磁耦合谐振式无线电能传输系统设计

论文总字数：17079字

摘 要

无线电能传输是一种可以实现电能无线高性能传输的新兴技术，可以广泛应用于手机无线充电、嵌入式医学、内部人体检测等方面。本文中的磁耦合谐振式无线电能传输则就是一种利用线圈之间的高频耦合谐振磁场来实现电能的无线传输的技术，其原理就是由两个线圈之间的高频谐振而达到电能的无线传输的目的。通过改变线圈的半径大小和匝数以及发送、接收电路的电容系数，寻找电能在保持高效率传输的情况下的最大传输距离。最终实现了可以在30cm外点亮1W的LED小灯泡，最大传输效率也达到了40%左右。本文通过对磁耦合谐振式无线电能传输的研究，在线圈设计、工作方式等方面改善和提高了无线电能传输的距离和效率，为进一步推进该技术的发展给予了理论依据和实践参考。

关键词：无线电能传输；磁耦合谐振；高频耦合；线圈

Design of magnetic coupling resonant radio transmission system

Abstract

Radio transmission is a kind of can realize emerging power wireless high performance transmission technology, can be widely used in mobile phone wireless charging, embedded medical, inside the human body detection, etc. Recently study, radio transmission in the transmission distance and transmission efficiency two aspects, there are some problems, both for radio can transmit at the same time is also very important factors.

In this paper, the magnetic coupling resonant radio can transmit is a kind of the use of high frequency coupling resonance between the coil magnetic field to realize the power of wireless transmission technology, the principle of which brought the feature can be good to improve the transmission distance and transmission efficiency, meet the requirements of high performance transmission distance. By changing the size and number of turns of the radius of the coil and the coefficient of sending and receiving circuit of capacitance, looking for electricity while maintaining high efficiency transmission under the condition of maximum transmission distance. Finally achieved can light up outside 30 cm 1 w LED bulb, maximum transmission efficiency reached 40%. In this paper, through the research of magnetic coupling resonant radio can transfer, in such aspects as working way, coil design can improve and enhance the radio transmission distance and efficiency, in order to further promote the development of the technology to provide a theoretical basis and practical reference.

Keywords：Radio transmission；magnetic coupling resonant；high frequency coupling；coil

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究后存在的难点和问题 2

第二章 磁耦合谐振式无线电能传输总体方案设计 3

2.1 引言 3

2.2 传输结构系统介绍 3

2.3 传输工作原理介绍 4

2.4 电路模型理论计算 4

第三章 磁耦合谐振式无线电能传输系统硬件设计 5

3.1 引言 5

3.2 发射电路模块 5

3.2.1 LM2596降压模块 5

3.2.2 NE555多谐振荡器电路 6

3.2.3 IRF540 7

3.2.4 线圈模块 7

3.3接收部分电路设计 7

3.4 超声波测距模块电路设计 8

3.4.1 超声波发射接收电路 8

3.4.2 单片机电路 9

3.4.3 数据显示模块电路 9

3.4.4 电源电路 9

第四章 磁耦合谐振式无线电能传输系统软件部分 10

4.1 引言 10

4.2 电路仿真软件的使用 10

4.3 单片机C语言程序开发软件用于超声波测距设计 10

4.4 显示模块： 11

第五章 调试结果和数据分析 12

5.1 调试结果 12

5.2 数据分析 14

第六章 总结与展望 15

致谢 16

附录 18

第一章 绪论

1.1 引言

在编写这篇论文之前，我想先就无线电能传输技术在当今世界上各个国家的发展做一些较为详细的说明和比较：
首先要说的是在历史上，对于无线电能传输这个技术的发展主要经历了三个阶段。从1889年开始，尼古拉∙特斯拉（Nikola Tesla）展开了大规模的试验，期望使用无线电能传输的方法实现能量的无线供给。但是由于技术上的限制，并且随着交流电力网络的大力发展，无线电能传输技术在历史上并没有崭露头角。

到了上世纪60年代，由于对能源危机的忧心和对空间技术的发展期望，人们提出了空间电站的设想。此时无线电能传输技术就作为了空间电站的关键技术，再一次进入科学界的视野。但由于成本、技术等方面的原因，导致空间电站至今没有实现，因此无线电能传输技术的发展再次沉寂。
近年以来，伴随着电子通信的技术、交通技术和功率电子的技术的发展，产生了新的应用需求和发展潜力。首先是松耦合变压器为代表的感应式无线电能传输逐渐发展，而在2007年7月份，《Science》刊登了麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）马林∙索尔贾希克教授的研究文章，引起了全球范围内的广泛关注。目前，以磁耦合谐振式无线电能传输技术为代表的新一代无线电能传输技术已经成为电气学科的研究热点之一。

微波和激光输能技术利用超高频(gt;300MHz)或更高频段的电磁波传输电能，具有传输距离较远的优点，但存在着定向装置复杂、穿透能力差、大气传输耗散较大、生物危害性高、能量转化效率较低等缺点。主要适用于空间电站和飞行器的无线电能传送。

感应耦合式无线传输技术（Inductively Coupled Power Transfer,ICPT）的工作频率较低。在结构上与普通变压器类似，均采用高导磁材料作为耦合磁场的通路，因此该装置也被称作可分离变压器（Detachable Transformer）、松耦合变压器(Loosely Coupled Transformer, LCT)等。该技术的起源较早，我国的中科院电工所严陆光院士研究组、重庆大学孙跃教授研究组、彭承琳教授研究组、浙江大学的何湘宁、马皓教授研究组、西交大王兆安教授研究组、南京航空航天大学王慧贞课题组、大连理工大学陈希有研究组针对该技术开展了广泛而深入的研究。相对于磁耦合谐振式无线电能传输技术，该技术的特征是采用高导磁材料以提高耦合磁场的耦合程度、减少漏磁通和增加耦合系数。因此具有传输功率大、工作频率较低（工作频率一般在500kHz以下）、漏磁通小等优点。但其传输距离较近，且对位置和偏移较敏感。

因此磁耦合谐振式无线电能传输技术相对于其他无线电能传输方式，应具有以下几方面优势：

第一，采用近场耦合磁场传输能量，传输距离远于感应耦合方式，可达到几十厘米以上。能量传输距离和传输范围适中，符合生活及办公场合的距离要求。

第二，在充电过程中允许一定范围的自由移动，使用较灵活。

第三，其传输功率等级在几瓦到几百瓦之间，基本满足常用无线设备的需求。

第四，磁场穿透能力强于电磁波，而且该技术采用的频率低于强辐射的频率范围，辐射损耗较小。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的三个部分：

(1)前级电路谐振部分：这个部分由稳压电路、多谐振荡器电路、前级谐振线圈构成前级谐振体，发射线圈产生磁场能量发送到后级的接收线圈上，是前级电路与磁场的耦合媒介。
(2)后级电路谐振部分：包括整流电路部分和接收线圈部分，后级电路磁耦合谐振的谐振频率大概在电磁场的中高频频段（大约300kHz~30MHz），这个部分功能是将传统电网的工频交流电转化为线圈中的高频电流，用以驱动磁耦合谐振部分产生谐振磁场并向其提供高频能量，实现无线电能传输。
(3)负载电路部分：因为能量采用无线输送的形式，并且工作的频率高于普通的用电设备的需用范围。所以要将高频电流先进行处理后再用合适的形式供给负载。此时负载的引入会对磁耦合谐振部分的电路产生一定的耦合效应，从而影响能量的无线传输。所以必须要合理的设计能量的接收电路，用来更好的传输较多功率并提高效率。

1.2 课题研究后存在的难点和问题

由于磁耦合线圈之间的耦合系数较小，使得能量在线圈间的传输困难。目前的研究方法大多建立对输出指标分析的基础上，即首先求得输出功率和效率的表达式，进而根据其极值对应的参数条件，以此获得内部参数的理想取值。但该系统属于一个多参数、多耦合的能量传输系统，不仅受到磁耦合线圈的影响，还受到外形尺寸、驱动源性能、负载特性等因素的制约。因此，为了提升磁耦合谐振式无线电能传输技术的指标，一方面应该从全系统优化的角度，研究新的工作方式、提出新的参数设计方法，优化传输过程和内部参数取值。另一方面，提出新的线圈形式和驱动源电路结构，并建立相应的工作模式以提高无线能量传输系统中分系统的指标以提高系统的总体指标；其次从与用电设备之间的衔接等角度提高该技术的应用能力，推进该技术的实用化发展。

根据目前的现状分析，还存在以下问题有待解决：
(1)需要将驱动源与磁耦合线圈系统作为整体进行设计，综合磁耦合线圈系统与驱动源装置的各自特性，提出适新的工作方式。
(2)由于磁耦合线圈处于高频、谐振工作状态，其自身及谐振电容构成了一个多参数耦合的复杂研究对象，目前对于磁耦合谐振能量传输过程中的内部参数之间的耦合问题研究较少，应对其参数进行进一步优化并建立更加合理的设计和调整方法，进一步增加传输功率等指标。
(3)进一步改进和提出新的电路结构，以满足高效率、小体积和信息传输的需求。

第二章 磁耦合谐振式无线电能传输总体方案设计

2.1 引言

磁耦合谐振式无线电能传输的系统设计采用了两个线圈分别作为发射级和接收级，通过线圈之间的高频耦合谐振磁场来实现在一定距离内完成电能的无线传输。在驱动源给前级电路供电后，通过两个线圈的磁耦合使得后级电路产生电流，由此点亮后级电路中的LED小灯泡。

接收线圈

高频整流

负载

发射线圈

高频逆变

供电源

后级电路

前级电路

图2.1 磁耦合谐振式无线电能传输系统模块图

2.2 传输结构系统介绍

磁耦合谐振式无线电能传输的结构采用两线圈结构，见图2.2。这是国内外正在研究的传统线圈结构。

图2.2 两线圈结构

从能量和电路理论的角度出发，必须要有两个线圈进行磁耦合，电能传输才能实现无线传输的功能。为了更好的高效的传输电能，两个谐振线圈的自谐振频率应当保持同一频率，即保证两个谐振线圈的材质、线径、线圈环半径和匝数都是相同数值。这样可以保证发射和接收线圈的自谐振频率和系统的谐振频率保持一致。它的电路等效图形见图2.3。

图2.3 两线圈结构等效电路

2.3 传输工作原理介绍

两线圈的电能传输工作原理要从能量流动的角度来看。它的能量流图见图2.4。从能量流图中我们可以看出，在前级电路中电源给发射线圈供电后，发射线圈产生谐振，谐振频率为系统谐振频率，此时线圈两端的电压并不是很大，可是因为谐振的原因却可以产生较高的电流，再由于电生磁现象，产生穿过线圈中心向外发散的强力磁场。此时发射线圈中的电容C1由于线圈谐振以及电感磁场的原因而产生交互式电流形成不断的充放电的状态，从而模拟出恒压的交流电来对发射线圈进行供电使线圈能够产生不间断的交变电感磁场，再反馈到电容。

在前级发射电路的电感线圈产生的电感磁场中的一部分铰链到后级电路上的接收谐振线圈时，交变的磁场会让接收端的电感线圈产生电流，由此前级电路中电源的能量将成功的流动到后级，对后级电路进行供电。在后级的接收端中，电感谐振线圈的感应磁场和接收电路中的电容C2进行不断的能量交换，从而生成稳定的电压，对负载进行供电。由此，电源的能量通过两线圈传输到系统的负载，整个系统的设计已经完成。

EF–电场；MF–磁场；Z_S–电源内阻；R_SC–接收和发射线圈电阻。

图2.4 两线圈结构的能量流图

2.4 电路模型理论计算

根据图2.3中的电路等效图，我们用基尔霍夫定律，列出两个线圈结构的回路方程：

(2-1)

式中：下标为1的代表发射线圈，下标为2的代表接收线圈。

写成矩阵形式可得：

(2-2)

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17079字