0.2 特斯拉线圈电磁共振式无线电能传输

无线电能传输的研究基础可以追溯到1820年安培（André-Marie Ampère）提出的安培定理和1831年法拉第（Michael Faraday）提出的法拉第电磁感应定律，在此基础上，1864年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）建立了电磁场方程，用数学的方法描述电磁辐射理论，同年赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）证实了电磁辐射的存在。

1893年，美国科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在哥伦比亚世博会上展示了利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡，这是人类在无线电能传输初期的重要尝试，他对感应线圈的研究产生了一种叫作“特斯拉线圈”的装置。

1901年，尼古拉·特斯拉获得金融家约翰·皮尔蓬·摩根（John Pierpont Morgan）的资助，在美国纽约长岛建立了约57m高的无线电能传输塔——沃登克里夫塔，如图0-7所示。在这之前，尼古拉·特斯拉曾在美国科罗拉多州进行实地试验，成功点亮了约40km外的200盏电灯。虽然此项目以失败告终，尼古拉·特斯拉本人也因此破产，但却不失为无线电能传输研究的创举。

1．特斯拉线圈高压放电原理

特斯拉线圈是一种特殊的变压器，这种变压器通过多级耦合电路将普通交流电压提升到百万伏或者千万伏级别的电压，从而实现电能的无线传输。经过特斯拉线圈作用的放电终端电容上的电压特性为低电流、超高压、高频率。

基本的特斯拉线圈放电电路原理图如图0-8所示，特斯拉线圈放电电路运用两个LC谐振回路，将输入直流电压变换成高频高电压输出，产生相应频率的电磁波。特斯拉线圈的工作原理与普通变压器有较大不同，普通变压器的耦合系数K一般接近于1，所以一次和二次电压基本成比例关系。而特斯拉线圈的耦合系数一般很小，工作时两级电压比例是变化的，不成线性关系。

特斯拉线圈放电电路的主体部分包括升压充电电路、一次谐振回路和二次谐振回路。一次谐振回路由一次绕组、主电容和打火器构成。二次谐振回路由二次绕组和放电顶端构成。电容和电感的参数必须保证两回路的谐振频率一致。

特斯拉线圈高压放电工作过程：高压直流电源要先通过充电开关S₁闭合给主电容C₁充电，当电压达到打火器S₂间隙的空气电离打火放电阈值时，空气被击穿，建立L₁、C₁一次谐振回路，通过一次谐振回路向L₂、C₂二次谐振回路传递电能，这时充电开关S₁断开，等待下一次充电。二次谐振回路接收电能，放电顶端的电压逐渐增大，并电离附近的空气，“寻找”放电路径，一旦与地面形成“通路”，“闪电”也就出现了。几个周期后，一次回路电能释放完毕。较大部分的电能都转移到二次回路上，一部分电能损耗在回路上。二次回路继续振荡，并反客为主，带动一次回路振荡，以相同的方式把刚才得到的电能还给一次回路，但有一部分电能损耗在回路上，如此反复，直到损耗掉大部分电能。当打火器S₂两端电压和电流都不足时，S₂断开。下一步直流高压电源通过充电开关S₁再次给主电容C₁充电，重复以上过程。

特斯拉线圈放电最大的特点是电路始终处于动态过程，当电压一旦低于一定值的时候，主电容充电又开始。

2．特斯拉线圈无线电能传输原理

利用特斯拉线圈可以将普通交流电压变换到高频高压范围，实现电力的无线传输，将电能输送到很远的地方。特斯拉线圈无线电能传输是将传输线圈的一端接到大地。

特斯拉线圈可做成圆柱形线圈或平面线圈。特斯拉线圈的圆柱形结构如图0-9所示。

做成圆柱形结构的特斯拉线圈无线电能传输系统包括发射部分和接收部分。发射部分由升压空心变压器T₁和电容C₁组成，其中N₁₁是升压变压器T₁的一次绕组，N₁₂是二次绕组，N₁₂一端接地，另一端和封闭电容C₁的表面连接，封闭电容C₁只有一个极，另一个极通过空气介质后到接地端，这样N₁₂的接地端和封闭电容C₁的接地端连接，形成升压变压器T₁的一次绕组N₁₂的等效电感L₁和电容C₁组成的LC谐振回路。接收部分由电容C₂和降压空心变压器T₂组成，其中N₂₁是降压变压器T₂的一次绕组，N₂₂是二次绕组。同样，降压变压器T₂的一次绕组N₂₁一端接地，另一端和封闭电容C₂的表面连接，封闭电容C₂也只有一个极，另一个极也是接地端，这样，降压变压器T₂的一次绕组N₂₁的接地端和封闭电容C₁的接地端连接，形成降压变压器T₂的一次绕组N₂₁的等效电感L₂和电容C₂组成的LC谐振回路。L₁和C₁组成的LC谐振回路的谐振频率与L₂和C₂组成的LC谐振回路的谐振频率相同。电容C₁和C₂是球形或椭球形表面封闭的结构，表面是金属导电层。

特斯拉线圈的平面结构如图0-10所示，发射部分升压空心变压器T₁采用平面结构，其中N₁₁是升压变压器T₁的一次绕组，N₁₂是二次绕组；接收部分降压变压器T₂也采用平面结构。电容C₁和C₂也是球形或椭球形表面封闭的结构，表面是金属导电层。

做成平面结构的特斯拉线圈的工作原理是高频输入电源u₁经过升压变压器T₁升压，二次绕组N₁₂的等效电感L₁和顶端封闭电容C₁谐振，在二次绕组N₁₂上产生谐振高电压。二次绕组N₁₂上的高电压实际上进行了两次升压，第一次升压是空心变压器的升压，升压值是（N₁₂/N₁₁）u₁，第二次升压是由L₁和C₁谐振产生的，电容C₁上的高频电压和N₁₂上的电压幅值相等，相位差为180°，升压值是是发射侧谐振回路的品质因数，其中R_L是顶端电容C₁到地的等效负载电阻，在等效负载电阻R_L产生的功率就是发射部分的发射功率，发射部分的电能是通过C₁发射的。接收部分通过顶端电容C₂接收电能，经过降压变压器T₂的一次绕组N₂₁的等效电感L₂和顶端封闭电容C₂谐振，在一次绕组N₂₁上产生谐振高电压，经降压变压器降压，在接收部分输出端得到高频交流电压u₂，u₂和u₁的频率相同。

特斯拉线圈无线电能传输电路包括电能发射部分和电能接收部分，发射部分和接收部分都为竖直放置，电容C₁和C₂都放置在顶端。图0-11是特斯拉线圈无线电能传输原理图。无线电能发射部分将输入交流电压u升压之后，通过整流电路Bra和滤波电容C_Z得到较高的直流电压，通过电子管三点式谐振电路变为高频的交流电，通过空心共振变压器T₁组成的发射天线将高频交流电转换为高频强磁场发射电能，如图0-11a所示。无线电能接收部分通过接收天线和降压变压器T₂降压，变压器二次电感L₂和接收端电容C₂构成接收端的LC谐振电路，经高频整流电路Brb和L₀C₀滤波电路变换成直流电提供负载，如图0-11b所示。无线电能接收部分的LC谐振电路的振荡频率与发射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。

在特斯拉线圈发明以后的100多年中，1961年，布朗（William C.Brown）发表文章探讨微波功率传输的可能性。1968年，美国航空工程师Peter Glaser提出了建立空间太阳能电站的概念，利用在外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究，人类向无线电能传输的梦想前进了一大步。1971年，新西兰奥克兰大学（The University of Auckland）奥托教授（Don Otto）开发出一个靠感应供电的小手推车。1988年，约翰·包尔斯教授领导的电力电子小组开发出采用新的工程材料和电力电子技术的逆变器，能够实现感应电能传输。1990年，约翰·包尔斯团队开发了一种新技术，可以让多个车辆运行在同一感应功率回路，并能提供独立的控制。2005年，约翰·包尔斯改善了三相感应电能传输电路，在实验室中实现了通过无线方式给移动车辆供电。