容值显示周期桥式整流二极管压降
VDC（最大）
VDC（最小）
整流滤波电路输入输出相关参数Ｒectifierandfiltercircuitinputandoutputrelatedparameters
数值[**************]0.75655.4542495654.751168
单位WHzVμFmsVVV
性。LC电路中的电容采用国产MKP电容，工作频率在2.4G以内绝缘介质介电系数变化很小，电容量几乎不变，损耗较小。
高频交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密
。趋肤效应使导度越大。这种现象称“趋肤效应”
体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。LC震荡电路的电感采用直径为8mm铜管绕制而成，体积较大，电感较小，在高频条件下工作具有良好的散热导电性能，并且高频作用下采用管状导线
“趋肤效应”更能够降低和减少的产生。
LC振荡电路中，电容使用耐压值为1200V，容量为0.33μF的MKP电容，由于输入直流电电压在5000～5700V之间，而当电容在约200kHz的频率下耐压值降为约520V，所以采用将电容串联，使得每一个电容分担一部分电压，从而满足高频高压电的要求。电路中的电感，也就是发射端的初级线圈，由直径为8mm的铜管绕制而成，一共绕制9圈，内径为130mm，绕制形式为平铺的“蚊香”式，线与线的间距为5mm。
电容串并联后的耐压值计算公式为：
n=
VmaxU0
5700V
=10.96，取n=11。
520V
（1）
得：n=
电容串并联后的电容值计算公式为：串联：
图5整流滤波前后的波形
Thewaveformofrectifierfilterbeforeandafter
Fig.5
初级电路的LC振荡电路
由于整流后的直流电压达到了5000V，电压较高，已经超过了现在大部分常用电子元器件的耐压值，用半导体器件搭建震荡电路比较困难。设计初级电路的LC振荡电路设计的起振使用的是高频真
501。电子管负载能力强，空电子管FU-线性性能优
于晶体管，在高频大功率领域的工作特性要比晶体
501的允许电流大，管更好，并且真空电子管FU-为
600A，截止频率可达到30MHz，功率达1.5kW，阴极和阳极的击穿电压为4000V，满足线圈工作的基本要求。并且两级使用的是钍钨材料，电子管长时间击穿工作对极板的损耗较小，能满足长时间工作的要求。
此LC震荡电路工作频率在150～200kHz之间，频率较高，要求电容要具有较好的电容器频率特2.3
1111
++…+'=C1C2CnCX
可计算得11个电容串联后容量为C'X=0.03μF。电感的计算公式为：
N2A2
L=
30A－11D1
可计算得：L=20.85μH。式中：
A=
D1+N（W+S）
2
（2）
（3）
（4）
各参数如图6所示。
LC电路振荡频率的计算公式为：
1
F=
2Pi可计算得：F=201.5kHz。2.4
（5）
电力发射天线的设计
电力发射天线（如图7）是有一个空心电感线圈（次级线圈）和一个与地耦合的顶端电容构成的。
80科学技术与工程15卷
顶端电容部分的计算公式为：C=2.81.2781－
(
D2D1
)Pi2×（D1－
D2）
4Pi
22
（7）
各参数如图9所示。
图6电感（初级线圈）参数及绕线形式
Fig.6Inductance（primarycoil）parameters
andwindingform
空心电感线圈（次级也是一个LC震荡电路。其中，
线圈）用0.5mm的漆包线绕在一根PVC塑料管上做成。顶端电容用环形软塑料管，外面包上导电纸做成
。
Fig.9
图9顶端电容参数及形式
Thetopcapacitanceparametersandform
电容高度D2=顶端电容的外径D1=550mm，
145mm，计算得到顶端电容的值C=24pF。
次级电容值C=24次级电感值L=25.716mH，
pF，由公式：
1
（8）F=
2Pi'
得到次级线圈的振荡频F=202.587kHz。由于，初级LC电路振荡频F=201.5kHz和次级LC电路振荡频率F'=202.587kHz，由相对误差公式
|F'－F|ΔF
×100%=×100%，得到初次LC电δ=FF
路的谐振相对误差为δ=0.54%＜1%，初级LC电路和次级LC电路的频率相差很小，可以忽略不计。
图7电力发射天线的电路形式与外形
Fig.7Circuitformandshapeofpower
transmittingantenna
电感部分的计算公式为：
N2Ｒ2
L=
9Ｒ+10H
各参数如图8所示
。
3
（6）
3.1
电力接收部分
电力接收端LC电路与天线
发射端天线发出的是周期变化的高频磁场，发射天线为竖直的，所以，在发射天线螺线管内的磁感线方向为竖直的，发射天线发出的磁场的磁感线也是竖直或者接近竖直。所以要提高电力接收端的接收效率，则接收端的天线也为竖直放置。由于接收的是高频变化的磁场，接收端也采用LC电路的形式，根据用电器的体积和用电功率合理的选择接收天线和振荡电容，使接收端LC电路的振荡频率在190～210kHz之间，与发射端的LC电路发生谐振，以此来减少损耗，并且提高接收效率。3.2电力接收端的整流滤波
接收端的接收电路将磁场转换为频率接近高频变化的交变电流，频率在190～210kHz之间变化。接收端的整流电路首先用桥式整流电路将交变电流变为脉动的直流电，然后将脉动的直流电在经过滤波整流后变为供给电器的直流电。桥式整流由4个高压二极管搭建，并且每一个二极管都并联一个无
图8电感（次级线圈）参数及绕线形式
Fig.8Inductance（secondarycoil）parameters
andwindingform
空心电感线圈（次级线圈）绕线匝数N=1118圈，直径D=115mm，高度H=680mm，计算得到空心电感的值L=25.716mH。
13期牟春阳，等：基于特斯拉线圈的无线电力传输系统81
使得二极管在整流过程中始终处于极性陶瓷电容，
工作状态，从而补偿了高压二极管的高频特性。通过桥式整流后得到的脉动变化的电流再通过电容和电感的初步整流，得到比较平缓的直流电，从而完成了电力接收转换的工作。接收到的电力在经过稳压、逆变、降压等，再供给用电器直接使用。
参
1
曾
考文献
翔.无线电力传输技术研究.硅谷.2010；（10）.161—162
ZengX.Wirelesspowertransmissiontechnologyresearch.SiliconVal-ley，2010；（10）.161—1622
李
闫阳，杨庆新，
卓，等.磁耦合谐振式无线电能传输方向性
2014；29（2）：197—203分析与验证.电工技术学报，
LiY，YangQX，YanZ，etal.Magneticcouplingresonantradiocantransmitdirectionalanalysisandverification.JournalofElectricianTechnique，2014；29（2）：197—2033
孙
戴跃，王智慧，
欣.非接触电能传输系统的频率稳定性研
2005；20（11）：56—59究.电工技术学报，
SunY，WangZH，DaiX.Studyonfrequencystabilityofcontactlesspowertransfersystem.JournalofElectricianTechnique，2005；20（11）：56—594
谭林林，陈黄学良，
中，等.无线电能传输技术研究与应用综
2013；28（10）：1—11述．电工技术学报，
HuangXL，TanLL，ChenZ，etal.Ｒeviewandresearchprogressonwirelesspowertransfertechnology.JournalofElectricianTechnique，2013；28（10）：1—115
黄
谭林林，等.基于磁场谐振耦合的无线电力传输辉，黄学良，2011；30（1）：32—35发射及接收装置的研究.电工电能新技术，
HuangH，HuangXL，TanLL，etal.Basedonthestudyofmagneticresonancecouplingthetransmitterandreceiverofwirelesspowertransmission.ElectricalEngineeringandEnergyTechnology，2011；30（1）：32—356
KursA，KaralisA，MoffattＲ，etal.Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances.Science，2007；317（6）：83—867
李
照.无线电力传输技术的基本原理与应用前景.考试周刊，2011；（57）：148—149
LiZ．Thebasicprincipleandapplicationofwirelesspowertransmissiontechnology.ExamWeek，2011；（57）：148—1498
李岩松，杨以涵，等.无接触数据传输技术在配电网故障刘强强，
2009；37（12）：89—93定位的应用.电力系统保护与控制，
LiuQQ，LiYS，YangYH，etal.Applicationofnoncontactdatatransmissiontechnologyinfaultlocationofdistributionnetwork.PowerSystemProtectionandControl，2009；37（12）：89—939
莫小勇，张范兴明，
鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状
2013；28（12）：75—80及应用.电工技术学报，
FanXM，MoXY，ZhangX．Presentsituationofresearchandappli-cationofmagneticcouplingresonantwirelesspowertransmis-sion.JournalofElectricianTechnique，2013；28（12）：75—8010
吴邓茂军，
起，陈
亮，等.基于电子式互感器的电炉变压器
2011；39（9）：114—118差动保护研究.电力系统保护与控制，
DengMJ，WuQ，ChenLiang，etal．Studyofelectricfurnacetrans-formerdifferentialprotectionbasedonelectronictransformer.PowerSystemProtectionandControl，2011；39（9）：114—118
4实验结论及分析
完成了系统的设计对系统进行测试，验证是否能满足设计要求，把系统的电力接收装置在离电力发射不同距离下进行观察测试。具体的实验过程如下：
1）将电力接收端的输出部分接30W的白炽灯，接收天线在靠近电力发射天线10～20cm的位置时，灯泡达到正常亮度，即接收端接收的功率≥30W。电力接收天线逐渐远离电力发射天线时，灯泡的亮度逐渐变暗，在离发射天线距离为8～9m时，灯泡已经完全不亮。
2）将电力接收端的输出部分接上由20个0.06W绿光LED并联组成的总功率为1.2W的LED阵列。接收天线在靠近电力发射天线10～15m的位
LED阵列到正常亮度，置时，即接收端接收的功率≥1.2W。电力接收天线逐渐远离电力发射天线
LED亮度逐渐变暗，时，在离发射天线距离为20m
LED阵列已经完全不亮。左右时，
现象分析及结论：电力接收天线与电力发射天线距离为10～20cm时，接收的功率≥30W；在10～15m距离范围内接收端接收的功率≥1.2W，即电力接收天线离电力发射天线越近，接收功率越大。电力接收天线离电力发射天线越远，接收功率越小。通过以上的实验可知在15m范围内此系统可以满足小功率用电器的供电要求，可以广泛应用。
5总结
主要是研究和解决家庭中导线过多的问题。此系统是以特斯拉线圈为核心做电力发射装置。充分利用特斯拉线圈发射功率大，发射磁场强，传输效率高的优点。该系统电路简单、使用方便、灵活性高，是一个很好的装置。
（下转第86页）
86
scopicAerosols，1984：12011
科学技术与
12
工
苏
程
毅，万
15卷
等.晴朗无云天空光谱辐射的近似计敏，胡晓阳，
陈秀红，魏合理，李学彬，等.可见光到远红外波段气溶胶衰减2009；21（2）：183—189计算模式.强激光与粒子束，
ChenXiuhong，WeiHeli，LiXuebin，etal.Calculatingmodelforaerosolextinctionfromvisibletofarinfraredwavelength.HighPowerLaserandparticlebeams，2009；21（2）：183—189
2005；17（10）：1469—1473算模型.强激光与粒子束，
SuYiWanMin，HUXiaoyang，etal.Approximatecomputationmodelofclearskyspectralluminance.HighPowerLaserandParti-cleBeams，2005；17（10）：1469—1473
PerformanceofVisibleandInfraredImagingSystem
duringHaze-fogEpisodes
22
GEMing-feng1，，QIHong-xing1，WANGYi-kun1，，LIUMin1
（KeyLaboratoryofSpaceActiveOpto-ElectronicsTechnology，Shanghai
P．Ｒ．China；InstituteofTechnicalPhysicsChineseAcademyofSciences1，Shanghai200083，
UniversityofChineseAcademyofSciences2，Beijing10049，P．Ｒ．China）
［Abstract］BaseonMietheory，theextinctioncoefficientoftheaerosolandthedetectionrangeofimagesystem
duringhaze-fogepisodeswerecalculatedfromvisibletolongwaveinfrared.Theresultsshowthatduringhaze-fog
episodes，theextinctioncoefficientwilldecreaseandthedetectionrangewillincrease，withtheincreaseofwave-length.Andaserialofimageexperimentwithdifferentwavelengthsofvisibleandinfraredimagesystemhavebeenperformedtodemonstratetheaboveconclusion.Showsthatduringhaze-fogepisodestheperformanceofinfraredim-agesystemisbetterthanthatofvisibleimagesystem，cansolvetheproblemofvisibilitydroppedsharply.
detectiondistance［Keywords］haze-fogMIEtheoryinfraredimagesystem檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸
（上接第81页）
TheWirelessPowerTransmissionSystemBasedonTheteslaCoil
MUChun-yang，LIShi-zhong，LIANGGuo-qiang
（SchoolofMechatronicsEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，P．Ｒ．China）
［Abstract］Aimingattheproblemofelectricityconductorisincreasinginthefamily，thedesignofwirelesspower
transmissionsystemwithaTeslacoilasthecore.Teslacoilaswirelesspowertransmissiondevice，thereceivingde-viceisusedtoproducemagneticresonance（NMＲ）withawirelesspowertransmission.Theexperimentalresultsshowthat，thepowerreceivingportionofthesystemnearthepowertransmissionantennaisabout10～20cmposi-tion，receivingmaximumpowercanreachtensofwatts.Inalocationawayfromthetransmittingantennaisabout10～15m，thereceivedpowerofuptoafewtenthsoftile.So，inthe10cm～10mrangetomeetthesmallpowerelectricappliancesbasicelectricityrequirement.［Keywords］teslacoilwirelesspowertransmissionmagneticresonanceimagingwire