特斯拉线圈原理图解

无线网络和无线信号已经成为我们日常生活中非常常见的词汇。然而，无线电力传输到目前为止很少听到。

电能的无线传输，意味着以后我们不用到处挖沟、拉杆、放线，对我们到处用电都非常方便。真的有无线输电的技术吗？答案是肯定的，而且这项技术出现在100多年前。

无线电力传输的概念最早是由尼古拉特斯拉提出的。没错，就是这个人在网上被吹成神。起初，他发明了“特斯拉线圈”(tesla coil)，这种线圈可以产生数百万伏的高频电压，可以用来人工制造闪电。很酷，是吸引女生的利器。特斯拉线圈看起来很神秘，其实是一种特殊的变压器(分布参数高频串联谐振变压器)。其原理是利用变压器升压，然后通过lc振动在次级线圈端产生高电压。次级线圈的一端连接到放电端，另一端接地形成放电电容。当初级和次级端之间的谐振相同时，初级线圈的电将涌向次级线圈，直到次级线圈的放电端放电。

特斯拉利用他的发明实现了远距离无线点亮灯泡的实验，但特斯拉对此并不满意。他希望在世界范围内实现无线电力传输。于是他发明了一种“放大器发射器”，用于无线传输电能。原理是以地球为内导体，地球的电离层为外导体。通过他的放大发射机，利用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式，在地球和电离层之间建立低频共振，利用地球周围的表面电磁波来传输能量。

这种电能传输方式和广播的不同之处在于，广播的能量最终会在太空中丢失。在没有接收端的情况下，这种方式传输电能的机制只是交换无功能量来维持共振磁场，所以只有很小的损耗。特斯拉还建造了一个沃尔登克雷弗塔进行测试，但不幸的是，它没有像预期的那样进行。至于特斯拉实验的终止，网上阴谋论的声音很多都认为是利益集团的干涉。是真是假很难理解。但是从今天的技术来看，特斯拉大胆的想法虽然美观，理论上可行，但是存在电磁辐射、效率等问题，从目前的技术来看并不实用。

特斯拉，一种动力传输技术，属于磁共振模式(注意变压器变换是电磁感应原理，但特斯拉线圈放电时的磁共振原理基本相同)。其原理是将发送端和接收端的线圈调整到一个共同的磁共振系统中。当发送端产生的振荡磁场的频率与接收端的固有频率一致时，接收端就会发生谐振，从而实现能量传输。磁共振技术可以很好地控制空间波长、空间磁长分布和传输能量，对人体无害，但距离有限，一旦破坏了共振条件，就不能传输电能。

2010年海尔电视推出“无尾电视”，也采用了“无辐射磁耦合共振”的磁共振无线输电技术，实现了一定距离的无线输电，这是首次在电视终端实现无线输电。

除了特斯拉发明的磁共振无线输电方法，还有其他无线输电技术，比如微波无线输电。微波无线功率传输技术简称mwpt，其原理是通过磁控管将电能转化为微波，使微波在自由空间传输到指定目标，再转化为直流电。2015年，日本三菱重工利用微波无线输电技术对500米外的灯泡进行照明。

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微波无线功率传输具有无介质传播、传输距离远、功率高、损耗低的优点，但长距离传输需要高效率的整流天线和高定向天线，难以发展，微波对电能的效率低，对人体有害。

还有一种光电无线电能传输方式值得研究。光电无线输电是利用半导体的光伏效应直接将光能转化为电能的输电技术。光能传输技术的优点是可以形成光束，发散角小，可以远距离传输电能，损耗小。缺点是相位难以控制，需要高精度跟踪技术，容易被天气和障碍物遮挡。激光无线输电将在航天领域得到广泛应用。例如，在美国，已经进行了通过激光向无人驾驶飞行器传输电力的实验。

当然，除了上述电磁感应、磁共振、微波、激光等无线传输技术外，还有电场耦合、电磁感应等。但到目前为止，各种传输方式都存在距离、干扰、控制、效率等各种问题。因此，无线电力传输距离工业应用还有很长的距离。但也出现了一些低功耗、短距离的应用，如“无尾电视”、无线手机充电器等。

我相信在不久的将来，随着技术的不断发展，无线电力传输技术将会应用到各个领域。到那个时候，人类会像风筝一样发展，摆脱琴弦的束缚，飞得更高更快。

特斯拉线圈原理图解（12v特斯拉线圈制作过程）

扩展阅读

最便宜的特斯拉多少钱（特斯拉model3售价22万）

北京时间凌晨，特斯拉在“电池日”发布了一系列新的电池技术，被埃隆马斯克(elon musk)称为“特斯拉历史上激动人心的一天”，这将大大降低电池成本，也意味着特斯拉将降价。

马斯克表示，特斯拉有信心在未来三年生产一辆售价仅为 25000 美元（约合 17 万人民币）的电动车，这会是史上最便宜的一辆特斯拉汽车。

这也是特斯拉第一次召开电池技术专题会议，这对于特斯拉来说，甚至比发布任何一款新车都重要。用国外媒体teslarati的话说，这可能会改变整个电动车行业的未来。

电池成本下降了56%，史上最便宜的特斯拉就要来了

马斯克在开幕式上为特斯拉在中国上海的工厂命名，说工厂从废土到开工用了15个月，非常了不起。

马斯克一如既往的反复暴露金句。他这样定义特斯拉：

特斯拉不仅仅是软件公司，还是硬件公司。我们可以把我们的车想象成一台轮子上的笔记本电脑。

马斯克还表示，目前电池生产面临两大问题，一是电池规模有限，价格仍然过高。为了突破这个瓶颈，特斯拉需要在降低成本的同时提高能量密度。

在今天的发布会上，特斯拉也带来了具体的解决方案。

特斯拉正式发布了一款无电极电池，采用激光技术去除了传统电池的凸起tab结构，导电涂层直接与电池端盖接触，减小了电流移动距离和内阻。

该电池高80mm，直径46mm，能量密度可提高5倍，最高可达200 wh/kg，电池寿命提供的功率可提高6倍，提高16%。

此外，无极电极中的导电涂层与电池端盖之间的有效接触面积达到100%，提高了散热能力，解决了电池过大容易发热的问题。

马斯克强调，这款电池不只是概念产品，有望量产。

特斯拉还重新设计了电池中的硅，将成本降至1美元/千瓦时，续航里程增加了20%。还将推出无钴电池，其中镍作为昂贵的钴作为电池原料。

重新设计电池元件中的硅，一千瓦小时只需要一美元，涂层可以增加20%的续航里程。介绍了无钴电池，用镍代替昂贵的钴元素作为电池原料。

未来特斯拉将在中高端车型中使用这种含镍电池，而中低端车型将使用成本和能量密度更低的磷酸铁锂电池。

除了电池设计，马斯克称之为“机器制造机器的机器”的生产工厂也很重要。马斯克说，新的制造工艺可以大大提高工厂的效率，单条生产线的生产能力可以达到目前同类产品的7倍。

这样一条生产线上就可以达到20gwh的电池产量，而全厂就可以达到twh级别的产能。目标是2022年达到100gwh，2030年达到3twh，整体成本降低18%。

电池技术的改变也导致特斯拉调整了整车的结构，将电池直接集成到底盘车架上，这意味着电动车可以安装更多的电池，电池寿命也会相应提高，甚至超过1000公里。

而且车尾会采用整体铸造工艺，可以大大节省生产工序和生产时间，每辆车成本和79个零件降低40%。

最激动人心的是，马斯克还「剧透」了一辆即将面世的新车，售价仅为 25000 美元（约合 17 万人民币），这也会是史上最便宜的一辆特斯拉汽车比前段时间平多多补贴的特斯拉便宜几万。

这主要得益上述电池技术让电池成本下降了 56%，这无疑是电动车行业史上一个重要的里程碑.

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至于特斯拉电动车什么时候能买到，马斯克早前在推特上表示，电池日发布的产品要到2022年才能量产，估计还需要一段时间。

最后，特斯拉还发布了新款s车型，每100公里加速不到2秒，最高时速320公里，续航832公里。现在可以预定，但是要到2021年才能发货。

特斯拉的电池革命

早在2018年，马斯克在特斯拉自动驾驶仪投资者日的演讲中就提到了特斯拉的目标，即生产总车辆成本不到3.8万美元、电池行驶里程160万公里、超低能耗3.5英里/千瓦时的汽车。

要实现这个目标，前提是电池技术的创新。为此，特斯拉聘请了锂电池专家、加拿大皇家科学院院士杰夫达恩(jeff dahn)担任特斯拉首席科学家，并提供了“五年的可观科研经费”，旨在开发寿命更长、能量密度更高、成本更低的锂离子电池。

杰夫达恩。

去年，杰夫达恩(jeff dahn)团队在《电化学学会杂志》发表了一篇论文，称他们开发了新一代锂电池，可为一辆电动汽车提供100多万英里(约160万公里)的电力。目前特斯拉model 3的续航只有80万公里。

据论文介绍，这种新型电池1000次放电后的寿命为95%，4000次循环后仅消耗10%，而一般锂电池可提供1000-2000次放电循环。

这种电池的使用寿命可以达到普通电池的2-3倍，这是由于采用了新一代单晶ncm阴极和新的电解液。这种单晶纳米结构在充电过程中更稳定，不容易开裂，导致电池性能和使用寿命衰减。

160万公里是什么概念？根据《媒介》上的一篇文章，以美国私家车的平均使用寿命和平均总里程来看，这足以让一辆车在道路上行驶76年。

即使按照中国60万英里私家车的报废标准，160万公里寿命的电池意味着你开车报废的时候，电池还能用几十年。人们不禁会想，这样过度的表现真的有必要吗？

当然有必要。

首先，“160万km电池”可以提高电动车的保值率，会给消费者更大的购买力。过去电动车的保存率一直低于燃油车。主要是电池寿命短，大大降低了二手车的价值。

长寿命电动车也可用于出租车和行驶距离较长的长途货运。据统计，一辆卡车每年可以行驶16万到24万公里。

据平安证券报道，特斯拉无人出租车robotaxi将使用“160万公里电池”。马斯克曾表示，特斯拉计划到2020年底生产100万台机器人轴。按一台每天运行300公里的机器人轴计算，“160万公里电池”可以让机器人轴在不更换电池的情况下使用15年。

waymo无人驾驶出租车。

此外，在车辆生命周期结束后，电池可以回收利用，用于太阳能等有储能要求的低档车辆或领域，进一步降低电池的使用成本。

图片来自：平安证券

除了成立研发团队，特斯拉去年还收购了超级电容器制造商麦克斯韦(maxwell)和锂设备制造商希巴尔(hibar)，以升级其电池制造流程。

麦克斯韦是世界第一超级电容器制造商，在电池领域拥有超级电容器和干电极技术两项核心技术。

与智能手机类似，电动汽车缓解续航焦虑的另一种方式是提高充电效率。超级电容器可以提高电池的快速充电效率，10分钟内可以达到其额定容量的95%，循环寿命更长。

之前特斯拉主要通过升级充电桩实现快速充电，其中去年推出的v3超级充电桩支持最高250kw的充电功率。部分model 3车型充电15分钟后可行驶250公里。

此外，超级电容器的工作温度范围更宽，在40~ 70的环境下也能正常工作，可以缓解电动汽车在冬季经常遇到的电池寿命衰减问题。

至于干电极技术，可以大大提高电池的能量密度。目前麦克斯韦电极可以达到超过300wh/kg的能量密度，预计今年达到385 wh/kg，2025年后达到500wh/kg。

目前特斯拉能量密度最高的电池是型号3使用的松下2170电池芯，能量密度大

度数260 wh/kg。马斯克曾经说过，当动力电池的能量密度达到400wh/kg时，商用电动飞机就可行了。

从事电池研发多年的技师泰格曾告诉艾凡儿，目前电池的技术瓶颈主要是能量密度、循环寿命和温度特性，这使得电动汽车在里程、安全性和成本上面临很大的问题。

电动车电池组单体电池

这些电池技术在一定程度上解决了里程焦虑和安全问题，但如果不能进一步降低成本，电动汽车仍难以大规模推广。

然而这正是马斯克擅长的。spacex通过火箭回收大大降低了成本，而在特斯拉电动车中，新的电池技术将承担这一重要任务。

马斯克想让燃料车成为一匹昂贵的马

2008年2月，特斯拉交付了第一辆量产电动车roadster，采用松下生产的18650钴酸锂电池。电池成本高达600-800美元/千瓦时，是汽油价格的3-4倍。整车价格达到10.9万美元，注定是有钱人的玩具。

降低电动车成本，关键是降低电池成本，因为电池组可以占到电动车成本的一半左右。

美国能源部已提议将一旦达到这个水平，电动车的价格就可以和燃油车达到同一个水平。的电池成本目标定为100美元/千瓦时

据外国媒体electrek报道，特斯拉内部电池项目roadrunne的目标是大规模生产新电池，成本为100美元/千瓦时。

但是十年前工业电池系统的成本普遍超过1000美元/千瓦时，很多电池专家认为100美元/千瓦时的目标无法实现，因为电池的效率提升速度与目前芯片领域每18个月翻一番的摩尔定律相差甚远。

然而，投资机构瑞银(ubs)的一份报告显示，松下(panasonic)和特斯拉(tesla)生产的锂电池成本一直低至111美元/千瓦时，已经是电池行业第一，距离100美元/千瓦时的目标仅一步之遥。

图片来源：英国《金融时报》

为什么电动车的电池成本这么高？很大一部分原因来自于电池原材料钴。钴是包括特斯拉在内的大多数电动汽车的重要电池原料，可以防止电池过热，延长电池使用寿命。

钴是一种储量有限的稀有金属。世界上已探明的钴矿储量约为700万吨。按照去年14万吨的开采量，50年后钴就要枯竭了，这次电动车数量的增加会提前。

位于刚果的一个钴矿。图片来源：dw

此外，全球一半以上的钴储量集中在动荡的刚果，这使得钴的价格不断上涨，2018年甚至超过66万元/吨，这使得电池成本居高不下。

所以没有钴就不能做电池吗？

当然，目前已经被验证的两种电池技术，一种是含钴的三元锂电池，另外一种就是不含钴的磷酸铁锂电池,后者成本更低，寿命更长。

据路透社报道，特斯拉正在与国内电池巨头《宁德时报》合作生产磷酸铁锂电池，电池组成本甚至已经降至80美元/千瓦时。国产3型已经出现在工信部新车目录里了。

使用磷酸铁锂电池降低成本的成本是能量密度的降低，这意味着磷酸铁锂电池的续航能力低于同等质量下的含钴三元锂电池，不能同时解决里程焦虑和成本问题。

以宁德时代为例，通过ctp技术，磷酸铁锂电池的能量密度可以达到160 wh/kg，已经是目前磷酸铁锂电池的极限，但与一般能量密度超过250 wh/kg的特斯拉电池相比，还是有不小的差距。

比亚迪的刀锋电池也是磷酸铁锂电池。

但是，“无钴”确实是电池的发展方向。虽然目前特斯拉的电池仍然离不开钴，但上一代生产的电池钴含量在不断下降，今天的电池日特斯拉也在专注于无钴电池。

特斯拉首席科学家杰夫达恩在一次采访中说，他们所做的一切都是为了三个目标：降低电池成本、延长使用寿命和提高能量密度.

实现其中一个目标并不难，但同时实现这三个目标才是革命性的创新。在过去的20年里，商用电池技术没有取得太大突破，但市场需求的激增迫使人类尽快找到更好的电池解决方案。2018年，《自然》杂志预测“我们距离锂电子电池革命只有10年的时间。」

今天的特斯拉电池日是锂电池革命的重要一步。推广电动车，是降低成本的必由之路。但如果不能同时替代使用寿命和能量密度上的突破，替代燃油车还是不容易。

马斯克表示，他希望除火箭之外的所有车辆都可以制成电动的。要实现这个梦想，首先要让电动车像燃油车一样具有竞争力，让消费者觉得燃油车已经过时，正如卡内基梅隆大学教授文卡特维斯瓦纳坦(venkat viswanathan)所说：

马斯克想让你把燃油车当成一匹昂贵的马。

特斯拉线圈（磁铁点亮灯泡骗局揭秘）

在weixin_30617737的博文《特斯拉线圈的工作原理[1]》中，用动态图和模拟曲线来解释双共振特斯拉的工作过程。但是，对原理的解释是有问题的。

特斯拉线圈原理

原文中给出的特斯拉线圈的工作图和相应设备的结构图非常清晰生动。

双共振特斯拉工作示意图

特斯拉线圈结构图，图像美观

特斯拉工作动图

原图中给出的动画显示，一次线圈和二次线圈之间的能量相互作用过程也是生动自然的。这个过程很容易让人想起用小泵给轮胎充气的过程，每次小泵都会给轮胎充少量的气。轮胎经过多次循环可以充入高压气体，这只是一个比喻。

特斯拉的工作原理见动画

特斯拉变压器与普通变压器的区别

其中，针对特斯拉变压器与普通变压器工作原理的不同，原文中指出了以下几个方面：

普通变压器一、二次线圈耦合系数k接近1，可以将无用漏磁导致的额外无用功率降到最低，而特斯拉线圈耦合系数小于50%。比如它的模拟实验用的k只有14%左右。

普通变压器不需要特定的工作频率；特斯拉变压器需要在一次和二次谐振频率下工作。特别地，初级线圈的谐振频率需要与次级高压线圈的谐振频率一致。

普通变压器的一次与二次之比是固定的，基本上与两个线圈的匝数比成正比。特斯拉变压器的一次电压与二次电压之比在变化。

以下是原文给出的一次电压和二次电压的模拟电压变化曲线：

特斯拉变压器一次电压和二次电压仿真波形图

模拟参数有：

l1=11uh，c1=230 nf；l2=60mh，c2=42pf；

主电容工作电压：v=10kv耦合系数：k=0.14

谐振频率：f=100khz

文章中存在的疑问

原文也形象地描述了特斯拉线圈的工作原理，清晰地向科普人士传达了基本的科学道理。但是，对于马上要从事特斯拉线圈工作的专业工程师来说，他们受普通变压器和变压器工作特性的理解所束缚，所以在前面的叙述中会有一些疑问：

第一个是如何建立具体的仿真模型，以及在仿真波形时如何解释初级线圈和次级线圈之间对应能力的转换过程。

如果能量可以完全在主次之间转换。而且每个线圈都工作在谐振状态，两个线圈上的电容储能应该是一致的。根据模拟中的参数，c1=230纳米；c2=42pf，差值约为5000倍(5476.2)。根据电容器储存的能量与其电压和容量的平方成正比，两者的电压差应该是：倍左右。从图中波形的峰值来看，两者的电压差确实是74倍左右。这需要考虑整个波形还在衰减的因素。

那么问题就出在两个线圈之间的能量转换过程上，也就是几个周期后能量转换完成。这和他们之间的耦合系数k有关吗？

根据上面给出的实验参数：k=0.14，那么1/k=7.14。从原图可以看出，能量从一次到二次转换了一次，没有经过七个振荡波形。

参考数据

富士康都去印度了，为什么苹果特斯拉还愿将制造基地留在中国？

特斯拉和苹果选择在中国建厂的最大原因是什么？

是市场吗？

这是部分原因，但不是主要原因。

无论是苹果还是特斯拉，虽然中国市场很重要，但仍然不是它最大的市场。

他们最大的市场一直是美国。

那么是因为人工成本吗？

不，如果只是劳动力成本，那么毫无疑问越南和印度的劳动力成本比中国低很多。

中国制造业崛起的基础：中国人口红利正在消失