磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究毕业论文(编辑修改稿)

磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

，约为几个毫米。 系统框架图如下 12 所示： 交流电源整流滤波高频逆变器原边补偿一 次 侧线 圈二 次 侧线 圈副边补偿M功率调节等效负载松 耦 合 变 压 器 图 12 基于分离式变压器的无线供电电路示意图 天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 3 目前，这种技术已经在部分领域中得到应用，包括电动牙刷、电动剃须刀、无线电话、净水器等。 如图 13 为英国 SplashPower 公司 2020 年上市的无线充电器 splashpads，就是利用了变压器原理，在塑胶薄膜里面装有产生磁场的小线圈阵列 (变压器原边 )，以及由磁性合金绕以电线制成的口香糖大小的 接收线圈 (变压器副边），可以贴在电子设备上。 由于该技术的传输距离 [16]太近，并不能把人们从电线的束缚中解放出来，给人们生活带来方便，所以这种为小功率型移动设备如手机、 MP3 等充电的无线充电器到目前并不普及，该技术主要用于恶劣环境下为大型功率设备供电，如电动汽车，起重机、电梯、牵引式电力机车、运货行车及井下、水下设备，如图 14所示为日本设计的感应式充电电动汽车。 图 13 无线充电器 splashpads 图 14 日本感应式充电电动汽车 磁耦合谐 振式无线电能传输 磁耦合 谐振式能量传输方式是指非辐射电磁能谐振效应，又称作“ Witricity”无线供电技术。 该种技术的原理是利用两个具有相同的特定谐振频率的电磁系统，在相距一定的距离时，由于电磁耦合产生谐振，进行能量传递。 一般来说，两个有一定距离的电磁系统，相互之间是弱耦合，但若两个系统的固有谐振频率相同，则会产生强磁谐振，如果一方不断为系统提供能量，而另一方消耗能量，则实现了能量的传输。 如图 15 所示为谐振式能量传输系统示意图，能量接收器与发射源采用具有相同谐振频率的感应线圈，发射源由振荡电路激发感应线 圈产生交变磁场，当具有相同谐振频率的接收端感应线圈进入磁场时，在接收线圈上产生磁谐振，在接收装置中不断集聚能量，提供给负载使用，从而实现能量传递。 理论上发射源可以同时给多个在有效区域内的接收装置供电，而其它非此特定谐振频率的系统则不受影响或影响很微弱。 采用磁耦合谐振式无线电能传输方式的特点是： （ 1） 电磁辐射水平低。 和核磁共振仪的辐射程度相差无几，可以有效的避免电磁辐射对人体的危害。 （ 2） 系统只对能与其产生频率共振的设备进行电能的传输，合理设置共振参数可避免对其他电子设备的影响，从而使电能有效的传输。 也可以 同时给几个不同的电子设天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 4 备提供能量。 图 15 磁耦合 谐振式无线电能传输系统示意图 与以往提出的无线电能传输技术有根本的不同，磁耦合谐振式无线能量传输技术是一项在非辐射场区通过磁谐振耦合的方式实现无线中距离能量传输的新技术。 它着重研究近场区磁谐振空间耦合机制和谐振耦合能量传输机理，以实现无线中距离能量传输。 该技术有一个重要特点是它的非辐射性，与通信用的无线发射机有着本质区别，他要求通过适当的设计与控制使系统不向外辐 射电磁波，以免能量消耗在空间中，可以理解为利用的是电磁波的近场特性。 如果系统中只有发射源而无接收端，则系统的损耗就是发射源自身的热损耗和极少量的空间损耗，一旦在有效范围内有接收端，则开始传输能量；空间进行能量交换的媒介是交变磁场对环境影响较小（电场则会发生危险）；无严格的方向性，采用适当的设计，甚至可以做到无方向性。 良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。 它与感应式无线能量传输技术不同之处在于该技术融合了共振技术，不仅提高了能量的传输距离，而且提高了能量的传输效率。 另外，该技术不像微波对人体产生危害，由于人体 作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何影响，再则，该技术实现能量传输的基本原理是共振，只有谐振频率相同的谐振体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及周围物体产生危害。 磁耦合谐振式无线传能的国内外现状 本文所研究的电磁耦合谐振式无线电能传输技术是国内外学术界和工业界开始探索的一个新领域。 2020 年 11 月，在美国物理学会工业物理论坛上 ,麻省理工学院 (MIT)的 Marin Soljacic 首次提出了该技术 [17]。 MIT 的研究者认为，具有相同谐振频率的物体组成耦合谐振系统 (如声音、电磁场、核子等 )，可高效率的交换能量。 相对于其他介质，磁场更安全更适合于生活应用，提出了以时变磁天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 5 场为耦合媒质的电磁谐振实现无线能量传输 [18]。 并作出实验成功点亮 7 英尺 (约)远的 60W 电灯泡，能量效率可达到 40％。 验证了所提出的无线能量传输方式的可行性，实验装置如图 16 所示。 图 16 MIT 无线能量传输装置 继成功实现磁耦合谐振无线能量传输后，麻省理工学院的研究人员又提出两种提高传输效率的谐振体结构：随时间周期性变化的耦合传输结构 [19]，和多接收端能量传输方式 [20]，其数学模型都是耦合模理论的延伸。 多接收端能量传输方式，一个大的源线圈向多个具有相同谐振频率的小线圈传输能量。 其总的工作效率高于向其中任意一个小线圈传输能量的效率。 美国内华达州雷电实验室的 等继承 Tesla 衣钵，成功研制电场耦合谐振无线能量传输实验装置如图 17 所示，图中两个空心变压器作为无线能量传输的发射与接收端，变压器与电极连接，成功的将 800W 电力用无线的方式传输到 5 米远的距离 [21]。 图 17 美国内华达州雷电实验室的无线电力传输装置 首先提出三种可能的耦合机理： (1)通过大地电流耦合传输能量，通过独立接地实验和 Ansoft 有限元仿真否定了该传输机理； (2)电极之间的电场天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 6 耦合传输能量； (3)变压器线圈之间的磁场耦合传输能量。 通过建立仿真电路和实验结果分析，图 17 所示的无线能量传输的耦合机理为电场耦合 ,仿真计算与实际测量对比如图 18 所示。 图 18 仿真计算与实验测量数据（距离 传输功率） 验证了电场耦合的无线能量传输的可行性，无论是传输功率还是传输距离，都相对较高，但是电场耦合无线能量传输易受静电干扰。 东京大学的 Takehiro Imura 等研究者提出，将磁耦合谐振无线能量传输技术应用于电动汽车充电系统 [22],如图 19 所示。 然后在 2020 年 9 月， Witricity 公司宣布与德尔福汽车系统公司合作开发为电动汽车充电的无线能量传输系统。 下一步并将与 Delphi 公司共同致力于基于电磁耦合谐振技术的电动汽车的研发。 整 流 电 路电 池 储能 器高 频 功 率 源接 收线 圈发 射 线 圈 图 19 磁耦合谐振无线充电技术应用于电动汽车 国内，清华大学、中科院电工所、南京航空航天大学、南京理工大学、重 庆大学、西安交通大学、湖南大学、大连理工大学等也在对这一领域开展相关研究工作。 但起步较晚，香港城市大学的 、 和 等人研究了无线电能接入技术及微型化应用，如手机充电器等。 重庆大学自动化学院孙跃教授也对无线电能传输系统进行了研究，并对系统的方向性进行了分析 [2325]。 西安交通大学的王兆安教授和卓放教授等人对系统 频率分裂现象、负载电压控制等天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 7 进行了研究 [26]。 课题背景以及研究的目的和意义 无线电能传输技术是一项新的让人充满期待和憧憬的应用型能量传输技术。 由于电能的传输与设备的充电接口无关，所以如果这一技术一旦得到普及，不仅将使得电子产品不受插座和线缆束缚，充电更方便，而且将使不同品牌、不同接口的充电器不兼容的问题得到解决；同时没有了电线和充电接口就增大了可利用空间，对环境起到了美化的效果；更为重要的是在易燃易爆环境和水下操作、油田井下等特殊场合时，该技术避免了有线时会出现的种种危险情况，有效的保证了人身财产 安全。 因而无线电能传输技术的应用范围将十分广阔，不仅在电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、油田矿井、水下作业、无线传感器网络等领域具有重要的应用价值，而且在家用电器、医疗器械等民用领域也具有广泛的应用前景，对电磁理论和充电技术的发展同样具有重要的科学意义。 在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线电能传输技术还被列为“ 10 项领域未来的科学技术”之一。 本课题针对磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本特性进行深入研究，在对其传输机理的研究的基础上，建立磁耦合谐振式无线电能传输的系统模型以及设计具体的传输系统电 路，展开实验，主要研究其频率、距离以及方向特性，明确系统的这几种基本特性。 本课题的研究将为该技术在今后各个领域的应用打下坚实的基础。 随着传输距离、功率、效率的提高，在更多领域都将有实用价值。 有朝一日，我们的家用电器、移动设备、医疗器械以及其他电子产品都将实现无线充电，我们不用再担心没带充电器，家里再也不用看见密密麻麻的插头，不仅方便而且节省资源。 尤其在生物医学领域，比如心脏移植的患者，不用定期做手术取出电池，更加安全、快捷、方便。 本文主要研究内容 本课题进行对磁耦合谐振式无线电能传输系统的基本特性 的研究，主要内容包括以下几个方面： ，研究该无线能量传输技术的内在规律； ，理论性的研究传输系统的几个基本特性，如：距离、频率以及方向特性等对系统传能效率的影响； ，分析各功能模块在系统中发挥的作用； ，设计具体实验步骤验证本文所提理论的正确性。 天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 8 第二章 磁耦合谐振式无线电能传输的原理 磁耦合谐振 谐振也就是指共振现象广泛的存在于自然界中，如：乐 器的音响共振击碎玻璃杯，动物耳中基底膜的共振，电路的共振等等。 谐振现象均可形象的转化为LC 振荡 电路来表述。 磁耦合是载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象。 在近场区 [27,28],电磁场能量在辐射源内部及辐射源周围空间之间周期性地来回流动，不向外辐射，即非辐射性磁耦合。 在某一个确定频率下，具有相同谐振频率的谐振物体间产生强耦合，从而有效地进行能量转移。 导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场 ；与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。 两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。 磁耦合谐振式无线电能传输技术，就是利用磁耦合和谐振技术来实现电能的无线传输。 其理论基础是耦合模式理论 [28](CMT)，其主要思想是系统中具有相同谐振频率的物体之间通过强耦合从而进行高效率 的能量交换，而偏离谐振频率的物体之间相互作用则较弱。 谐振耦合电能无线传输装置如图 21 所示，一个完整的谐振耦合无线输电系统，除 2 个发生自谐振的线圈外，还必须有发射功率源和接收功率设备。 高 频 振 荡 电 路高 频功 率放 大电 路R 1L 1 L S L DL W R LMD 图 21 磁耦合谐振式无线传能装置图 上述图 21 中，高频振荡电路和高频功率放大电路用于产生高频功率源；隔空传递能量的两空心线圈分别是 LS、 LD(其中 S 代表发射线圈， D代表接收线圈 )；天津工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 9 所有四个线圈 L LS、 LD、 LW 均被设计成具 有相同的谐振频率，在磁场的作用下产生谐振，但由于功能不同，各个线圈的其它参数不完全相同，比如品质因数、外形尺寸等。 在此结构中， L1与 LS之间和 LD与 LW 之间都是近距离耦合， LS与LD之间是远距离耦合。 空心线圈 L1将能量感应到与它相邻的发射线圈 LS上；电阻 R1 用于测量电流； LW、 RL 为负载回路，为减少负载回路电抗对接收线圈 LD自谐振频率的影响， LW 做成单匝线圈，这样负载回路感抗极小，也不存在高频线圈匝与匝之间的杂散电容，容抗可忽略为 0，故可认为负载回路为纯电阻回路，它反射到线圈 LD的阻抗即为纯电阻，单匝线圈 LW 从线圈 LD上感应到的能量给负载 RL供电，从而完成整个能量的无线传输。 耦合模理论 耦合模公式体系是普遍适用的，可用于处理多种谐振模式或者传输模式的物理系统 [16]。 应用耦合模公式建立磁耦合谐振式无线能量传输系统中，谐振体之间的耦合关系。 磁耦合谐振式无线能量传输系统中，单个谐振线圈可等效为一个 LC 振荡电路： CLi ( t )+u ( t ) 图 22 谐振线圈等效电路图 在上图 LC 电路中，电感周围磁场中存储的能量是磁能的形式 ωm=1/2Ci2,而在电容器中存储的是电能形式 ωe=1/2Cu2。 系统中的能量周期性的在电感 L 和。