無(wú)線電能傳輸課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)原理與無(wú)線通信技術(shù)一樣擺脫有形介質(zhì)的束縛，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸是人類多年 的一個(gè)美好追求。無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer, WPT）也稱之 為非接觸電能傳輸技術(shù)（Contactless PowerTransmission, CPT）,是一種借 于空間無(wú)形軟介質(zhì)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、微波等）實(shí)現(xiàn)將電能由電源端傳遞至用電設(shè) 備的一種供電模式，該技術(shù)是集電磁場(chǎng)、電力電子、高頻電子、電磁感應(yīng)和耦合 模理論等多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，是能源傳輸和接入的一次革命性進(jìn) 步。無(wú)線電能傳輸技術(shù)解決了傳統(tǒng)導(dǎo)線直接接觸供電的缺陷，是一種有效、安全、 便捷的電能傳輸方

2、法，因而它被美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志評(píng)選為未來(lái)十大科研方向 之一。該技術(shù)不僅在軍事、航空航天、油田、礦井、水下作業(yè)、工業(yè)機(jī)器人、電 動(dòng)汽車、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療器械、家用電器、RFID識(shí)別等領(lǐng)域具有重要的應(yīng) 用價(jià)值，而且對(duì)電磁理論的發(fā)展亦具有重要科學(xué)研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。在中國(guó)科 協(xié)成立五十周年的系列慶?；顒?dòng)中，無(wú)線能量傳輸技術(shù)被列為"10項(xiàng)引領(lǐng)未來(lái) 的科學(xué)技術(shù)”之一。到目前為止，根據(jù)電能傳輸原理，無(wú)線電能傳輸大致可以分為三類：感應(yīng)耦 合式、微波輻射式、磁耦合諧振式。作為一個(gè)新的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，磁耦合諧 振式是基于近場(chǎng)強(qiáng)耦合的概念，基本原理是兩個(gè)具有相同諧振頻率的物體之間可 以實(shí)現(xiàn)高效的能量

3、交換，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膫鬏敵叨冉橛谇皟烧咧g，因此也被稱之為中 尺度（mid-range）能量傳輸技術(shù)，其尺度為幾倍的接收設(shè)備尺寸（可擴(kuò)展到幾 米到幾十米）。除了較大的傳輸距離，還存在以下優(yōu)勢(shì)：由于利用了強(qiáng)耦合諧振技術(shù)，可以 實(shí)現(xiàn)較高的功率（可達(dá)到kW）和效率；系統(tǒng)采用磁場(chǎng)耦合（而非電場(chǎng)，電場(chǎng)會(huì)發(fā) 生危險(xiǎn)）和非輻射技術(shù)，使其對(duì)人體沒有傷害；良好的穿透性，不受非金屬障礙 物的影響。因此該技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線電能傳輸技術(shù)新的發(fā)展方向?；诖篷詈现C振技術(shù)的無(wú)線電能傳輸技術(shù)主要利用的是近場(chǎng)磁耦合共振技 術(shù)，共振系統(tǒng)由多個(gè)具有相同本征頻率的物體構(gòu)成，能量只在系統(tǒng)中

4、的物體間傳 遞，與系統(tǒng)之外的物體基本沒有能量交換，在達(dá)到共振時(shí)，物體振動(dòng)的幅度達(dá)到 最大?；诖篷詈现C振技術(shù)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)一般由髙頻發(fā)射源、發(fā)射系統(tǒng)、接 收系統(tǒng)、負(fù)載等部分組成，其中發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)，是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng) 的關(guān)鍵部分。其典型模型如下圖所示。由下圖可知發(fā)射系統(tǒng)包括勵(lì)磁線圈和發(fā)射線圈，它 們之間是通過(guò)直接耦合關(guān)系把能量從勵(lì)磁線圈傳到發(fā)射線圈，勵(lì)磁線圈所需能量 直接從髙頻電源處獲得。電磁接收系統(tǒng)包括接收線圈和負(fù)載線圈，它們之間也是 通過(guò)直接耦合關(guān)系把能量從接收線圈傳到負(fù)載線圈。發(fā)射線圈與接收線圈之間通 過(guò)空間磁場(chǎng)的諧振耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。發(fā)射淞播收恥勵(lì)餓圈(O)(OW負(fù)般

5、鐮目前國(guó)外的學(xué)者多利用“耦合?！崩碚搶?duì)磁耦合諧振技術(shù)的無(wú)線電能傳輸技 術(shù)進(jìn)行分析，并得到能量高效傳輸?shù)谋匾獥l件13：發(fā)射線圈和接收線圈的固有諧振頻率相同，并具有較高的品質(zhì)因數(shù)；雖然“耦合?！崩碚搶?duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)基本原理進(jìn)行了解釋，但是在涉及 具體電路及其參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題上“耦合?！崩碚撘灿幸欢ǖ木窒扌裕虼吮疚睦?用互感理論來(lái)進(jìn)一步分析問(wèn)題，尤其是利用該方法在參數(shù)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探索?；诖篷詈现C振技術(shù)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如下圖所示，勵(lì) 磁線圈由激勵(lì)源(高頻功放)氏和單匝線圈組成，負(fù)載線圈由單匝線圈和負(fù)載組 成，發(fā)射和接收線圈均由具有相同諧振頻率的多匝線圈組成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為了 降低設(shè)

6、計(jì)的復(fù)雜性，將發(fā)射和接收線圈設(shè)計(jì)成相同的尺寸和機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此，兩線圈的等效參數(shù)可認(rèn)為是一致的。上圖中激勵(lì)源阻為屆，負(fù)載電阻為凡；厶1、厶2、£3、叢分別為勵(lì)磁線圈射線 圈、接收線圈和負(fù)載線圈的等效電感；0、62、©、G分別為勵(lì)磁線圈、發(fā)射線 圈、接收線圈和負(fù)載線圈的等效電容；丹1、用2、丹3和肝4分別為勵(lì)磁圈、發(fā)射 線圈、接收線圈和負(fù)載線圈由于趨膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗電阻；倉(cāng)adl、金ad2、 用ad3、屆ad4分別為勵(lì)磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈的輻射等效電阻。 將勵(lì)磁線圈的電路反射到發(fā)射線圈，相當(dāng)于發(fā)射線圈中加入一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；而 將負(fù)載線圈反射到接收線圈相當(dāng)于

7、接收線圈增加了一個(gè)反射阻抗，其等效電路如 下圖所示。設(shè)流過(guò)發(fā)射線圈和接收線圈的電流分別為/ 1、72,方向如下圖所 示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL）,發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)上圖為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路。由此圖可推導(dǎo)岀:匸$ = R + 說(shuō)？ + hi _ jeA/?3厶l jg 丿 0= R3+Ra +jcoL3 + Z9 -jcdMIy、'jg 廠進(jìn)一步推導(dǎo)得到接收線圈歸一化電壓為Ua = 匚max2（1+2）2十2（1_2）孑十/(2)式中，K 皂色,0為品質(zhì)因數(shù)，Q 旦二。丿R丄；為耦合因數(shù)，二空。關(guān)丁公式的推導(dǎo) coqCRR過(guò)程請(qǐng)參考文獻(xiàn)18和文獻(xiàn)1902. 實(shí)驗(yàn)步驟a. 在印

8、刷電路板上繞制所需電感線圈（發(fā)射極）b. 測(cè)量所繞制的電感線圈的電感值Lc. 根據(jù)所測(cè)得的L值，初定角頻率w,并計(jì)算出匹配電容的理論值C。d. 根據(jù)匹配電容的理論值C。匹配電容組合，并通過(guò)比對(duì)示波器上的電壓 電流波形，確定匹配電容的實(shí)際值C。3. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)先將導(dǎo)線繞入印刷電路板，然后用透明膠粘好，使導(dǎo)線位置固定，然后除去兩頭導(dǎo)線的絕緣層，測(cè)量其電感值，如下圖所示:得出所繞制的電感線圈的電感穩(wěn)定值為1.61UH由w2CL=1 可知,定f=200KHz,所以w二1256.64 rad/s,所需匹配電容的值為：C0=393nF如上圖，根據(jù)計(jì)算的理論電容值，匹配組合岀實(shí)際電容值，并通過(guò)對(duì)比電流、

9、電壓波形，對(duì)實(shí)際的匹配電容值進(jìn)行微調(diào)。微調(diào)直至匹配電容值相應(yīng)的電流、電 壓波形同相。根據(jù)示波器的波形，可以認(rèn)定匹配電容值達(dá)到要求，實(shí)際值C.=357nF 根據(jù)接收端電路諧振理論電容，微調(diào)電容使接收端電路達(dá)到諧振狀態(tài)。接收端線圈電感為1 uH,由上公式LO1可算得，接收端電容理論值為 C=633nFo實(shí)際微調(diào)至C=720nF時(shí)接收端電路電壓電流同相，達(dá)到諧振狀態(tài)。將匹配好的發(fā)射端電路連接至電源，接收端電路與負(fù)載相連。因?yàn)槲覀冎谱?的電感太小，導(dǎo)致耦合系數(shù)太小，而且實(shí)驗(yàn)條件有限，我們所做實(shí)驗(yàn)的負(fù)載為小 燈泡。當(dāng)電源打開時(shí)，負(fù)載端的電壓電流很小，只能觀察到小燈泡及其微弱的亮 光。4. 實(shí)驗(yàn)感想1. 由于前期的理論準(zhǔn)備不充分，和對(duì)課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程不熟悉，導(dǎo)致 實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，很多所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都需要花費(fèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間計(jì)算。2. 前期制作電感線圈所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，是因?yàn)槲覀兊膭?dòng)手