感应线圈的效率如何？优化您的无线电力传输系统

感应线圈的效率不是一个固定值，而是一个完全取决于其所运行系统的变量。虽然用于电动汽车充电的高度优化系统可以达到95%以上的效率，但一个简单的消费设备可能在70-80%之间运行，而一个长距离或对准不良的系统则很容易降至50%以下。效率由发射线圈、接收线圈及其操作环境之间的相互作用决定。

核心观点是，您测量的不是单个线圈的效率，而是两个线圈之间磁耦合的效率。这种效率主要由三个因素决定：线圈之间的距离和对准、线圈本身的固有品质以及系统的电气调谐。

感应效率的两大支柱

要理解效率，您必须关注两个不同但相关的指标：系统的耦合系数和单个线圈的品质因数。

耦合系数 (k) 是系统效率最关键的变量。它衡量（从0到1）初级线圈产生的磁场有多少成功地穿过或“连接”到次级线圈。

高耦合系数意味着大部分磁能正在被传输。低耦合系数意味着大部分磁场辐射到空旷空间，代表能量浪费。

三个物理参数主导着耦合系数：

品质因数 (Q) 衡量线圈的个体效率。高Q线圈是指能够非常有效地储存磁能，同时以热量形式损失极少能量的线圈。

高Q因数的主要敌人是电阻。线圈绕组中的任何电阻都会将电流转化为废热（I²R损耗），而不是建立磁场。

影响Q的因素包括：

绕组电阻：使用更粗的导线可以降低基本的直流电阻。对于高频应用，使用利兹线（由许多细小的、单独绝缘的股线组成）来对抗趋肤效应，即电流集中在导体的外表面。
磁芯材料：空心线圈没有磁芯损耗，但电感较低。使用铁氧体磁芯可以显著增加电感并引导磁场，从而提高Q因数和耦合。然而，如果选择不当，铁氧体本身可能会引入新的损耗（磁滞损耗和涡流损耗）。

即使使用完美的线圈，整体效率也取决于它们如何集成到更大的电路中。

单个线圈是糟糕的功率发射器。为了实现高效率，它们几乎总是谐振电路的一部分，通常是LC谐振电路（电感-电容）。

通过添加电容器，电路被调谐到特定的谐振频率。当初级和次级电路调谐到相同频率时，它们可以以最小的损耗交换能量，即使耦合不佳也能显著提高传输效率。

频率的选择是一个关键的权衡。

设计一个感应系统是在管理相互竞争的优先级。

这个基本权衡是无法避免的。对更大距离或定位自由度（便利性）的需求总是以降低电力传输效率为代价。

所有的低效率最终都表现为热量。在初级线圈中，这是浪费的电能。在次级线圈中（例如，密封的智能手机或医疗植入物内部），这种热量可能会损坏组件或构成安全风险。高效率系统对于管理热负荷至关重要。

未与次级线圈连接的磁场是浪费的能量。这种杂散磁场也是一种电磁干扰（EMI），可能会干扰附近的电子设备。屏蔽可以限制这些磁场，但会增加成本、重量和复杂性。

您的设计或组件选择方法应由您的主要目标驱动。

通过理解这些基本原理，您可以设计一个满足您的特定效率、成本和性能目标的系统。