论文总字数：32044字

摘 要

电磁耦合谐振式无线能量传输技术理论于2006年被提出，是一门新兴的无线能量传输技术，其特点是能够在中距离上实现能量的高效率传输。其原理是利用一定距离上两个拥有相同自谐振频率的电路之间形成的磁场谐振耦合从而实现能量的高效定向传输，而对于谐振频率不相同的电路之间的能量不能进行耦合传递。实现电磁共振无线能量传输的关键就在于建立起能量发射线圈端与能量接收线圈端之间的谐振耦合，即通过对电路的各元件参数的设计和调整，使两电路具有相同的谐振频率而建立起谐振耦合。本文在电磁谐振耦合无线能量传输理论的基础上，通过等效电路的方法分析了并联-并联结构系统的能量传输原理，并通过Multisim仿真软件探究了传输系统的谐振状态特性。最后，设计了一套完整的磁耦合谐振无线能量传输系统，包括直流供电的高频正弦振荡电路，乙类推挽功率放大器，共振耦合电路，并通过Multisim仿真软件对单个电路和整体电路的功能进行了仿真探究以及通过单片机根据接收端电压的大小实现对接收线圈并联电容的自动调节以实现发射端与接收端产生共振。

关键词：无线能量传输，电磁耦合，谐振线圈，单片机

ABSTRACT

The theory of electromagnetically coupled resonant wireless power transmission technology was proposed in 2006. It is an emerging wireless power transmission technology, which is characterized by high-efficiency transmission of power at a medium distance. The principle is to realize the efficient directional transmission of power by using the magnetic field resonance coupling formed between two circuits having the same self-resonant frequency at a certain distance, and the power between the circuits with different resonance frequencies cannot be coupled and transmitted. The key to realize the magnetic resonance coupled wireless power transmission is to establish the resonant coupling between the power transmitting coil end and the power receiving coil end, that is, by designing and adjusting the parameters of the various components of the circuit, the two circuits have the same resonant frequency. A resonant coupling is established. Based on the electromagnetic resonance coupled wireless power transfer theory, the power transfer principle of the parallel to parallel structure system is analyzed by the equivalent circuit method. The resonance state of the transmission system is explored by Multisim simulation software. Finally, a complete magnetically coupled resonant wireless power transmission system is designed, including DC-powered high-frequency sinusoidal oscillator circuit, Class B push-pull power amplifier, resonant coupling circuit, The function of single circuit and whole circuit is explored by Multisim simulation software and realized the automatic adjustment of the parallel capacitance of the receiving coil by the MCU according to the magnitude of the voltage at the receiving end.

KEY WORDS: wireless power transmission, electromagnetically coupling, resonance coil, MCU

目 录

基于电磁共振耦合的自适应无线能量传输 I

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 毕业设计（论文）的安排 2

第二章 磁耦合谐振式无线能量传输的理论基础 4

2.1 传输系统的初步理论探究 4

2.2 传输功率及效率计算 7

2.3 线圈的等效参数计算 10

第三章 系统的谐振状态特性的仿真探究 13

3.1 电源频率对发射端谐振的影响 13

3.2 发射端调谐电容的影响 15

3.3 接收端调谐电容的影响 17

3.4 负载与功率的关系 19

3.5 耦合系数对电压幅值和负载功率的影响 22

第四章 系统整体设计与仿真 26

4.1 振荡电路的设计与仿真 26

4.2 功率放大器的设计与仿真 27

4.3 耦合电路的设计 31

4.4 整体电路的仿真 31

4.5 谐振电容的单片机自动控制系统设计 33

4.6 整流滤波电路设计 36

第五章 总结与展望 40

5.1 工作总结 40

5.2 展望 41

参考文献 42

致 谢 45

第一章 绪论

1.1 引言

能量的获取和传输是人类乃至一切生物繁衍生息必不可少的一项工作。自古以来对于人类社会而言，能量的获取和传输的方式是各式各样的，尤其以电能的获取和传输作为最重要的一方面。长期以来电能的传输方式，传统的依靠导线以及导体的直接接触^[1]来传递电能的方式一直占据着绝对主导的地位。而传统电能的输送电能方式不可避免的会产生一系列问题^[2]，如线路损坏、导线的摩擦、磨损以及老化、受腐蚀等一系列负面问题，这些问题大大降低了用电设备的可靠性，并且十分容易引发各种各样的安全事故。在某些比较特殊的领域，例如在医疗医学领域、采矿领域、油气开采领域等，这些负面影响往往会给人们的生产生活带来灾难性的后果。传统的导体接触传递电能的这一系列问题让寻求一种新型电能传输方式成为人们当前的一种十分的迫切选择。不过让人欣喜的是，伴随着电力电子技术与相关控制技术的发展，可靠且高效的无线电能传输技术^{[3] [4]}就理论层面而言已成为可能。

对无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术^[5]（又称为无接触式电能传输）的研究最早可追溯至1893年。特斯拉首先提出无线电能传输的概念并进行了一系列非常有意义的试验，但是受限于当时的社会背景和一系列技术瓶颈，无线能量传输技术并没有得到有任何突破性的研究成果和实际应用。直到2007年，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克提出了磁共振耦合式（Magnetically-Coupled Resonant, MCR）无线电能传输技术^[6]，并在《Science》杂志期刊上详细阐述了非辐射强电磁谐振式中距离无线输电的原理^[7]，在此原理的基础之上，他的团队成功制作出点亮一盏两米距离外60瓦灯泡的磁耦合谐振式无线电能传输装置，拉开了磁耦合谐振式无线能量传输技术^{[8] [9]}发展新的序幕，自此无线电能传输技术有了突破性的进展，实现了中等距离上较大功率能量^[10]的高效无线传输。

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