无线电力传输范文

导语：如何才能写好一篇无线电力传输，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

特斯拉线圈发明，

无线电力传输问世

1891年，科学家尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla）发明了一种感应线圈，它可以产生非常高的交流电压。特斯拉就用它实现了电力的无线传输。

特斯拉线圈的原理很简单，它的核心就是两个变压器。经过特斯拉的特殊设计，它可以生产上亿伏的电压。而上亿伏的电压，已是自然界雷电的电压水平。

有人说，美国著名科学家富兰克林（Benjamin Franklin）“把雷电从天上抓到人间”，其实用这个说法来形容特斯拉似乎更合适。富兰克林只是用风筝收集到一部分静电，而特斯拉曾制造出超过1亿伏的电压，非常接近自然界的雷电水平。现在我们做雷电实验的装置，核心就是一个特斯拉线圈。

闪电实验后，特斯拉又逐步认识到他的线圈其实也是一个能量传输装置：初级线圈与次级线圈是可以分开一定距离的。经过反复试验，1899年特斯拉在他的实验室利用磁感应原理，无线点亮了18米外的电灯泡。

电与磁的交响曲，

无线电力传输的本质与途径

无线电力传输，实质上就是能量的传输。电力的本质是电子的移动，无线电力传输能不能直接传输电子呢？这在目前的技术条件下是不大可行的。因为电子天生爱自由，离开导线后，它的运行轨迹就很难控制。并且，相对来说电子的体积和质量都太大，向目标无线发射时，发射源的电压要极高才行――雷电转移的就是电子，这个过程很暴烈。

现在，能利用的无线电力传输技术，核心原理是电磁感应。电磁场没有体积与质量，与空气等很多物质几乎没有任何相互作用，却具有一定的能量，可以不依靠导线而以光速传播――貌似很有前途。

但电磁场也有一个问题，恰恰是因为它没有质量，也不带电荷，它的能量很小，即传输功率很低。况且，虽然初级线圈与次级线圈是可以分开的，但电磁场的感应强度会随距离的增大而急剧减小――目前市场上的手机无线充电器，主要原理就是电磁感应，功率都不大，且要求距离非常近才行。

电磁感应还有一个神奇的兄弟――电磁波，低频变化的电磁场平淡无奇，但当这种变化达到一定程度时，电磁波就会犹如一股神秘的力量出现。太阳是一个巨大的磁体，但其磁场的主要影响也仅限于表面几千米以内，而其辐射的光（也是电磁波）则可以将其能量带到亿万千米以外。月球距太阳约1.5亿千米，但其白天的表面温度高达120℃以上，就是因为太阳光的照射。可见，用电磁波无线传输能量是完全可行的。

特斯拉壮志未酬，

伟大梦想重启风帆

无线电力传输技术与一个伟大的梦想相连。特斯拉在无线点亮灯泡的次年（1900年），还产生了一个更大胆的设想：建造一个发射机作为“电源”，以地球高空的电离层作为“放电线圈”，再在其他位置建造一个“电力接收机”，就能实现电力的全球无线传输，极富想象力！

篇2

关键词：多点应力测试；WIFI；无线传输技术

中图分类号：U260.331+.2 文献标识码：A

多点应力测试系统是针对行星齿轮轴承应变测试而设计的系统，用于实现行星齿轮传动过程中相关应力参数的动态测试，以掌握齿轮均载性能。系统包括两个部分：多点应力测试部分、上位机测量显示软件系统。其原理是，将应变计粘贴在行星轮齿轮轴承传动轴测试部位，以获取齿轮轴承应变参数，经过测量电路处理，最终由WIFI模块传输，将轴承应变数据在上位机测试系统中实时地显示出来。

1 多点应力无线测试系统原理及构成

多点应力无线测试系统将齿轮传动轴承应变计信号进行调理放大、数字测量及无线传输到密封体外部。

为了实现高速度、高分辨率、高精度的应变信号测量，在测量电路框架体系设计时，对每个测试点采用独立测试通道技术方案，即：对于各路应变测试点，设置完全独立而完整的测量电路通道，每个通道实时地、连续地、同步地对各自的测试点进行测量，然后每个通道的数字通讯端口组成RS422总线，在上位机软件控制下，一问一答式地输出各通道的当前测量信息。

一个独立测试通道的功能包括：提供应变电桥激励信号，对电桥输出信号进行调理、滤波、模数转换、测量算法、标定、温漂时漂补偿、线性修正、通讯功能等环节的处理。独立测试通道电路模块工作原理如图1所示：

数字模块把外部提供给它的9V直流工作电源变换成某个频率的载波信号，提供给电阻应变计测量电桥作为激励源，同时将电桥输出的微弱测量信号进行检波调理，之后该模拟信号进入数字卷合器变换成数字信号，该信号在DSP中完成了诸如数字滤波、线性化、速率控制、坐标变换、零点、刻度、同步、补偿、均衡等处理过程，最终测量结果以数字形式从串行通讯界面送出。

2 系统硬件设计

测试点数据采集主要依靠传感器实现，它采用金属电阻应变片组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细、电阻增加的原理，即利用金属电阻随所受应变而变化的效应实现测试点应变检测。把齿轮传动轴受力变化引起的应变片电阻变化反应到电压变化上。

电阻应变电桥电路如图2所示。其输出电压：

VO=Vi×（■-■）（1）

平衡时VO＝0；

当电桥多个电阻的取值发生变化时输出电压也随之变化VO=Vi×■。由于电阻变化通常较小，输出电压变化量仅几十毫伏。

信号的放大由仪表放大器AD524实现。

A/D转换器选用精密的连续自校准A/D转换器ADS1100

DSP控制电路中单片机采用ATmega128。

3 无线通信模块

无线收发芯片是无线信号传输模块的主要单元，其研制决定了整个无线信号传输模块的主要参数。

无线通信模块的研制需要考虑几点要素：传输速率、载波频段、调制方式、功耗、传输距离、发射功率、接收灵敏度、发射接收频率稳定度、收发芯片所需的元器件数量、芯片成本、数据传输时的纠错码研制等。基于以上几点要素，我们选用Wi-Fi高速短距离无线传输技术。

3.1 无线测试系统的总线通讯效率设计

设测试通道数为10个。电脑对每一测试通道的理论通讯测试效率计算如下，通讯波特率设定为57600bits/S，MCU扫描10个通道一圈所需要的时间为：12+2.75×10=39.5ms；

所以在1秒钟内最多可以把每个组的每个测试点扫描1000/39.5=25次。

4计算与测试

4.1 放大倍数计算

依据AD524内部结构可知，AD524可组成固定增益为10/100/1000的电路；电路中使用0.1%的精密电阻RG=160Ω控制放大倍数，其放大倍数为如下：

GAIN=[■+1]±20%=[■+1]20%=25120%±20%（2）

可以实现对0-20mV到0-5V的信号放大功能。

4.2 ADS1100转换精度计算

输出码可由以下表达式计算出：

输出码=-1×最小码×PGA×■（3）

设最大显示提供1200kN的测量，设置A/D转换速率16次/秒，可以提供15位的数据输出，最大码为16383，能够提供的分辨率为：

■=0.036KN （4）

达到0.05kN分辨率的指标要求。

5 软件设计

软件设计是采用模块式进行的。由数据采集，线性校正，尺度转换和RS422通信等几部分组成。各部分由单片机程序协调工作。通信协议为RS422通讯协议。

6 系统性能测试

输入转速为410r/min，齿轮输出转速为21r/min，载荷为2.5kw，上位机每隔五分钟对10通道的实时数据进行记录，测试数据如表1所示。

经过对数据的分析可知，信号再现精度满足0.8%的要求，可以实现对齿轮传动轴的应变动态测试。

结语

基于无线传输的多点应力测试系统研究, 可以有效的解决行星齿轮传动过程中相关应力参数的动态测试，并克服齿轮特殊结构的限制，有效避免信号传输过程中的干扰影响，提高了齿轮传动轴运转过程中均载的可控性。本系统可广泛应用于船舶等大型机械的齿轮轴承均载性能测试过程。

参考文献

[1]赵家贵.新编传感器电路研制手册[M].北京：中国计量出版社出版，2002（01）.

[2]张国雄.测控电路[M].天津:天津大学出版社，2006（07）.

篇3

特斯拉构想

100年前，交流电的发明者美国人尼古拉・特斯拉从闪电中获得灵感，设计了“特斯拉线圈”，这是一种分布参数高频共振变压器，可以轻松获得上百万伏的高频电压。游戏《红色警戒》系列里面的电磁塔（特斯拉塔）就是根据特斯拉线圈设计的。

后来，特斯拉发明了所谓的“放大发射机”，现在称之为大功率高频传输线共振变压器，用于无线输电试验。特斯拉的无线输电技术神乎其技。特斯拉把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过他的放大发射机，使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8赫兹的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。这一系统与现代无线电广播的能量发射机制不同，而与交流电力网中的交流发电机与输电线的关系类似，当没有电力接收端的时候，发射机只与天地谐振腔交换无功能量，整个系统只有很少的有功损耗，而如果是一般的无线电广播，发射的能量则全部在空间中损耗掉了。

无线充电的发展

在石油资源日渐枯竭的今天，无线电能传输对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义，因此许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年，美国工程师Peter Glaser提出了空间太阳能发电(Space Solar Power，SSP)的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能传输回地球，并通过整流天线把微波转换成电能（如图）。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划――建立太阳能卫星基准系统。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电。野心勃勃的日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。

香港城市大学的许树源教授早在几年前就曾经成功研制出一种无线电池充电平台，可将数个电子产品放在一个充电平台上，透过低频电磁场充电，充电时间与传统充电器无异，技术实现也不深奥。这种无线电池充电平台利用的就是变压器原理――变化的磁场中闭合的金属线圈会产生电流。而英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads，就是变压器原理商业化的无线充电产品。

在2011年日本最大的无线通讯展（Wireless Japan 2011）上，研究人员展示了一款二维通讯设备。当用户将电子设备放在平板上时，系统会在设备所放位置的特定领域聚集电磁波，而不是在整块平板上均衡地发散。如此一来，只有设备放置处的导电膜片（conductive sheet）才会收到电磁波。这种方法不仅可以集中传输电力，还能提高节能效率，这样绝大部分的能源就被节省下来了。

无线电能传输有电磁感应、电磁共振和微波三种基本方式，这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。其中电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发，收发设备需要有较高的识别能力，由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失，因此效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。电磁共振方式是利用电磁波通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电，磁场的强弱决定了它的传输距离和效率，它可以实现10m左右距离的室内供电。微波方式是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后使用。几种技术各有特点，近来电磁感应和电磁共振技术取得了突破，更适合日常应用。

无线充电的未来

由线圈旋转切割磁场产生的电流，两个设备中分别使用了一个具备振荡电路特性的线圈组成一对收发天线，让其中一个天线发送能量，另一个天线则接收能量。当向其中的发送线圈加载数兆赫兹的交流电场之后，其天线周围产生磁场，通过相同频率共振向处于一定距离之外的另一根天线传输电力，从而实现无线电力传输。英特尔西雅图实验室就试制出了这样的磁场耦合共振电力收发器，可以在2米距离内无线给60W灯泡提供电力。英特尔首席技术官Justin Rattner表示，未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部，只要将笔记本、手机等放在桌上就能够立即供电。笔者认为这才是无线充电技术的未来。

无论是电磁感应，还是电磁共振技术，效率都和产生磁场的线圈大小有关。如果要将它内置到充电装置和笔记本、手机等便携设备中，就必须精简线圈尺寸，发送和接收效率自然也会随之下降，因此需要更先进的控制芯片以及收发电路设计使无线电能的传输效率提升到75%以上，从而让无线供电的效率更高，充电时间更短。

不过距离也是无线电力传输的一大障碍，距离越远损耗越大，接收端能感应到的电能也就越少。然而在通常情况下，当接收端天线的固有频率与发射端的磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。不过，这种电磁场的频率可能对设备内部的其他部件造成干扰。

在未来，我们可以将无线充电装置放在办公室、旅馆和机场的顶部，只要身处发射共振有效工作距离之内，就能立即为笔记本、手机无线充电，就像现在已经十分普及的WiFi无线上网一样简单。人们不再需要随身携带充电器，不再为各种不匹配的接口而发愁，也不必为延长待机时间而使用笨重的电池了。也可以在自家的墙上安装一个电力发射器，这样所有的家用电器也可以实现无线充电。

篇4

关键词 无线网络；数据传输；无线供电

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-082-01

现代通信技术的发展正在逐步推动着人们的生活和工作向智能化方法发展，这种智能化不仅要求人们可以通过便捷的网络接入服务获得高效、安全、简便的网络数据传输，还希望能够通过无线系统为网络接入设备提供电力支持，增强网络使用的可持续性。

1 无线网络及无线充电技术概述

传统的局域网络通常是由有线电缆连接组建的，这种组建方式下的数据传输速率较快，基本可以满足人们的使用需求。但是随着网络应用需求的转变，这种网络技术已经开始变得不适宜使用需求，具体表现为：网络出现问题时检查难度大；网络布局复杂，无法实现灵活快速的组网。为解决这个问题，基于无线通信技术的无线网络得到了充分的发展。目前使用较为广泛的无线网络数据传输技术有Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术等等。综合来看，Wi-Fi技术的网络覆盖范围较大，可支持的传输速率相对较高，网络接入更加便捷安全，非常具有实用价值。

传统的设备供电是通过金属导线实现的，但是在这种供电过程中容易因摩擦、电气接触等原因影响电气设备的安全性能，且供电范围具有非常大的局限性。而无线通电技术则消除了传统充电技术中存在的诸多问题，提升了为设备供电的灵活性。常用的无线充电方式有电磁感应式、电磁共振式以及电磁辐射式三种，在具体使用时需要根据实际应用要求适当选取。

将无线数据传输与无线供电技术进行结合可以大大增强网络通信的灵活性和安全性，降低网络技术应用过程中维护成本，促进网络通信环境向智能化方向发展。

2 无线网络数据传输及无线供电方案设计

电磁共振充电技术具有较高的电能传输效率且几乎不会对人体产生影响，是一种非常具有发展前景的无线充电技术。若配合使用Wi-Fi技术组件无线数据传输网络，可以实现较好的网络使用效果。

整个系统以无线数据传输中转站为核心，每个无线设备终端的数据传输、下载以及无线充电等功能均通过该中转站完成，中转站提供了数据接口，利用该接口可以将无操作系统的设备如打印机等接入到无线网络中。特别是为了实现无线充电，设备终端与中转站内均配备了天线，该天线的作用为产生相同频率的电磁信号。整个系统的数据传输及无线供电结构如图1所示。

由图1可以看出，系统分为中转站和用户端两部分，其中每一部分中均包含无线数据传输模块和无线供电模块。但是位于中转站中的无线供电模块为无线电力发送模块，负责向用户终端进行无线供电，而位于用户端的无线供电模块为无线电力接收模块，负责接收无线方式下的电能。由于数据传输存在上传和下载两种功能，故在无线数据传输模块方面两部分是相同的，可以实现数据交互。

若结合使用ZigBee技术和RFID技术等进行远程控制和设备管理可以进一步提升无线网络的使用效率，增强无线网络数据传输的安全性和可控性，便于对网络进行维护或升级。

系统的数据传输流程图如图2所示。

当终端需要进行数据传输时，设备的无线通信功能应处于开启状态，首先终端连接中转站进行身份验证。通过身份验证的设备被允许使用该无线网络进行数据传输。然后中转站会对设备进行电力支持问询，检查终端设备是否需要使用无线供电技术。对于不需要使用电力的设备如U盘、移动硬盘等，该问询可以根据设备属性直接跳过，进行数据传输或提取等操作。对于需要使用电力的设备如手机等，该问询过程需要获得终端的应答后确定下一执行步骤。若终端设备需要使用无线供电则中转站将电能转化为电力信号通过天线等向周围环境发射，终端设备接收到无线电力信号后向中转站发送确认信号，两者之间建立起供电连接，之后进行相应的数据传输。

3 系统应用

这种无线数据传输和无线供电技术的主要应用场合和领域有以下几个方面。

1）公用场所。数据显示，手持设备已经成为我国数据传输的主要来源之一。在公共场所中，传统的有线数据传输方式无法满足应用要求，且手持设备在长时间使用后容易没电。应用无线数据传输及电力供应技术可以增强用户在公共场所的网络接入便捷性，提升用户的使用体验，增强数据的交互性，还能够避免因断电造成的数据传输中断等现象的发生。

2）家庭。家庭中插座的位置和数量有限，若所有用电设备均使用有线充电的方式进行充电，则设备使用灵活度就受到了严重影响，而电磁共振充电技术则很好的解决了这一问题。Wi-Fi网络在家庭网络应用中的普及速度非常迅速，可以有效提升家庭用户的额使用体验，方便用户通过手持设备接入到无线网络中进行数据传输。若能够配合使用ZigBee等技术将手持设备与家用电器组成网络，可以很好的实现对家用电器的控制和管理，促进家庭生活向智能化和便捷化方向发展。

4 总结

基于无线通信技术和无线充电技术的局域网数据传输和无线供电具有较好的使用性能和应用优势，可以通过较为便捷的方式提高数据传输的效率，具有非常明朗的应用前景。

参考文献

[1]李康.小型局域网络数据传输及无线供电方案[J].广东通信技术，2012（7）.

篇5

至今仍然有人对此深信不疑：1943 年秋 ，7 个巨大的“特斯拉线圈”向停泊在费城的中型驱逐舰艾尔德里奇号（DE －173）定向发送了强大的电能，并且在10 分钟之后使它得以瞬间消失。有人说，那7 个也被人称为“磁暴线圈”的装置所发出的能量足以支持所谓的“空间跳跃”，它们正是美国军方按照爱因斯坦相对论的理论计算结果来设置的。

在传说中，这场“费城试验”以失败告终。当驱逐舰在百慕大被人们重新发现时，它的船员们不是身首异处就是深深陷入船体结构被物化为船的一部分。于是，能爆发出恐怖而庞大能量的“特斯拉线圈”随着“费城试验”一起在科幻作家的脑海里启航。作为一种高能量瞬间杀伤武器，它在电影、小说、漫画和游戏中被大肆布设。这场面几乎要使人们遗忘“交流电之父”尼古拉• 特斯拉设计它的初衷――用作无线输电部件。

750 万千瓦级的定向输能

1901 年，一座29 米的高塔构成了纽约长岛的地标。这座被称为华登克里夫塔的电力发射塔像一朵插入天空的钢铁大蘑菇，虽然高度不及艾菲尔铁塔的十分之一，然而隐藏了设计者特斯拉巨大的野心。当时，他设想在7 年内完成方圆50 千米内的750 万千瓦无线输电工程，继而实施一项面向全球的无线输电计划。特斯拉设想采用高频、高压、低电流的交流电，再经由空气作为传送媒介来实现远距离的输电。

如果特斯拉的计划最终得以实现，那么今天的世界会是什么样？遍布城市和乡村的高压电缆将不复存在；甚至，所有人家里都不再需要那些粗粗细细的电线；世界各地的大小家电都能随时随地享用无线电塔送来的电能；唯一麻烦的是收取电费，因为无线输电让偷电变得更无影无形。如果管控不力，也许就像今天的在线下载一样，每个人都使用电力，但拒绝付费。在这样的逻辑下，电器行业的制造商可能要为每个电器都预留一个电卡插槽，或者，有偿供电的最终出路就是让电费成为一项人头税；今后的战争将不再以争夺各种“化石燃料”为主，各国政府将在电税的收缴权方面展开殊死的竞争。核大国的地位将由掌握无线输电技术的几个国家所代替。那时的世界大战恐怕根本不需要核弹――横扫几千万平方千米的电弧足以瞬间杀灭各种生命体，比核弹更加高效地消灭人类，让之后来地球考古的外星人以为这里曾经居住的是一种焦糊状生命体。虽然实际上，特斯拉之所以研究无线输电，原本只是希望每个人都能用上便宜甚至免费的电能。

特斯拉的全球输电设想建立在充分利用电离层作为介质的基础上。举例来说，如果将低音炮开到太大声，产生的共振会隔空振碎玻璃杯。只要声音的频率碰巧跟杯子振动的频率一样，就能定向传播能量，杯子会碎是因为施加的能量超过了储能限度。

然而，电离层没有特斯拉想象的那么管用。事实上，无线传输至今难以输送大量的能量。

从两千万米到两米

2007 年，距离无线定向输电的最初设想已经过去了一个多世纪。麻省理工的科学家们尽其所能地学习了特斯拉。在没有任何电线连接的情况下，他们将电流定向传送到两米以外，并且成功点亮了一只60 瓦的灯泡。他们选择了两个直径60 厘米的“特斯拉线圈”，一个接在电源上作为送电方，另一个连接一个灯泡作为受电方，置于两米外。当电源接通送电方，两个线圈都开始了以10 兆赫兹的高频率电磁振动。瞬时产生的电磁场，足以使得送电方发出的电振传送到受电方。虽未相连，两个线圈完成隔空供电，最终点亮这只60 瓦的灯泡。这项成果很快出现在了美国的《科学》杂志上。电力工程学界甚至将其视为一项重大的突破。同样在进行着无线电力传输的英特尔公司的首席技术官贾斯汀• 赖特评论说：“麻省理工的试验将能量传输了两米，其中的损失只有10％，这已经是现在最有效率的无线电能传输了。”

与麻省理工区区两米的成绩相比，当年特斯拉对输送距离的期望是2000 万米。对此，中科院电工研究所所长孔力直接指出了实现无线输电的障碍：“电磁波在自由空间传输，能量不太容易集中，所以它的定向性事实上很差，而且能量衰竭得很快。”

在实际运用中，目前的无线输电只不过能稍稍给小型家电充电而已。真正推出过无线输电设备的英国Splashpower 公司，至今仅仅过一个貌似鼠标垫的无线充电器。它可以给放置在上面的手机等小型家电补充电能，然而它虽然“无线”但是无法“隔空”。一旦把手机提起，电能就无法正常传送。美国杜克大学的研究员曾尝试用无线技术解决为机器人供电的问题，但结果是一个铅笔盒大小的机器人必须被限定在一个很小的范围里活动。一旦越界，机器人就变成“植物人”了。

上天入地的电能

诞生于电气革命年代的特斯拉对世界的想象甚为美好。他所不断宣扬的“无线输电实现免费供电”最终激怒了拥有项目51％股份的赞助商摩根大通，并且最终把特斯拉从华登克里夫塔放逐，导致无线输电计划的流产。失去了特斯拉的华登克里夫塔不久即被找借口拆除，而特斯拉本人则直到1943年逝世才被恢复名誉。然而人们并没有放弃对于无线传输的研究。有好事者传言，他的研究资料在死后立刻被FBI 接管，并被设为“顶级机密”。20 世纪70 年代，NASA 和美国能源部曾考虑建设一个功率1000 万千瓦的宇宙太阳能发电站，通过微波向地球输电。该项目据说由于太不经济而未曾实施。此外，NASA 还在尝试从地球通过激光束给飞行器供电。“无线电力传输技术本身确实适用于比如卫星之间、人造飞行器之间的能量传输等特定场合。”孔力对此解释说。

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Abstract： The paper describes a set of antennas for wireless power transfer using strongly coupled magnetic resonances. The antennas works at the resonant frequency of 19.4MHz. At resonant frequency's the efficiency of power transfer is very high and more than 70% power can be transferred from a transmitting antenna to a receiving antenna at the air gaps of 3.6 times the radius of the antenna. And that proves the strongly coupled magnetic resonances has a further transmission distance and higher transmission efficiency.

P键词：磁耦合；无线能量传输；螺旋天线

Key words： magnetic coupled；wireless power transfer；spiral antenna

中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0139-02

0 引言

磁耦合共振式无线能量传输技术是近来一种新兴的无线能量传输技术，自2006年被首次提出以来，得到了迅速发展，并在无线能量传输领域引起了巨大反响，预计2019年全球无线充电模块销量将达到9.23亿元[1]。

目前传输距离和传输效率一直是制约其商用发展的主要问题[2]。本文介绍了一种用于无线能量传输的收发天线，在3.6倍于天线半径的距离时，传输效率可达70%以上。

1 天线设计与仿真结果

1.1 天线设计

磁耦合共振式无线能量传输技术，是利用两个具有相同谐振频率的线圈，在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生共振，进行能量传递[3][4]。一般来说，两个具有一定距离的LC谐振线圈，相互之间是弱耦合，但若两者具有相同的谐振频率，则会产生电磁共振，构成一个电磁共振系统，如果某一端连接电源不断为该共振系统提供能量，而另一方消耗能量，即实现了能量的传输。

磁耦合共振系统等效电路如图1所示[5]，C为电容，L为自感，由系统的分布参数决定，互感Lm代表了耦合系数，传输系数S21如式（1）所示，Z0为特性阻抗，w为系统工作的角频率。由方程（2）解得两个谐振频点，如式（3）、式（4）所示，km为系统的耦合系数，如式（5）。

磁耦合共振式无线能量传输不同于微波辐射能量传输，主要通过收发天线间的磁场耦合传输能量[6][7]，因此，天线是无线能量传输系统中的关键部件，决定传输的距离和能量传输的效率[8][9]。本文所述磁耦合共振式无线能量传输收发天线如图2所示，发射天线由一个源线圈A与一个螺旋线圈B组成，接收天线由一个负载线圈D和一个螺旋线圈C组成，其中螺旋线圈B、C串联一电容，使其工作于所需谐振频点。工作时，能量由发射源线圈A耦合到发射螺旋线圈B，通过线圈B与接收螺旋线圈C之间的强耦合，将能量传输到接收线圈C，再由C耦合至负载线圈D，最终供给负载工作。

1.2 仿真结果

本设计选用半径为1.5mm的铜线，线圈A与负载线圈D半径为15mm，螺旋线圈B和C半径为25mm，螺旋间距为1mm，螺旋谐振线圈串联一个150pF的电容。

通过使用Ansoft HFSS13对系统进行了仿真[10]，仿真结果如图3-图8所示。由图3-图4知，当收发天线相距60mm和70mm，天线谐振于两个频率，即验证了公式（3）、（4）。如图5-图8所示，收发天线相距85mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-1.395dB，计算其传输效率为72.5%；相距90mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-1.52dB，计算其传输效率为70.5%；相距100mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-2.25dB计算其传输效率为59.6%；相距110mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-3.38dB，计算其传输效率为45.9%。仿真结果表明，随着距离的增大，两个谐振频率合为单个工作频率，且传输效率先增大后减小。

2 结论

本文介绍了一种用于强磁耦合的无线能量传输天线，通过对收发天线系统仿真可知，该收发天线在3.6倍于天线半径的距离（90mm）时，具有70%以上的传输效率，在4倍于天线半径的距离（100mm）时，具有约60%的传输效率，证明了磁耦合共振式无线能量传输具有较远的传输距离及较高的传输效率。

参考文献：

[1]陈骞.国外无线电力传输技术进展[J].上海信息化，2014（1）.

[2]张宝群，李香龙.电动汽车非接触式充电研究概况及实用化分析[J].电子测量技术，2012（03）.

[3]黄学良，吉青晶，谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究[J].电工技术学报，2013（03）.

[4]罗斌，生茂棠，吴仕闯.磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析[J].中国电机工程学报，2013（21）.

[5]TAKEHIRO IMURA， et al."Basic Experimental Study on Helical Antennas of Wireless Power Transfer for Electric Vehicles by using Magnetic Resonant Couplings”[J].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference， 2009 Sept. 7.

[6]于春来，朱春波，毛银花.谐振式无线能量传输系统驱动源[J].电工技术学报，2011（S1）.

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[8]李阳，杨庆新，陈海燕.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J].电工电能新技术，2012（03）.

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关键词：无线抄表　电力系统　无线组网

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0061-01

1、电力抄表系统概述

目前，我国电力系统抄表方式主要有三种：（1）人工抄表方式，这种抄表方法存在很多管理弊端和安全隐患：抄表数据的可靠性和准确性没有保证；居民区电缆布线复杂，存在断线和短路等问题，存在严重的人员安全隐患[1]。（2）预付费抄表方式，用户需要到电力部门购买电力付费卡，将金额充入磁卡预缴电费，当电力余额即将用尽时，测量表装置给用户发出余额不足的警告，该方式给居民造成了很大的不便，而且经常出现断电的情况，不够人性化。（3）通过专用通信线路自动获取远程用户仪表数据的方式，由于我国不同区域基础电网构建区别很大，而且存在线路老化等问题，该方式只能在小范围运行，不适合推广。

随着经济和社会的发展，居民用电量急剧增加，电能表抄表量大幅升高，用电的管理成本及管理复杂度越来越高，传统的抄表方式已经无法满足当前需求，随着我国智能电网建设的逐步开展，电力抄表技术向着智能化、远程化的方向发展，无线通信技术的特点符合现代抄表的技术要求，电力无线抄表系统的研究和应用必将给用户带来极大地便利并推动电网的智能化发展。

2、电力无线抄表系统

电力无线抄表系统是利用嵌入式系统和无线网络技术自动读取并处理用户仪表数据，将数据传到电力系统处理中心进行综合处理的系统[2]。

2.1　电力无线抄表中的无线组网技术

电力无线抄表系统中采集终端采集到的数据与数据集中器之间交互需要通过无线网络传输及组网技术实现。电力无线抄表系统中常用的无线组网方式有ZigBee技术和微功率无线自组网模式。

ZigBee技术应用于短距离范围内低速率数据传输模式下的无线电子设备通信，是一种非常可靠地无线数传网络，其数传模块与移动网络基站类似，适用于数据传输量不大、速率要求不高、成本较低、功耗较小的场合。ZigBee技术适用于无线抄表的主要特点有：（1）系统成本低，ZigBee使用工业、科学、医疗频段，该频段可以自由使用，降低了应用成本；ZigBee协议教简单，可以在存储能力和计算能力有限的MCU上运行，成本不高。（2）系统功耗低，ZigBee采用睡眠唤醒机制，大部分时间处于低功耗状态，工作状态下功耗也为1-3mw。系统可以再不工作时进入休眠状态，降低功耗。（3）数据传输率低，仅10kb/s-250kb/s，专注于低传输应用，可以满足抄表系统对仪表数据的采集需求。（4）数据传输安全性高，ZigBee采用AES-128加密算法加密数据的传输，保证数据的可靠性，可以满足抄表系统对数据加密的需求。（5）网络容量大，ZigBee网络最多可以支持65000个节点，网络节点之间可实现多跳传输。（6）网络结构灵活，ZigBee支持多种网络拓扑结构，组网方式灵活。

微功率无线自组网模式，无线自组网是一种多跳频率的临时性自治系统，由一簇带有无线射频收发装置的移动终端节点组成，可以随时随地快速组建一个通信网络，网络中各终端可自由移动且地位平等。微功率无线组网技术融合了先进的自组织网络技术，无需中央控制，其主要特点有：自适应、自组织、自路由、自恢复、自愈合。

2.2　数据传输方式

采集到的电力数据从数据集中器无线传到数据管理中心的方式有：GSM、GPRS、3G等。GSM即全球移动通信系统，是第二代无线数字蜂窝移动通信系统的网络标准，通常使用的频率有900Hz、1800Hz、1900Hz，GSM移动系统提供语音、传真、短信等业务，其中短信功能成本低、可靠性高，适合于无线传输系统的应用。GPRS是在GSM系统基础上发展起来的业务，采用了分组交换技术，不需要专有信道，提高了无线网络利用率，具有传输速度快和入网快的特点，可实现与internet的无缝连接。3G是以CDMA技术为基础的新一代移动通信技术，3G系统采用无线宽带传输技术、复杂的编译码和调制解调算法、多址干扰对消等技术，能够提供更高的传输速率和更好的服务质量[3]。

2.3　电力无线抄表系统的一般工作流程

无线电表采集用户电量并转换为脉冲信号，定期对数据进行存储、积分处理，通过射频模块将数据传输到ZigBee网络或者微功率无线自组网网络，中继器将数据传到无线网关，无线网关对各中继器采集的数据整合处理，将数据通过GSM、GPRS或者3G网络发到控制中心，控制中心可提供电量使用情况的查询、管理等服务，控制中心也可以实现对数据传输中各传输层的控制，能够发送控制指令到采集终端。

3、电力无线抄表系统存在的主要问题

电力抄表系统在理论上是可行的，但是应用到实际当中时，还有很多工作需要继续探讨，如：无线网络传输距离、障碍物对无线网络的影响因素、电力无线采集终端安装的位置、终端发射功率、终端之间的相互干扰。这些问题的逐步解决对于建设鲁棒、可靠、低成本的电力无线抄表系统来说至关重要。

参考文献

[1]毛玉蓉.基于Zigbee技术的无线传感器网络研究[J].化工自动化及仪表，2010，37（10）：91-94.

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日本成功实验无线输电，点亮500米外LED灯之前，我国天津工业大学一支研究团队就在高铁列车无线供电方面取得重要进展，解决了长期制约高铁列车安全的技术难题，而且这项成果是入选2014中国科协夏季科学展的17项前沿科技成果之一。

如果说无线输电技术还属科技前沿，但无线充电技术已来到我们身边。手机、平板电脑、相机、笔记本……这些移动电子产品改变了我们的生活和娱乐方式。但这些移动电子设备都离不开电，走到哪儿都要充电。而伴随着无线充电技术走进人们视野，充电的烦恼也即将一扫而光。

谁都知道，手机是最先引入无线充电技术的电子设备。华南理工大学电力学院副院长张波告诉记者，现在已涌现出许多手机无线充电板，但在使用中还存在充电距离、效率以及充电设备体积问题。“但随着人们对无线技术的认识和输电水平的提高，在手机无线充电领域取得大的突破甚至产业化前景乐观。”

据了解，目前手机无线充电板多采用电磁感应方式进行电能传输，这种方式传输距离较短，给人“无线”印象还不太明显。

“手机无线充电技术已开始应用，将来还会有更新突破与进展。”哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波透露，哈工大研究团队正在攻克较远距离的手机无线充电技术。

事实上，手机无线充电只是作为应用于诸多小功率电子设备的代表，无线充电技术的应用其实正延伸到更大功率的电气设备上，如海尔即将上市的无线供电无尾电视和无尾厨电。

与手机和无尾电视相比，人们对电动汽车无线充电想象更加动人。

“电动车本身还没得到普及，电动汽车的无线充电更无从谈起，但技术上还是越来越近了。”朱春波告诉记者，电动汽车有多种能量补充形式，但对比传统传导式充电，无线充电在安全性和接口标准化方面具有无可比拟的优势，这些优势可能会促进电动汽车的普及。

美国新闻纪录片《谁杀死了EV1》中的EV1是美国加州一款新型电动汽车，受到地方政府和老百姓的喜爱，但在电影结尾中这款产品被扼杀，原来通用公司的大股东们都是石油巨头，电动汽车的发展影响到他们的利益，正是他们杀死了深受百姓喜爱的EV1。在这部纪录片中，EV1最早用到了非接触充电技术，凭感应式充电器，充电时避免了人身伤害危险，非常安全。

2012 年，美国斯坦福大学首次提出“驾驶充电”概念，为电动汽车充电提出了新的解决方案，这意味着电动汽车可不必停下来充电而无限地跑下去。

设想一下，如果有一天，人们边开车边充电（需在道路设置无线充电装置）、停进车库按下按钮也可以充电。届时，这种动态充电与静态充电结合的电动汽车，将变成不折不扣的“傻瓜”车。

而在特殊应用领域，无线充电技术早已崭露头角。在水下（海底）移动装备的非接触电源接入、生物医电、旋转式设备、无线传感器等方面，无线输电技术正发挥着重要作用。

“目前，微小功率的无线输电技术实际应用已取得可喜进步，研以致用，以用促研。可以预计，再用10到15年时间，无线输电技术必将得到大面积推广应用。”重庆大学自动化学院党委书记、电力电子与控制工程研究所所长孙跃对无线输电技术充满信心。

无线输电的前世今生

尽管无线输电技术在今天看来属于前沿新兴科技，但早在一百多年前，“无线输电之父”尼古拉・特斯拉就对无线输电展开探索。

19 世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的尼古拉・特斯拉，曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在纽约长岛建造了无线电能发射塔，设想利用地球本身和大气电离层为导体来实现大功率长距离无线电能传输，可惜由于资金缺乏，这个塔最终并未建成。

2007年6月，美国麻省理工学院的马林・索尔贾希克研究小组宣布，利用电磁共振技术成功点亮了一个距离电源约2 米远的60瓦电灯泡，电能传输效率达到40%。该项技术的引起世界范围内磁谐振无线输电装置的研发热潮，德国、日本、新西兰等国家很快跟进了这方面的研究。

麻省理工学院的研究成果陆续发表后，国内还鲜有人知道磁谐振无线输电技术，因索尔贾希克的文章是从物理学角度阐述的，这对国内电工学研究者来说并不容易理解。

2008年，张波和他的学生对磁谐振无线输电用电工学的方法做了原理性解析，并做出实验进行验证，文章发表在《中国电机工程学报》上，成为后来国内无线输电技术研究者的必读文章。

彼时，朱春波正在哈工大开展无线传感器网络应用方面的研究，他发现无线传感器网络发展瓶颈技术之一就是供电技术。比如埋在路面或建筑物里的无线传感器，电池电量耗尽就宣告无线传感器的“寿终正寝”。受到索尔贾希克的启发，朱春波带领学生闯进无线供电这一陌生领域，成为国内研究无线输电的一支重要力量。2010年圣诞节前，他的学生运用磁谐振技术把1.5米高的圣诞树上的二极管彩灯点亮，还申请了专利。朱春波告诉记者，时至今日，尽管对无线输电领域的研究仍处于起步阶段，但人们已表现出越来越多的兴趣，对未来摆脱充电插头充满期待。

“一直以来，人们总是在不断寻求无线输电实用技术方案，并着力推进无线输电技术的实用化发展。”孙跃说，就目前技术成熟情况来看，无线输电技术主要还是解决移动电气设备的电能非接触接入问题，为人们更加便利和安全使用移动电气设备提供有效解决方案。

无线输电仍需技术突破

孙跃指出，尽管国内外在基于电磁感应耦合模式无线电能传输技术方面的发展及应用推广迅速，但目前在功率容量、传输效率、传输距离及电磁兼容等方面仍待进一步突破。

张波则认为，目前电磁感应、磁谐振等磁场输电技术相对成熟，但受限于周围环境影响等因素，传递效率和功率均无法满足人们日常需要，这可能意味着人们还未探索到磁场输电的“终极理论”。

“自然界都有它自己的规律，磁场传输能量肯定是有其路径，只是我们还没找到这个规律，这需要学术界下大力气去探索。”张波对记者说，这可能需要信息、控制、电子电力、材料甚至数学物理等学科交叉研究攻关，一旦探索到磁场传输电能的法门，其意义不亚于光纤的发明。

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1、注意摆放路由器的天线方向，可将天线竖着放或者一根竖一根横等多种角度方向组合。

2、注意路由器的安装位置，放在需要覆盖面积的中间位置为妙。

3、额外选配电力猫。如果家里空间太大或有多楼层，WiFi信号难以覆盖，可通过电力猫把网络信号调制到电线上，利用现有电线来解决网络传输。把一只电力猫通过网线连接到路由器上，然后接通电源，在同一电表下就实现了电力线载波通信。想要在其他房间无线上网，再插一只无线电力猫就可以了。

4、选购多天线路由器。如果家里无线路由器已经使用较长时间，更换一个新的双天线、多天线路由器未尝不是一个好选择。信号传输技术一直在更新换代，新的路由器能带来更有效的传播和更少的损耗。

（来源：文章屋网 ）

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1 前言

所谓配网自动化就是利用现代电子技术、计算机技术以及通信及网络技术与电力设备相结合，将供电部门的管理工作与配电网在正常及事故下的检测、保护、控制、计量有机地融合起来，使得自动化系统的构成完整，将电能质量进行改进，提高了供电可靠性，提高配网运行管理水平以及提高供电企业为用户服务水平，建立更密切更负责的用户关系，确保较好的供电经济性，以及更为有效的企业管理。在配网自动化系统中，配网自动本文由收集整理化通信是非常重要的环节，同时也是配网自动化的神经系统。

2 配网自动化研究现状

七十年代初期，西方国家提出了配网自动这一概念，到上世纪九十年代，经过20多年的发展，配网自动化系统形成了比较成熟的理论以及实际化应用。在国外，配网自动化系统已经形成了多个系统于一体的配电管理系统，例如法国、日本、韩国等国家根据自己的实际需要，实现了配网自动化，并且效果较好。

在国内，配网自动化起步比较晚，起步于上世纪九十年代，与发达国家相比滞后20年，到目前为止，国内对配电网自动化的探索和研究一直在进行中，对配电网 gis；配电网 da；配电网 scada都做过研究和试点，并且对其取得了一些经验，但是没有取得实用性的成功，其原因主要是由于受通讯技术条件和一次设备的限制。在全国，许多配网自动化项目大规模的推广目前还没有，在具体的实施过程中主要以试点为主。随着通讯网络技术的发展，近几年来，所进行的配电网自动化局部项目的应用研究有所成功，这为配电网自动化的规划建设奠定了良好的基础。

3 目前电力配网自动化通信技术的优势、劣势及分析

到目前为止，在配网自动化建设中，比较常用的通信方式有两种：有线、无线。有线通信方式中包括有光纤通信、配电载波等。与无线通信相比，有线通信方式具有安全性、可靠性较高等优点，但是悠闲通讯方式建设成本高、施工难度大、灵活性差等，这也成为了有线通信在配网自动化中推广应用的致命之处，也是配网自动化迟迟无法成功推广的主要原因。为此，无线通信技术成为配网自动化中主要应用的通信技术。而目前主要采用的是gprs；230m数传电台；cdma公网网络等技术。下面针对智能配电网的不同的通信方式进行介绍。

4 智能配电网通信方式

在有线和无线两种通信方式种，有线通信包括： 光纤通信；音频电缆通信；电力线载波通信等。无线通信包括： 微波通信；无线电通信；gprs （ cdma） 通信；无线专网通信等。以下为详细介绍。

4.1 光纤通信

在智能配电网通信中，有线通信中的光纤通信是其主干通信方式，光纤通信具有以下优点：传输数据容量大、可靠性高等。比较常见的有两种形式，分别是工业以太网交换机组网、 epon （ 以太网无源光网络） 组网。

（1）工业以太网交换机组网

在比较早的时期，工业以太网交换机组网主要用于电力光纤通信，通过在终端位置布放交换机进行光纤连接，组建基于 eaps 协议的光纤以太环网，采用链形或环形组网方式，它的优点是高带宽、环网保护等。以太网交换机组网对光纤布置以及交换机数量要求较高，高成本。智能配电网终端数量是非常庞大，以湖南省长沙市为例，仅仅是箱式变就可以达到五千台以上，如果将架空设备、站房的二次终端等也考虑在内，这个数量可以达到数万之多。所以，工业以太网交换机不适合配电网通信网络建设，主要就是由于其成本太高。

（2）epon

epon的全称为ethernet passive optical network，近几年来，epon发展的比较成熟，那么作为成熟的光纤通信技术，这就代表着智能配电网光纤通信技术发展的主流方向。组成epon系统的有：局端光线路终端（olt）；用户侧光网络单元（onu）以及它们之间的光分配网（odn）。其中光分配网主要包括分光设备无源光分路以及传输光纤。

4.2 音频电缆通信

有线通信中的音频电缆通信的特点是造价较低、易于实现，但是，比较容易受外界环境的干扰。特别是与10kv线路同杆架设时，一旦线路发生了短路，短路时产生的短路电流会在音频电缆中产生很高的感应电压，甚至能达到 1.5kv，这样会给通信终端设备运行造成严重的损害。所以，音频电缆通信已经开始逐渐被配电网通信建设所遗弃。

4.3 配电载波通信 （dlc）

配电载波通信的英文全称是distribution line carrier，简称为dlc，配电载波通信是将需传输的数据调制成载波信号，再通过耦合器，将信号耦合到配电线路或屏蔽层上，利用现有配电线路作为通信信道的一种通信方式，不需要新建信道，配电载波通信的优点是投资小、覆盖广。

4.4 微波扩频通信

微波扩频通信技术是指对微波载波进行扩频调制，将原来小的信号频带展宽换成大得多的宽频信息进行传输的通信方式。它具有功率谱密度低和抗干扰性强的特点，在实际应用中得到了广泛应用。但是对于智能配电网建设，由于在建设初期存在通信设备和工程投资大，将来的运行和维修成本高，在城市的高楼中会出现信号被屏蔽的缺点，因此在实际建设中对于微波通信要慎重选择。

4.5 230mhz 无线电台通信

230mhz 无线电台通信是国家无线电委员会分配给电力专用的无线频点。电台通信优点是安装方便、覆盖范围广；缺点是：（1）仅仅支持点对点的通信，它所采用的是数据轮询传输方式，不能满足实时数据上传的要求。（2）透明传输模式，缺乏纠错和加密功能。（3）在山区或者有较多高层建筑使用时，信号非常容易受到干扰。

4.6 无线公网 gprs （cdma）

gprs的全称为general packet radio service，即通用分组无线业务，它一种新型的无线数据业务，是在现有gsm系统上发展起来的。gprs能够提供p2p、外围设备与中心节点之间的通信方式，在配电自动化系统中得到广泛应用。

4.7 无线专网技术

无线专网技术能够提供高带宽、高速率通信业务，无线专网技术可广泛应用于配电自动化系统中，在中国，主流的无线专网技术包括：多载波无线信息本地环路和全球微波互联接入两大方式