电能无线传输应用方案

电能无线传输应用方案（精选八篇）

电能无线传输应用方案 篇1

传统电能的传输主要是利用金属导线直接接触来进行的,这给我们带来了许多的不便。而无线电能传输就不同了,电能从发射端到接收端无接触,提高了用电设备获得电能的灵活性。目前常用的无线电能传输方式有三类即电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式,但离商品化还有距离。本文介绍设计关键技术和典型应用方案。

1 电磁感应方式电能传输

1.1 电磁感应式电能传输系统

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。

1.2 电磁感应式电能传输技术

电磁感应方式电能传输,主要用于医疗仪器;手机、电脑等便携式个人电子产品的无接触式供电;用于电动车辆非接触供电等。目前国内产品有名帅公司、海尔的无尾电视等;国外有Splash Pads、Power cast、Duracell等公司的产品。

1)关键技术之一是发射、接收线圈的形状、安装位置和参数的设计。要尽量保证接收线圈能够与发射线圈磁路耦合系数最大化。

2)关键技术之二是传输电路的设计。分离式变压器又称松耦合变压器,其中,初级与次级线圈间存有较大的空气间隙,因此其耦合系数较小,有较大的漏磁,故电压增益降,传输效率低。

为了提高传输效率,必须向变压器的初级线圈中注入高频交变电流,以提高变压器的功率密度。为此,我们经常采用AC-DC-AC电路,即先对交流电源进行整流滤波获得直流电能,再对获得的直流电进行高频逆变,再将高频交变电流输入到变压器的初级线圈。

由于发射电流的调制频率越低线圈上的热损耗越大。所以无接触感应耦合电能传输系统要求工作在较高的频率,根据应用场合的不同,采用的调制频率范围一般在10k Hz500 k Hz之间。具体涉及到有谐振软开关技术、PWM硬开关逆变技术、移相全桥逆变器和功率因数校正等技术。

由于初级线圈和次级线圈在漏感上产生了较大的电压降,导致传输系统电压增益下降,增大了输入电流与电压之间的相位差。因此要对变压器的初级与次级线圈的漏电感进行电容补偿,常用的补偿方式有静态电容补偿及动态谐振补偿。

1.3 典型的电磁感应式电能传输系统

图2所示为J.T.Boys提出的无接触感应耦合电能传输系统电路原理图[1]。系统采用电流型推挽谐振变换器作为高频逆变器,交流电经过整流滤波后得到直流电,电感L1与电压源串联联接,电感L2、L3所构成的分相变压器与功率开关管Q2、Q3一起构成电流型推挽变换器,补偿电容C2与变压器初级线圈L4构成谐振槽,在工作过程中,直流电与电感L1构成恒流源,之后进入推挽谐振逆变器进行高频逆变,往谐振槽中注入高频交变电流。在特定的频率下,原边发射线圈与补偿电容发生谐振,从而在原边线圈中获得近似的正弦交变电流,该电流在原边线圈周围产生高频交变磁场,次级线圈通过与初级线圈的互感来获取感生电动势,通过副边补偿电容C3对获取的感应电能进行一定的感抗补偿可以增强负载获取电功率的性能,感应电能经过整流滤波之后即可向用电设备供应电能。

2 电磁共振方式电能传输

2.1 电磁共振式电能传输系统

磁共振传送方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“共振”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。

2.2 电磁共振式电能传输技术

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。

2.3 典型的电磁共振式电能传输系统[8]

下图是一款电磁共振式笔记本电脑无线电能传输系统,是利用明天科技公司生产的芯片VOX330MP05S和VOX20K3A做的无线供电系统。

图3中C4、T1和C3组成滤波网络,串联于电网与发射电路之间,作用是吸收发射电路中的谐波反馈到电网上,也可以防止电网上的浪涌电压对发射电路的影响。四个二极管和C2为整流、滤波电路,直接将220V的市交流电整流得到一个约300V的直流电压,这个电压经L1和C1组成的并联谐振回路加到VOX330MP05S的输出端,DC为一个12V/100m A的电源转换模块,为IC1提供工作电压。

VOX20K3A是一块五脚厚膜封装电路,内部集中了电磁共振所需要的相位检测、电压检测、电流检测、功率校正等功能,VOX20K3A需要提供一个5V的工作电压,工作电流约30m A,可由LM78L05提供,2脚上的硅稳压管决定了整个电源的输出电压,关系为:Vout=DW+1.2V,因此,不同的稳压管将得到不同的输出电压,但稳压管必须在9~24V之间选择。

图4中A1和A2分别为补偿输入和输出端,C1为输入电容,L1和L2为两个串联的接收线圈,也可以用一个线圈代替,VD1和VD2为整流管,L3、L4及C4~C9为滤波电路,用于减少纹波,稳定电压。

3 电磁辐射方式电能传输

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。

3.1 无线电波方式电能传输

原理类似于矿石收音机,主要由微波发射装置和微波接收装置组成,接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。

目前电波接收型的最大发送距离约10m,但是由于磁通向空间全方位辐射,能够接收的

功率很小,只有几毫瓦至100毫瓦。其主要用途是在便携式终端中提供待机时消耗的功率。

3.2 微波方式电能传输

微波方式电能传输,主要应用在太阳能卫星发电站。该系统主要由四部分组成,第一部分是将太阳能、风能和交流电等转变成直流电,第二部分是将直流电变成微波,即微波功率发生器,第三部分是发射天线,它将微波能量以聚焦的方式高效地发射出去,第四部分是通过高效的接收整流天线将微波能量转换成直流或工业用电。

先通过磁控管将电能转变为微波能形式,再由发射天线将微波束送出,接收天线接收后由整流设备将微波能量转换为电能。微波方式电能传输距离远。在大气中能量传递损耗很小,能量传输不受地球引力的影响,但容易对通信造成干扰、能量散射损耗大,定向性差,传输效率低。

目前三菱重工开发的微波式非接触充电系统,将一组共四十八个硅整流二极管作为接收天线,每个硅整流二极管可产生20V的电压,可将电压提升至充电所需的指标并可实现1k W的功率输出。

3.3 超声波方式供电

超声波可通过压电材料的逆压电效应方便的转化成电能。基于压电材料的超声波无线电能传输系统,如图7所示。

图7中,发射模块包括主电路(包含匹配电路、整流电路和逆变电路)和控制电路,匹配电路起阻抗变换,提高电路输出功率和效率的作用;整流和逆变电路则可将交流电转化成其他频率的电流;控制电路通过闭环反馈,控制主电路功率管的开关频率,实现主电路与压电换能器的机电共振。接收模块的压电换能器通过接收超声波,经逆压电效应得到的高频交流电,再经整流后就可供给用电设备使用。

3.4 典型的电磁辐射式电能传输系统

该微波传输系统包括微波源、发射天线、接受天线三部分。微波源内有磁控管,能控制微波源在2.45GHz频段输出5~200W的功率;微波源输出的能量通过同轴电缆连接至和波导管之间的适配器上;环型波导管的作用,使波导管和发射天线匹配。发射天线包含八个部分,每个部分上都有八个缝隙。这六十四个缝隙均匀的向外发射电磁波。这种开槽波导天线很适合用于无线电能传输,因为它有高达95%的孔径效率和很高的能量捕捉能力。整流天线用来收集微波并把它转换成直流电。

4 结束语

电能无线传输技术具有无线连接、安全、可动态持续供电等优点,尤其在特殊和恶劣环境,如给移动设备供电;高压、易燃、易爆;水下等应用广泛,尤其是对太空中取之不尽的太阳能的开发利用。无线传输技术的利用必将对人类传输电能、使用电能、对生产与生活产生重大影响。

摘要：本文介绍了三种类型的电能无线传输方案,并对各方案的工作原理和关键技术进行了分析,结合当前的技术提出了典型应用原理图。为设计和应用电能无线传输提供了参考。

关键词：无线充电,电磁感应,电磁共振,电磁辐射,设计原理

参考文献

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[2]武瑛,等.新型无接触电能传输系统的稳定性分析[J].中国电机工程学报,2004,24(05):4-7.

[3]毛赛君.非接触感应电能传输系统关键技术研究[D].南京航空航天大学,2006.

[4]杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展[J].电波科学学报,2009,24(4).

[5]王秩雄,等.无线输电技术的应用前景[J].空军工程大学学报(自然科学版),2003,4(1).

[6]柏杨,等.基于超声波的无线电能传输的研究[J].压电与声光,2011,33(2).

[7]林宁.无接触电能传输系统的设计研究[D].浙江大学,2011.

无线电能传输的实现 篇2

关键词：无线电能 脉冲驱动 磁耦合谐振

随着科学技术的发展，人类不断探索发明新的事物去改善方便生活。电脑、手机这些电子产品已走进寻常百姓家，因其功能多样，深受大家的喜爱。然而其充电方式依旧采用充电头连接线，使用起来较为不便，并且接线端还不是统一规格的。如果采用无线电能传输技术，可以避免杂乱的连接线路，实现近距离无接触地将电能传输给负载，使用起来既方便又安全。同时，在矿井、油田、水下等一些特殊的作业环境中，该技术可避免传统电能传输方式带来的潜在危险。现介绍一款小功率无线电能传输装置的设计方法。

磁耦合谐振的基本原理

两个及两个以上通电线圈通过彼此产生的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。磁耦合的程度由通电线圈的电流大小、频率等多方面因素决定，该程度直接决定了能量传输的距离和效率。磁耦合线圈中的磁通链有两部分组成，一部分是自感磁通链，另一部分则是通电线圈之间的互感磁通链，并且总磁通链与施感电流呈线性关系，等于各施感电流独立产生的磁通链叠加。因此如果两个耦合的电感中有电流发生变动，则各电感产生的磁通链将随电流变动而变动。设电感L1和L2的电压、电流值分别为u1、i1和u2、i2，且两者都取关联参考方向，互感值为M，则两耦合电感的电压电流关系式为：

■ ■

磁耦合谐振式无线电能传输原理如下图所示，

上图中，发射线圈S与电源振荡电路的电感A相互耦合，而接收线圈D与电阻负载电感B相互耦合，同时自谐振线圈S和D依赖其内部电感及电容的分布而达到谐振。能量通过电源振荡电路的电感A耦合到发射线圈S，发射线圈S与接收线圈D由于具有相同的谐振频率，在磁场的作用下产生谐振，最终接收线圈D与负载线圈B通过耦合实现能量传递。在此无线电能传输系统中，KS和KD称为近距离耦合，而K则称为远距离的磁耦合谐振。

两个及两个以上具有相同谐振频率的线圈（如图1中的S与D），在间隔一定的距离时，由于线圈磁场相互耦合产生谐振，从而进行能量传递的过程称为磁耦合谐振式无线电能传输。一般来说，两个间隔一定距离的LC谐振线圈，相互之间产生的为弱耦合，但如果两者具有相同的谐振频率，则会产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统，同时若有多个谐振线圈也在有效范围内，则同样可以加入该谐振系统，如果连接电源的线圈不断为该谐振系统提供能量（如图1中的A），而其他线圈消耗能量（如负载B），则实现了电能的无线传输。之所以称其为“磁耦合谐振”，是因为空间中进行能量交换的媒介是交变磁场，并且每个线圈的电磁谐振是由线圈中的磁场与分布电容的电场实现的。该方法的特点在于发射和接收电路中加入了高品质因素的自谐振线圈构成发射和接收装置。

无线电能传输装置结构

1、脉冲频率的确定

频率越高能量辐射越容易，作为无线电能传输，应该采用尽量高的辐射频率。本设计中为使无线信号能够较为高效的传输，考虑到场效应管的开关速度，若场效应管开关速度过高，效率将下降，同时满足各芯片要求，最终采用256kHz频率传输。由于利用的晶振电路产生8.192MHz频率方波信号，则需利用CD4060芯片进行5分频运作。

2.、无线电能发射模块

依据2014年浙江省第五届大学生电子设计竞赛要求，本方案采用15V直流电源，通过两个0.1μF、100μF电容滤波后输入。振荡信号从CD4060芯片7脚（Q4）上输出256kHz的频率脉冲。但此时脉冲的驱动能力很弱，需要经过一定的电流驱动，这里采用L6384D高压半桥驱动芯片进行驱动。

L6384D能够承受600V的高电压，具有滞后和下拉的CMOS/TTL施密特触发输入，欠压锁定，掉电输入等特点。芯片可驱动拉电流400mA，灌电流550mA，并且利用其设计的外围电路简单、占用空间小。L6384D的引脚数量较少，各引脚功能不同。

L6384D芯片配合半桥功率电路工作，可以起到脉冲分离的作用，将输入的一个脉冲分成两个脉冲输出，并且保持两个脉冲电位相互独立。因L6384D芯片2脚（VCC）和8脚（VBOOT）在其内部之间设置了一个二极管，所以独立的自举电压可以由该二极管提供。5端与4端为一对脉冲输出，7端与6端为另一对脉冲输出，7端输出电平与1端相同，5端输出电平与1端相反。频率脉冲由L6384D芯片的1脚（IN）送入，通过芯片内部运作后，最终在7脚（HVG）和5脚（LVG）输出互补的具有一定驱动能力的稳定256kHz正弦信号。同时，L6384D芯片3脚（DT╱SD）经一个56kΩ电阻接地，合理地控制两路输出的死区时间，当该引脚的电平低于0.5V的时候，芯片停止工作。

在15V供电电压的情况下，功率场地效应管的开启电压已经足够大，不需要另外处理，但通常在栅极串入一个10Ω电阻以限流。为了安装调试时场效应管的工作安全，在其栅源间靠近栅极处并联10kΩ电阻，防止栅极开路。

在这里能量提供线圈和振荡线圈合二为一，为获得更高的传输效率，LC振荡电路采用与驱动脉冲相同的频率信号，发射线圈为外径20cm的空心线圈，绕3匝，测得电感值为3.4μH，根据公式：

■

计算可得振荡电路中C=120 nF。

3、无线电能接收模块

无线电能接收与输出电路如图2所示，图中L2与C9组成接收端串联谐振网络，与发射线圈形成磁匝耦合关系，将接收到的正弦信号经桥式整流实现AC/DC转换，然后经过两个0.01μF、220μF电容滤波输出比较平稳的直流电压，供于负载（如1瓦LED灯）运作。

接收模块采用与发射模块相同的谐振频率，线圈为外径20cm的空心线圈，绕4匝，测得电感值为4.94μH，再根据公式：

■

计算得谐振电容C=82nF，实际通过多个电容并联获得82nF的容量。

测试与结果

当接收模块的输出端接上10Ω电阻负载，观察并计算无线电能传输效率随发射线圈与接收线圈距离变化的关系，如表1。

当接收模块的输出端接上20Ω电阻负载，观察并计算无线电能传输效率随发射线圈与接收线圈距离变化的关系，距离较近时随两线圈间距的增加而急剧下降，当距离较远时下降速度变慢，如表2。

为了便于分析，将表1、表2数据绘制成散点图。当接收模块所接负载改变时，相同间隔距离下的传输效率也将发生改变。总体上，无线电能传输效率随线圈间隔距离的增大而非线性地减小，当距离增加到20cm以上时，传输效率已经很低。

当负载改为两个1瓦的LED灯珠串联，装置可在80cm左右将其点亮。

结论

基于磁耦合谐振原理，阐述了无线电能传输装置的设计原理，分析了无线电能传输效率随线圈间隔距离变化的关系，并且传输效率与接收模块所接负载也存在一定关系。经过试验测试，该装置能实现较远距离的无线电能传输，虽然效率降低，但依然能将80cm左右远的灯珠点亮。在近距离时，电能传输效率较高，可为手电筒、mp3等低功耗电子产品供电。但针对于如何将无线电能传输技术更为高效地应用于高功耗的现实生活生产中，我们还有很多工作要做。

无线电能传输技术研究与应用综述 篇3

1 无线电能传输技术的方式

1.1 电磁感应无线电能传输技术

基于电磁感应原理的电能传输系统 (ICPT) 主要利用变压耦合器, 借助磁场这一媒介, 实现无线电能传输。该系统一般由四部分组成, 分别是交流电源、一次侧变换器、可分离变压器和二次侧变换器。基于电磁感应原理的电能传输系统的耦合系统比较疏松, 因此其传输能力一般, 通常采用高频变换器作为一次侧变换器。可分离变压器是基于电磁感应原理的电能传输系统的最重要组成部分, 整个系统的稳定性、高效性都由其保证。

1.2 射频电能传输技术

射频电能传输技术 (Radio Frequency Power Transmission, RFPT) 主要通过功率放大器发射射频信号, 然后通过检波、高频整流后得到直流电供负载使用。便携式终端 (如手机、智能手表等) 待机时会有损耗功率, 将射频电能发射器装在室内的电灯等器具中, 可随时给这些编写终端设备充电而不需要使用充电器。RFPT的优点是无线电能的传输距离较远, 能达10m。其缺点是传输功率很小, 为毫瓦级别, 最高到百毫瓦级别。

1.3 电磁共振技术

通过合理调节发射装置与接收装置的参数, 使得发射线圈与接收线圈产生电磁共振, 在该共振频率的电源驱动下系统可达到一种“电谐振”状态, 从而实现能量在发射端和接收端高效的传递, 该技术称为电磁谐振型电能传输技术 (Electro-magnetic Resonant PowerTransmission, ERPT) .

对ERPT技术的研究最早始于麻省理工学院的Soljacic助理教授, 他在2006年利用自谐振线圈, 在强耦合环境中通过实验验证了非辐射功率传输的可行性。该次实验过程中采用的ERPT技术传输距离是线圈的八倍左右。实验过程中点亮了一盏距离发射器2.13米60W的灯泡, 其传输效率超过40%。

1.4 微波电能传输

微波电能传输 (Microwave Power Transmission, MPT) 顾名思义是利用微波传输电能, 其原理是将电能转化为微波, 将其发射出去, 从而辐射到整个周围空间, 负载经过整流, 将微波传化成直流电而使用。一般的微波电能传输技术的应用价值有限, 原因是其传输距离比较短, 一般不会超过10m, 并且由于该方式传播的功率小, 只适合于近距离内被较小供电的电器使用。

2011年5月16日, 居伊·皮尼奥莱在非洲留尼汪岛西南部的格朗巴桑大峡谷利用微波进行了长距离无线输电实验。发电机发出的电能首先由磁控管转变为电磁微波, 再由微波发射器将微波束送出, 40 m外的接受器将微波束接收后由变流机转换为电流, 然后将灯泡点亮, 这一实验正是经典的微波电能传输试验。

1.5 激光电能传输技术

激光输电技术则是利用受激辐射放大原理, 将电能转换为激光, 再将激光发射到接收装置, 接收装置对其进行光电转换, 接收装置一般是光伏电池。由于激光具有方向性好, 传播距离远, 能量集中等特点, 传输效率高, 可在某一小范围内集中采集大量光能。该方法具有传输距离远的优点, 而且接收装置小、传输效率高, 因此, 微型飞行器、微小卫星、航天器等设备利用该种输电方法进行远程电力传输具有重大的应用价值。例如, 可采用激光远程充电技术延长微型飞行器 (Micro Air VehicleMAV) 的续航时间。

2007年, 欧洲宇航防务集团 (European Aeronautic Defense and Space Company--EADS) 的工程师进行了激光远程充电的方法, 此次试验的特点是传输距离远, 达到了250米, 试验船只为长度20cm的微型船----漫步者, 在激光的了电力传输下, 该船只运行良好。

2 无线电能传输的主要应用领域及前景

2.1 交通运输领域

在交通运输领域采用的是ICPT技术, 主要应用于轨道机车和电动汽车的充电装置中。新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将ICPT技术成功应用于Rotorua国家地热公园的30k W旅客电动运输车。无线电能充电装置已经成为无线电能传输的一个热门研究方向, 而且正在逐步实用化。主要分为固定式和移动式两大方向。固定式在充电过程中车体保持不动, 其传输距离和传输功率已经能够满足电动汽车底盘高度、电动汽车充电功率的要求。移动式电动汽车无线充电方式可以随时向行进中的电动汽车补充能量, 因此可以减少相同运行里程条件下电动汽车所需的电池容量。

2.2 医疗器械领域

无线电能传输技术对于医疗植入式电子设备的发展促进作用十分巨大, 它改变了其供电方式。如心脏启博器的核电池, 其充电方式一般采用ICPT和RFPT等进行体外能量传输。

在医疗电子系统中, 主要采取RFPT技术, 通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能, 主要有经皮能量传输和直接能量传输。但RFPT技术也有一定缺点, 容易受其他电子设备发生干扰, 所以超声波电能传递技术在医疗器械领域具有一定的优势和应用前景。

2.3 便携通信领域

美国Power Cast公司以美国匹兹堡大学研发的无源型RFID技术为基础, 开发出了电波接收型电能储存装置, 该装置是通过射频发射装置传递电能。而Splash Power公司则开发出手机充电平台, 该平台的技术基础是ICPT技术。香港城市大学的许树源教授也通过深入研究, 研制出了基于ICPT的手机、MP3等便携式通信设备充电平台, 并已开始进行成果转化。

3 结论

文章探讨了无线电能传输的六种技术方式, 分析了其大致原理及其优缺点, 同时本文也分析了无线电能传输的应用领域和应用前景。对于该研究方向笔者认为前景良好, 是21世纪的重要技术, 将来一定会普及到人民大众的生活的层层面面。

摘要：目前无线电能传输技术成为一个研究热点, 本文首先介绍了当前存在的几种无线电能传输技术, 即:电磁感应无线电能传输技术、射频电能传输技术、电磁共振技术、微波电能传输技术、激光电能传输技术、超声波电能传输技术等, 并且对其应用进行了展望, 分析了其在航空航天、智能家居、水下无线充电、交通运输等领域的应用前景。

无线电能传输 篇4

一、无线电能传输组成

本系统为无线电能传输也叫非接触输电技术, 是基于线圈的电磁感应原理。总体由驱动电路、LC谐振电路、整流电路、滤波电路等组成如图1。

1.1 LC并联谐振原理

把一个电容C和电感L以并联的形式接入电路, LC并联电路能够起到选频的作用。基本原理是, LC并联电路对不同频率的电流具有不同的阻抗特性, 从而在回路的输出端输出大小不同的电压。所谓并联谐振即是外来信号的频率W与LC并联回路的固有频率W0 (与LC的值有关) 相同时产生的现象。

并联谐振回路的谐振条件:

即可得谐振回路的谐振频率:

1.2整流滤波电路分析

整流电路主要是将正弦交流通过二极管形成整流桥, 将正弦交流的下半部分也变成上半部分, 高频肖特基整流二极管1N5817适合在高频时使用, 但具有一定的导通内阻, 而电路中会因为二极管的内阻 (二极管内阻就相当于电源内阻) 与负载分压, 导致带负载能力下降, 在电路中就多用了几个二极管并联的整流桥, 使内阻减小, 提高效率。为了达到效率最大向负载传输, 滤波电路就只用了一个100nf的电容。

1.3传输效率分析

为了提高传输效率, 使接收线圈尽可能接收发射线圈产生的磁能, 根据谐振频率计算公式:, 当前级线圈与后级线圈产生谐振时, 能量能达到最高效率的传输, 通过调节电容和电感的大小使前级谐振电路与后级接收电路共振, 从而达到最大传输率。

二、硬件电路设计

本设计硬件电路主要由发射电路和接收电路组成。

1、发射电路。

发射电路由LC振荡电路和发射电路组成, 其中通过电阻的串联为MOS管提供开启电压, 以及给LC振荡电路荡出的正弦电压一个直流抬压;在LC振荡的基础上我们采用两个电感值为300u H的电感进行交流和直流分割, 在测试当中发现240Ω电阻发烫, 根据实验与理论分析, 在交流回路中, 240Ω与22KΩ并联, 所以电流分流较大。改进的措施是采用4个240Ω先串后并, 达到分流效果, 使流过每个电阻的电流减小, 发热减小, 用4个电阻后散热面积也变大了。LC谐振须与后级匹配, 在实验中要慢慢调试。

2、接收电路。

接收端要求输入直流电流, 而接收线圈与电容谐振后得到高频的交流电流, 因此必须整流, 得到直流电流。又因为电流是高频的, 器件做热功容易损耗电能, 因此需要并入六个小电容滤波, 减少损耗。

该无线电能传输装置的效率η:为输入电压, U2为输出电压, I1为输入电流, I2为输出电流)

三、测试结果分析

在输入电压为15V, 输入直流电流不大于1A, 效率可达50.1%, 负载为2只串联的1W的LED灯, 保证灯不灭条件下的收发线圈距离测试结果如表1所示:

测试结果可以看出在保持LED灯不灭的条件下, 发射线圈与接收线圈间距离最大为54cm。

参考文献

[1]白明侠, 黄昭.无线电力传输的历史发展及应用[J].湘南学院学报, 2010

[2]武瑛, 严陆光.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术, 2003年04期

无线电能传输系统参数优化 篇5

感应耦合电能传输 (Inductively Coupled Power Transfer, ICPT) , 实现了用电设备与供电线路之间非物理接触下的能量传输, 特别适合在一些潮湿、易燃易爆条件下取代传统供电方式[1,2,3]。对于ICPT系统, 耦合机构包括2组线圈, 2个补偿电容, 为了使传输功率达到最大, 需要对线圈匝数, 补偿电容, 系统运行频率等进行合理规划, 这是一个多变量、多约束的非线性优化问题。传统的参数设计方法是采用逐步测量设计的方式[4,5], 操作复杂且不易得到最优结果。如果采用求导方式则需要数学模型函数可导且一次只能针对一个参数求出最优, 不能保证系统多个参数最优, 这样设计的参数在实际应用中需要较大的修正, 没有减小ICPT系统设计难度[6]。遗传算法对多参数优化问题具有很快的收敛速度和良好的全局寻优能力[7], 本文拟采用遗传算法对ICPT系统参数进行优化设计。

1 PS型ICPT系统功率和效率模型

对于PS型ICPT系统, 其结构框图如图1所示。其中Vi是发射线圈谐振回路的等效电压源, Cp、Co分别是发射端和接收端电感Lp、Ls的补偿电容, Rp、Rs分别是发射端和接收端的等效串联电阻, Ro为负载, Zps为接收线圈到发射线圈的反射阻抗, Mps为两线圈之间的互感系数。

根据互感原理, 对于PS拓扑结构, 在发射线圈和接收线圈均处于谐振状态, 谐振角频率为ω0, 且发射端线圈电流为IP的情况下, 负载Ro上电压以及电流有效值分别为:

由式 (1) 可得到PS系统的传输功率为:

系统的工作效率可表示为:

其中, Po为系统输出功率, Pi1为原边的线圈损耗, Pi2为副边的线圈损耗, 可求得Pi1、Pi2分别为:

由式 (2) ~ (4) 得到系统的效率模型为:

由于实际系统中负载远大于负载端线圈内阻[8], 所以系统传输效率可简化为:

2 互感与线圈匝数及线圈内阻模型

首先建立系统的自感以及互感关于线圈匝数、半径, 线圈间距的表达式。

对于如图2所示的两组螺旋线圈, 根据参考文献[9], 线圈1的自感L1、线圈2的自感L2分别为:

线圈1和2之间的互感M为:

其趋肤深度为:

其中, ω为导线中电流的角频率, σ为导线材料的电导率, 对于铜导线, 其电导率为5.8×107 S/m。那么单位长度的电阻为:

其中, α为导线的半径。对于螺旋线圈, 当线圈匝数为N, 线圈半径为r时, 忽略两根绕线间的间距, 此时线圈的内阻△r为:

3 PS型ICPT系统数学规划模型

结合电路中的一些实际情况, 令Cp、Cs的额定电压分别为VCp_r、VCs_r则系统应满足:

式中, VCp、VCs分别为补偿电容Cp、Cs上的谐振电压。

根据实际情况, 线圈匝数、线圈半径都有最大值以及最小值。

式中, Np-m、Np-n、Ns-m、Ns-n分别为发射线圈及接收线圈匝数的最大值与最小值。rp-m、rp-n、rs-m、rs-n分别为相应线圈半径的最大值与最小值。

根据实际情况, 线圈之间也有最大值以及最小值, 传输效率应有一个最小值。

式中, dps-m、dps-n分别为发射线圈与接收线圈之间距离的最大值与最小值, 当线圈为f, 电感为L时, 线圈的补偿电容为:

对于PS型拓扑, 当发射线圈电流Ip保持恒定时, 系统的输出功率为:

若已知Ip和Ro及上述所提到的各器件参数最大、最小及额定值, 优化f、Np、Ns、rp、rs、dps, 在满足系统传输效率的条件下使系统的传输功率最大, 至此得到系统的非线性规划数学模型:

从式 (17) 可以看出, 线圈的参数设计是一个多变量、多约束的非线性优化问题, 引入遗传算法对其进行求解与分析, 优化结果可利用MATLAB的遗传算法工具箱获得。

以PS型拓扑的非线性规划模型为优化对象, 系统的已知条件为:Ip=10 A, Ro=50Ω;参数约束值分别为:Vcp_r=Vco_r=600 V, Vcs_r=Vcr_r=1 200 V, Icp_r=Ico_r=30 A, Ics_r=Icr_r=60 A, 优化变量f、Np、Ns、rp、rs、dps的解空间分别为[10 000 100 000]、[1 200]、[1 200]、[0.1 0.5]、[0.1 0.5]、[0.01 0.5], 同时设定最小传输效率为65%, 利用遗传算法在约束条件下对式 (17) 进行参数优化得到系统的最优参数为:f=20.001 k Hz, Np=45, Ns=52, rp=0.18 m, rs=0.14 m, dps=0.074 m, η=0.72, 优化得到的参数均满足约束。

4 实验研究

为进一步验证参数优化的正确性, 利用优化参数搭建了一个PS型拓扑ICPT系统实验样机, 其主电路拓扑如图3所示。

人为使线圈匝数偏离优化参数, 其他参数均与优化参数保持一致, 图4、图5即为优化前与优化后系统发生线圈谐振电流, 输入电压, 电流波形图, 由图可以看出在线圈发射电流基本保持不变的前提下, 优化后的系统能够传输更大的无线电能, 输入电压基本不变但系统电流从467 m A增加到974 m A。

在实际的系统中, 传输功率和传输效率一般无法达到同时为最大值, 此时应依据实际情况来选择, 如果系统传输功率为主要因素, 那么应使效率满足要求的情况下以最大传输功率为目标, 若效率为重点考虑的因素, 那么应在系统满足功率要求的情况下, 以效率最高为优化目标进行优化设计。

5 结论

本文首先基于互感模型对PS型ICPT系统的传输功率、传输效率进行了建模研究, 以PS型拓扑为优化对象, 建立了该拓扑结构的非线性规划数学模型, 以该模型为对象利用遗传算法对系统参数进行了优化设计, 最后设计了实验样机来验证优化结果, 验证了系统参数在设计要求内且具有较高的传输功率和传输效率, 此优化方法可直接得出系统具体的线圈匝数便于工程设计, 具有较好的实际应用价值。

摘要：无线供电系统中线圈、线圈间互感、补偿电容、谐振频率各个参数之间相互制约、相互影响, 系统的设计是一个多参数、多变量的优化问题。以往的参数优化一般是单参数优化而且只优化到互感, 并没有优化到具体的匝数, 系统设计需要较大修正。为解决此问题, 在得到系统的传输功率和效率模型的基础上, 利用线圈匝数与自感互感的关系, 以PS型拓扑为优化对象, 给出了系统的非线性数学规划模型, 利用遗传算法得出了系统的最优设计参数。最后, 通过实验研究证明了理论分析与设计方法的正确性。

关键词：无线供电,参数优化,数学规划,遗传优化

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基于无线传输的电能质量监测系统 篇6

具有“世界工厂”称号的东莞,在新的经济形势下,工业自动化水平不断提高,工业园内对电源敏感的高科技电力设备越来越多,电能质量的实时监测是提高生产效率、节能减排、安全生产的关键,本文针对东莞高科技产业园对电能质量的要求,提出了一种基于ZigBee无线传感网络的电能质量实时监测系统。该系统不仅具有强大的测量和通信功能,而且具有组网方便、动态拓扑、低成本、大容量、高可靠性的特点[1],能很好地满足高科技工业园电能质量实时监测的实际需要。

1 系统概述

系统结构如图1所示,由数据采集节点,ARM9S3C2440控制模块(汇聚节点)、本地上位机、远程监测管理中心组成,数据采集节点分布在每个需要监测的电源点,比如:每台精密加工设备,每台变频调速驱动器,自动化生产线等;S3C2440模块(汇聚节点)分布在离数据采集节点约40 m距离的范围内,本地上位机分布在各厂监控室,远程监测管理中心放置在工业园电力管理中心,各部分的功能如下:

(1)数据采集节点:由电压、电流互感器、信号调理电路、频率同步电路、A/D、DSP及ZigBee模块组成,电压、电流互感器将从电网上得到的电压、电流信号转换成适合A/D转换的交流小信号,经滤波后输入到A/D转换器,DSP读取A/D转换结果并进行相关电能质量参数运算和分析,分析结果通过CC2530无线通信模块传送至ARM控制中心,频率同步电路的作用是减小非同步采样造成的FFT算法中的栅栏效应。

(2)S3C2440模块(汇聚节点):由ARM9 S3C2440、SDRAM、ZigBee模块、以及看门狗、时钟等外围电路组成。S3C2440模块是系统下位机的管理控制中心,负责数据采集节点和本地上位机之间的通信与数据交换,ZigBee模块作为协调器,负责通信链路及路由的建立以及数据包协议转换等。

(3)本地上位机:本地使用PC作为上位机,完成数据收集、数据分析、结果显示及存储等功能。

(4)远程监测管理中心:远程用户通过互联网接入本地上位机的服务器平台,通过“终端-服务器”的形式完成对本地上位机的操作,从而实现数据和信息的共享。

2 无线收发器

在常用的无线传感协议中,ZigBee以其覆盖范围宽、容量大、组网简单、网络可自由扩展、联网耗时低、安全、低功耗、低成本等优势受到更多的关注,本系统选用CC2530 ZigBee模块作为无线收发器,CC2530是TI在2009年推出的,在CC2430的基础上根据CC2430实际应用的一些问题做了一些改进,存储容量最大支持到256 KB,可编程的输出功率高达4.5 dBm,具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能,通信距离最远可以达到[2]400 m,对于中小型工厂,不用外加功放来扩展距离,只需要一个汇聚节点即可满足全厂范围内的电能质量监测,强大的5通道DMA控制器使硬件外设能实现数据的高效传输,从而满足系统实时监测的需求。

CC2530电路原理如图2所示,CC2530与S3C2440通过UART0连接,与DSP通过串口连接。电路中的C251,C261,L1共同作用为CC2530的内部PA和LNA提供直流偏置,C252,L261和C262,L252分别是LC巴伦电路的低通滤波电路和高通滤波电路,它们负责差分信号和单端信号之间的转换和阻抗匹配,L2,C1,L3是pi型滤波电路。

2.1 射频电路及天线设计

为了提高射频模块的兼容性和抗干扰性,同时方便调试,本设计将数据采集、分析及处理模块与射频收发模块分别设计成2个不同的PCB。CC2530芯片及其外围电路、电源以及接口电路集成在长度36 mm、宽度25 mm的印制电路板上。

PCB板设计采用双层板,为了避免两层接地层沿铜皮走线产生电位差,在上下两层的开放区和芯片底部添加过孔,使整个模块能够充分接地,使地面保持等电位。导通口距离计算公式如下:

式中:c表示光的传输速率;εr表示板子的介电常数,本设计中为63.2 mil。

采用Cadence的Allegro PCB Design GXL软件进行手工布线,生成PCB版图。布线的时候要注意以下几个方面以提高其电磁兼容性[3]:

(1)在敏感信号周围用接地孔,或者用封闭的壳来进行屏蔽,减少干扰。

(2)在射频端口采用差分线路以提高抗干扰能力,布差分线的时候采用Cadence的约束管理器,使设计的PCB满足差分走线长度匹配规则。

(3)采用ADS的line_calc工具进行馈线设计实现阻抗匹配,避免反射信号。

(4)晶振下层不布线,走线尽量短,并远离其他敏感器件。

2.1.1 天线设计

设计采用印制倒F天线,选择相对介电常数为4.5,敷铜厚度是0.035 mm,厚度为1.0 mm的FR-4板材,倒F天线的结构如图3所示。天线的建模与仿真采用HFSS软件[4],参考TI公司提供的2.4G IFA的设计尺寸,以及文献[5]中关于倒F天线的输入阻抗与天线尺寸之间的关系,通过分析计算,反复微调各个参数,在谐振频率约为2.45 GHz,阻抗接近于50Ω时,设计的天线参数见表1。

2.1.2 巴伦电路设计

CC2530的收发是通过差分端口RF_P,RF_N来完成信息的收发的,因为CC2530射频端口是一个差分端口,而天线端是单端口,所以需要匹配电路进行端口转换并实现天线的50Ω到差分端口的阻抗匹配,图2中的L261,C262,L252,C253组成巴伦电路用以平衡转不平衡。巴伦电路的L,C计算公式如下:

式中:Zout和Zin分别是芯片射频端口和天线端口需要匹配的阻抗值。根据TI的CC2530的芯片手册,系统在工作频率,射频端口的阻抗是(69+j29)Ω,倒F天线的特征阻抗是50Ω,可以计算得到各元件参数值。

mm

(1)使用Agilent公司的ADS软件进行电路原理图仿真来验证巴伦电路的特性,设置扫描频率为2~3 GHz,仿真结果显示在2.45 GHz天线端口的回波损耗为-26 dB,如图4所示。天线端阻抗为(50.407-j1.542)Ω。

(2)采用TI公司的专用于评估和配置射频硬件的应用程序SmartRF Studio 7[6]进行CRC校验、RSSI及丢包测试,实验结果显示接收数据的CRC正确,RSSI值符合随发送功率线性增长的规律,丢包测试中,当射频模块通信的平均RSSI为-56 dBm,接收了156个数据的吋候丢包率为4.1%,说明通信质量可行。

(3)分模块进行实际测试,采用频谱分析仪对巴伦匹配电路的输出信号进行频谱分析,通过调节匹配电路的电感电容值大小,使巴伦匹配电路的输出端在2.45 GHz频率的信号峰值达到最大。天线测试时将50Ω同轴线一端的内芯焊接到天线的馈电测试点,外层就近接地,另一端通过带SMA接头的校准线连接到安捷伦公司的E5071矢量分析仪进行测量,测试频率为2~3 GHz。实际测得在2.45 GHz天线端口的回波损耗为-22 dB。

2.2 通信软件设计

通信程序设计采用ZigBee2006协议栈为开发模板,通过在应用层添加自己的应用程序来实现。数据采集节点的程序流程如图5所示。

3 结论

本文提出的基于无线传感网络的大型工业园电能质量实时监测系统,利用ZigBee无线传输模块实现ARM与DSP之间的通信,省去了复杂的布线环节,节约了大量的精力和成本,在实际组网点对点通信测试中,无线传输模块的室外直线传播距离超过300 m,室内有障碍时传播距离超过40 m,最大传输时延小于80 ms,具有自组网功能。该系统可对电网谐波的有效值、功率及功率因数、谐波畸变率、谐波含有率、电压波动与闪变、三相不平衡度等多种电能质量参数进行测量。系统具有低成本,高可靠性,高容量、组网简单等特点,适用于工业园中自动化生产线精密仪器、设备的电能质量的实时监测,对高科技工业园提高生产效率,节能减排具有实际意义。

摘要：针对东莞高科技工业园的实际情况,提出了一种基于无线传感网络的电能质量实时监测系统。系统采用DSP加ARM结构完成对现场电信号的采集、分析和处理,通过高可靠性ZigBee CC2530模块实现DSP与ARM间的无线通信,完成数据的传输。重点介绍了射频电路及天线的设计,分析了电磁兼容及抗干扰措施,采用SmartRF Studio 7验证电路的RF性能,测试结果表明该系统能满足工业园中自动化生产线的精密仪器、设备的电能质量的实时监测的要求。

关键词：电能质量监测,无线传感网络,射频电路,天线,RF性能

参考文献

[1]马丽萍,张卫国.基于ZigBee的电能质量监测系统的研究与设计[J].电源技术,2012,36(8):1192-1195.

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[4]李明洋,刘敏,杨放.HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社,2011.

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电能无线传输装置的补偿电路研究 篇7

电能给人类带来巨大的发展, 然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落, 给人们带来极大的不便, 因此人类一直有摆脱电线的束缚实现电能无线传输的梦想。迄今为止, 人们提出了三种电能无线传输方式:一是微波线电能传输方式。该方式利用无线电波收发原理传输电能, 传输功率只能在几毫瓦至一百毫瓦之间, 应用范围不大;二是电磁感应无线电能传输方式。该方式利用变压器原副边耦合原理传输电能, 传输功率大, 效率高;三是谐振耦合电能无线传输方式, 虽然这种形式是最具有优势, 但是该技术还存在谐振线圈尺寸过大和容易失谐等问题[1,2]。

1 电路工作原理

基于电磁感应无线电能传输方式的无线充电系统, 利用原、副边的两个线圈的电磁耦合[3], 实现电能的传输。系统的电路图如图1所示。

L1为原边线圈电感, L2为副边线圈电感, R1为原边电阻, R2为副边电阻, RL为负载电阻, M为互感。由于原副边线圈之间的漏感较大, 故不能忽略, 可以将电路等效为如下的模型[4], 如图2所示。

Lm为线圈之间的互感, L1S为原边线圈的漏感, L2S为副边线圈的漏感。设线圈间的耦合系数为k, R1与L1S的合阻抗为Z1, R2与L2S的合阻抗为Z2, Lm的阻抗为Zm, n为线圈的匝数比。由于ω较大, 所以R1、R2可以忽略不计。由等效电路可以得到公式 (1) - (3) 。

无线电能的传输效率可表示为:

其中, UL和IL分别为负载上的电压和电流, UP和IP分别为电源输出电压和电流。

由于线圈之间是间隙耦合, 所以k值很小。由上式显然可见, 漏感L1S, L2S很大, 使得Z1, Z2很大, 从而使系统的传输效率很低。这就需要进行补偿电路进行补偿, 以提高传输效率。

2 补偿电路分析

由于原、副边线圈存在很大的漏感, 所以要提高系统的效率, 需要加入适当的补偿, 减小漏感的能量消耗, 使电路工作在谐振的状态[5]。补偿电路一般有两大类, 第一类为单边补偿电路, 第二类为双边补偿。由于系统的初级、次级线圈都有漏感的存在, 所以一般采取双边同时进行补偿即双边补偿, 会有很好的补偿效果, 能进一步提高系统的传输效率, 所以本文着重介绍双边补偿电路。

双边补偿电路有四种补偿结构, 分别为PSSS (初级串联、次级串联) 补偿结构、PSSP (初级串联、次级并联) 补偿结构、PPSS (初级并联、次级串联) 补偿结构、PPSP (初级并联、次级并联) 补偿结构, 这四种双边补偿结构分别如图3-6所示。

当采用双边补偿时, 次级补偿的加入会对初级补偿参数的确定产生影响, 基于式 (4) 再由电路分析可以得出四种补偿的功率因数。

由上面的公式可得出, 谐振时, 使系统的效率最大, 初级, 次级应选择的电容值, 如表1所示。

由此表可以看出, 当线圈间的距离增大时, 线圈的漏感会增大, 那么系统的谐振频率就会降低。在谐振频率下的效率公式。当发生谐振时, 式 (5) - (8) 可以进一步简化为如下形式, 分别如式 (9) - (12) 所示。

根据上面理论分析和对比可以得出以下结论:初级串联补偿, 比初级并联补偿传输效率高。所以下面将对初级串联/次级串联PSSS, 和初级串联/次级并联PSSP两种补偿结构进行Matlab建模仿真, 仿真结果如下:

当距离L=0cm时, 互感系数k=0.33, 如图7所示。

当距离L=1cm时, 互感系数k=0.12, 如图8所示。

当距离L=2cm时, 互感系数k=0.051, 如图9所示。

由仿真结果可以分析得出:随着距离的增加, 两种补偿结构的效率都在降低, 但共同的特点是两种补偿装置的效率高低在同等距离的情况下和负载的大小有紧密联系。当RL较小时应用初级串联—次级串联 (PSSS) 的补偿结构, 当RL较大时选择初级串联—次级并联 (PSSP) 的补偿结构则会有较好的补偿效果。

3 结束语

通过建立电磁感应无线电能传输方式中的变压器漏感模型, 详细分析了在电能无线传输系统中, 不同补偿电路拓扑结构的特点, 并且使用MATLAB分析了两种补偿电路在负载影响下的补偿效率, 最后得出如何选择相关补偿电路的方案。通过串并联电容, 大大减小无功功率消耗部分, 大大改善了系统传输效率。

摘要：介绍了基于电磁感应无线电能传输方式的主电路拓扑结构和工作原理。并对该传输方式的补偿电路进行了比较分析。搭建了仿真对补偿电路进行的比较和分析, 最终给出了各自的使用场合。

关键词：电能无线传感,补偿电路,仿真

参考文献

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分析影响无线电能有效传输距离因素 篇8

1 无线电能有效传输距离

无线电能传输是目前电能传输的主要形式,目前可以三个方面:

首先,非接触充电式技术,以通过电磁感应原理实现的,一般都是在一些便携式终端应用,并且十分广泛。这种类型将两个线圈放在邻近位置,在一个电流在一个线圈中流动的时候,磁通量就成为了媒介,而另外一个线圈就会出现电动势。

其次,目前应用过较为广泛的一种技术类型,能够直接在电磁波能量中应用,借助无线发送以及接受原理,实现电能的传递。这与收音机原理是相似的,直接在整流电波交流形变换成直流后利用,是不能够使用放大电路的。同以前相比,这种技术的效率得到提高,并正在推动厂商将其投入实际应用。

第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域应用广泛,但是,在供电技术中应用的不是电磁波或者电流,而只是利用电场或者磁场。2006年11月,美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。

以磁耦合谐振技术为基础的无线电传输,主要包括两个关键部分,分为为电磁法神系统以及电磁接收系统。而励磁感应与发射线圈则是构成电磁发射系统的两个主要部分,两者之间存在不可分割的关系,电磁接收系统包括接收线圈与负载线圈,两者相互配合实现电能传输。电磁发射与接受系统共同组成了等效模型。单匝线圈组成,负载线圈由单匝线圈和负载组成,发射线圈和接收线圈均由具有相同谐振频率的多匝线圈组成。在系统设计时为了降低设计的复杂性,将发射和接收线圈设计成相同的尺寸和机械结构,因此,两线圈的等效参数可认为是一致的。

2 无线电能有效传输距离的影响因素

2.1 线圈半径对距离的影响

从图1中能够看到,线圈线径为0.8毫米,图为同轴防治的螺旋线圈,线圈半径从下图中能够获得,分别为5厘米、10厘米、15厘米、20厘米,由此可见,发射系统线圈半径是由小到大,距离则是由近及远的,这个时候测量获得接受线圈的电压值,获得归一化电压与距离的关系曲线。

从图1中可以看到,线圈半径分为5厘米、10厘米、15厘米、20厘米,线圈长度以5厘米的距离递增,在这样的情况下,负载接收的电压分为为20厘米、45厘米、60厘米、75厘米,此时接受的电压为85%、85%、90%、85%。在此过程汇中存在一定的误差,但是这种误差可以被忽略,所以从这些数据分析来看,线圈半径越长,距离越大,两者成正比。

2.2 线圈线径对距离的影响

线圈线径对距离的影响示意图如图2,观察图2发现,线圈半径分为10厘米,线径则是0.1毫米、0.8毫米、2.7毫米,在这样的情况下,发射系统与接受系统之间的距离进行测量,得到归一化电压与距离的关系曲线。

由图2可知:线圈线径分别在O.lmm,0.8mm,2.7mm三种情况下,负载上接收到的电压在20厘米,40厘米,60厘米的距离处开始显著下降;在20厘米,40厘米,60厘米的距离处负载上接收到的电压分别为最大值的81%,90%,90%。图中存在误差同样主要是线圈手工绕制和忽略辐射损耗造成的,因此可以证明有效传输距离与线圈线径根号三次方成正比。

2.3 电导率对距离的影响

图3所示是线圈材质分别铜、铝导线,线圈半径10厘米,线径为0.8mm时,使发射系统和接收系统之间的距离由近到远分别测量接收线圈的电压值得到的归一化电压与距离的关系曲线。

由图3可知:铜线与铝线的电能接收效果相差不多,铜线效果略微大于铝线。证明电能传输距离与电导率的六分之一次方成正比的分析是基本合理的。

3无线电能有效传输距离及其影响结果分析

本文对磁耦合谐振式无线电能传输距离特性进行了分析,具体结论如下:

通过以上几个方面的研究,可以得到以下结论,无线电能传输分为三个不同的状态,分为耦合、临界耦合以及千耦合。通过对过耦合到临界耦合,耦合因数不断减少,然后接受电压最大值是不会改变的,而欠耦合处接收电压最大值随着耦合因数的减小而急剧下降,因此临界耦合点的距离即无线电能有效传输距离,该点代表着系统最大传能范围。

结束语

中国经济不断发展,资源分布不平衡的问题也更加受到关注,为了能够缓解国内常规资源匮乏的局面,利用无线电能传输,能够更好的实现电能传输,保障电能传输有效性,减少电能消耗,也能够降低成本。无线电能有效传输受到很多影响,比如距离、半径以及电导率等等,其经济性如何,依赖于对这些参数的研究程度,通过掌握这些影响因素,才能够有针对性的制定排出干扰因素的对策,提升无线电能传输的整体质量。

参考文献

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