电能无线传输装置论文

一、设计任务

1、 背景

电能无线传输一直是人类的梦想，多年来国外一些科学家执着地开展着这项研究，但进

展甚微。2007 年MIT 的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2 m 多距离内将一个60 W 的灯泡点亮，且传输效率达到40%左右。谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比，具有以下本质性的不同：1）与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比，传输距离大大提高，突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1 cm 以内的限制，且理论表明若不考虑空间其它物体影响，传输距离将进一步提高；2）与利用微波原理的电能无线传输技术相比，具有传输功率大的特点，将微波电能无线传输几毫瓦至100 mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。目前，非接触能量无线传输发展已比较成熟，主要应用于磁悬浮列车，医学上用于体内微摄像机供电等。与此比较而言，基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术，并且低电磁辐射，可满足电磁兼容的要求。然而，现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段，相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其传输效率的分析还不够全面。

2、 任务

设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。

I1U1驱动电路发射线圈x接收线圈变换电路I2U2

图1 电能无线传输装置结构框图

3、 要求

（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接

收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。（45分） （2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白

色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。（45分）

（3）其他自主发挥（10分）

4、 说明

（1） 发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm；发射与接收线圈间介质为空气。 （2） I2=因为连续电流。

（3） 测试时，除15V直流电源外，不得使用其他电源。

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（4） 在要求（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率??U2I2?100%。 U1I1（5） 制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。

二、方案论证

2.1现有无线电能传输方案

2.1.1电磁感应式

电磁感应式电能传输系统主要由三大部分组成，即能量发送部分（Transmitter）、分离式变压器(Transformer) 和能量接收部分(Receiver)。系统的工作原理，输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电，之后通过高频逆变器进行逆变，逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈，与次级线圈耦合，从而产生感应电动势，再通过高频整流滤波后为负载供电。

图2 电磁感应方式示意图

2.1.2磁耦合谐振式

磁耦合谐振式由美国麻省理工学院于2007年研制成功，主要是利用物理学的“谐振”原理，两个振动频率相同的物体能高效传输能量。当电源发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端产生共振，实现能量的无线传输。

在这项技术中，发送端和接收端的线圈被调校成了一个磁共振系统，通电后能够以固定的频率振动。能量传输不受空间障碍物影响，与电磁感应方式比较传输距离远，传输效率较高。由此可以知道传输效率与发送、接收能量单元的直径相关，传送面积越大，传输效率越高；传输效果与振动频率有关。

图3 磁耦合谐振方式示意图

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2.1.3磁辐射式

该方式主要采用微波进行电能传输。微波的波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。由于频率较高，能顺利通过电离层而不反射。微波输电利用电磁辐射原理，由电源送出电力，通过微波转换器将交流电变换成微波，再通过发射站的微波发射天线送到空间，然后传输到地面微波接收站，接收到的微波通过转换器将微波变换成交流电，供用户使用。其有效传输距离为几千米，属于远程传输。电磁辐射方式电能传输主要有无线电波、微波、激光和超声波等方式。

图4 磁辐射方式示意图

2.1.4三种方式比较

谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比，具有以下本质性的不同：1）与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比，传输距离大大提高，突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1 cm 以内的限制，且理论表明若不考虑空间其它物体影响，传输距离将进一步提高；2）与利用微波原理的电能无线传输技术相比，具有传输功率大的特点，将微波电能无线传输几毫瓦至100 mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。目前，非接触能量无线传输发展已比较成熟，主要应用于磁悬浮列车，医学上用于体内微摄像机供电等。与此比较而言，基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术，并且低电磁辐射，可满足电磁兼容的要求。

然而，现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段，相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其传输效率的分析还不够全面[18-19]。本文从线圈等效耦合模型出发，分析电能无线传输机理及传输效率与距离、频率、线圈本身等因素之间的关系，提出最大效率条件及无线传输系统的优化设计方法，并设计制作多组谐振耦合线圈进行能量无线传输，以验证所提方法的有效性，为进一步谐振耦合无线能量传输的闭环控制研究奠定理论和实验基础。

2.2方案的具体设计与论证

本设计整体设计框图如下：

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图5 整体设计示意图

2.2.1 振荡电路方案对比

2.2.1.1 采用NE555构成振荡器

在振荡信号电路设计部分，采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。NE555可稳定输出1MHz以下的方波，并且占空比可调，电路调试容易，成本较低。电路图如下：

图6 NE555构成频率可调的多谐振荡器

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但是NE555555电路比较简单，不能做到很高的频率，1M以下还可以，再高就做不了。

2.2.1.2 采用晶振构成振荡器

选用晶振振荡电路，频率稳定度高，一般可以频率稳定度为30PPM。可以做到1M-100M都没有问题，但电路比较复杂，常用电路如下图所示：

图7 晶体振荡器

2.2.1.3 采用无稳态多谐振荡器

无稳态多谐振荡器是一种简单的振荡电路。它不需要外加激励信号就便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲，该脉冲是由基波和多次谐波构成，因此称为多谐振荡器电路。多谐振荡器可以由三极管构成，也可以用555或者通用门电路等来构成。用两只三极管组成的多谐振荡器，通常叫做三极管无稳态多谐振荡器。常用的无稳态多谐振荡器电路如下所示：

图8 无稳态多谐振荡器

由以上分析可见，若采用NE555，仅仅以NE555 输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通，所以需要加一级驱动电路，相应加大了电路的复杂程度；若采用晶体振荡器，则由于频率单一，发射端和接收端的频率耦合调整很麻烦；因此，本设计采用

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