磁耦合諧振式無線電能傳輸諧振器的設(shè)計(jì)及測(cè)量--畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、.華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）磁耦合諧振式無線電能傳輸諧振器的設(shè)計(jì)及測(cè)量摘要所謂無線能量傳輸可以借助電磁場(chǎng)或電磁波，將電能轉(zhuǎn)化為磁能進(jìn)行無線傳輸，再轉(zhuǎn)化為電能，即可擺脫傳統(tǒng)輸電方式給生活帶來的種種不便。而其傳輸方式、傳輸距離和傳輸效率等成為了各個(gè)科學(xué)研究的關(guān)鍵，尋求更完美的模型以達(dá)到更高的效率成為了實(shí)驗(yàn)的研究目的。論文基于磁耦合是無線電能傳輸原理，設(shè)計(jì)了無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振器，并完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文首先分析了共振磁耦合無線電能傳輸技術(shù)的能量傳輸機(jī)理，明確磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)原理，并且討論了對(duì)諧振器設(shè)計(jì)阻抗匹配電路的必要性。通過研究磁耦合諧振式無線電能傳輸諧振器的設(shè)計(jì)方法，最終選

2、擇盤式線圈為諧振器的設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行初步的參數(shù)計(jì)算之后，設(shè)計(jì)完成了一對(duì)盤式諧振器，并完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的盤式諧振器可以供無線電能傳輸系統(tǒng)所用，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞：無線電能傳輸;諧振式;阻抗匹配電路;諧振器設(shè)計(jì):DESIGN AND MEASUREMENT OF RESONANT FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION VIA MAGNETIC COUPLED RESONATORAbstractThe wireless energy transfer can make use of electromagnetic fields or electroma

3、gnetic wave energy into magnetic energy for wireless transmission, and then converted into electricity, it can get rid of the traditional mode of transmission to the various inconveniences of life. And its transmission, transmission distance and transmission efficiency has become a key individual sc

4、ientific research, seek more perfect model to achieve greater efficiency has become a research purpose of the experiment. Thesis is based on magnetic coupling wireless power transmission principle designed wireless power transmission system resonator and completed experiments.This paper analyzes the

5、 resonant magnetic coupling wireless power transmission mechanism of energy transmission technology, clear magnetically coupled resonant wireless power transmission realization of the principle, and discussed the need for a resonator design impedance matching circuit. By studying magnetically couple

6、d resonant wireless power transmission resonator design method, the final choice for the resonator disc coil design. After preliminary parameter calculation, design is completed with a pair of disc resonator and completed experimental measurements. Experimental results show that the design of the di

7、sc is the resonator can be used for wireless power transmission system used to achieve the design goal.Keywords:wireless energy transmission;resonant;matching circuit;resonator designI目 錄摘要IAbstractII1緒論11.1課題研究背景11.2無線輸電技術(shù)概況11.2.1無線輸電發(fā)展11.2.2無線輸電分類31.2.3無線輸電仍然存在的問題31.3本文主要研究?jī)?nèi)容42磁耦合諧振式無線傳能基本原理52.1近區(qū)

8、磁場(chǎng)52.2磁耦合原理52.3系統(tǒng)的一般模型52.4本章小結(jié)83阻抗匹配電路93.1阻抗匹配基本原理93.2負(fù)載阻抗匹配方法93.2.1集總參數(shù)匹配電路93.2.2分布式參數(shù)元件電路匹配93.3匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)性分析103.4系統(tǒng)中的阻抗匹配103.5本章小結(jié)124盤式諧振線圈的分析與制作134.1線圈電感和互感計(jì)算134.1.1線圈電感計(jì)算134.1.2線圈互感計(jì)算134.2線圈電容計(jì)算154.3單面矩形平面螺旋線圈154.4本章小結(jié)165實(shí)驗(yàn)記錄總結(jié)175.1線圈制作175.2 線圈接受到的功率測(cè)量和效率計(jì)算175.3本章小結(jié)19總結(jié)20參考文獻(xiàn)21致謝231緒論1.1課題研究背景近年來，隨著

9、科學(xué)技術(shù)，小型移動(dòng)設(shè)備，如使用手機(jī)，平板電腦，電子詞典，以及其他更廣泛的應(yīng)用，越來越多的青睞，充電問題也隨之而來的快速發(fā)展。傳統(tǒng)的有線充電方式有著許多弊端，各種設(shè)備充電器不通用導(dǎo)致使用不方便，更是帶來了種種安全隱患，近年來手機(jī)充電導(dǎo)致爆炸的新聞更是屢見不鮮。于是新型的無線充電方式走入了實(shí)驗(yàn)的研究視野。相較于傳統(tǒng)的有線輸電形式，無線輸電解決了使用不方便和安全隱患這兩大難題。利用電磁感應(yīng)技術(shù)原理，將電能轉(zhuǎn)化為磁能進(jìn)行諧振無線傳輸，再將磁能轉(zhuǎn)化為電能供給需要充電的設(shè)備。在特斯拉提出無線輸電研究之后，盡管距離真正意義上特斯拉的長(zhǎng)距離大范圍無線輸電還有非常遠(yuǎn)的距離，但是就目前來看無線輸電在小型移動(dòng)設(shè)備上

10、有著非常廣泛的應(yīng)用前景。1.2無線輸電技術(shù)概況1.2.1無線輸電發(fā)展在1890年，物理學(xué)家特斯拉（NikolaTesla）已經(jīng)提出的無線傳輸?shù)姆椒?，即把地球作為?nèi)導(dǎo)體、地球的電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機(jī)以徑向電磁波振蕩模式，在地球本體與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再利用圍繞地球的表面的電磁波來傳輸能量。由于其設(shè)想在當(dāng)時(shí)過于大膽，并且也無法在全世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因而無果而終。2007年6月，麻省理工學(xué)院的研究小組在美國(guó)“科學(xué)”雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。共振的團(tuán)隊(duì)施加到電磁波和成功的“抓住”了電磁波的傳輸。他們利用銅制的線圈做電磁的共振器，可以通過調(diào)整銅線圈的諧振頻率，使銅線圈

11、達(dá)到共振，電力就能實(shí)現(xiàn)了無線傳導(dǎo)。這項(xiàng)試驗(yàn)，已經(jīng)能成功為一個(gè)兩米外的60瓦燈泡供電，系統(tǒng)效率達(dá)到40%到50%。然而盡管成為了無線輸電的基石，但這項(xiàng)技術(shù)的最遠(yuǎn)輸電距離還連3米也達(dá)不到。他們認(rèn)為，電力已經(jīng)能夠在電池在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行充電，并且只需要一個(gè)電源，你可以為整個(gè)房子電力充電。2008年5月，美國(guó)國(guó)家航空和宇航局在夏威夷島成功將20W微波能量從一個(gè)山頂傳輸至148km外的一座島上，系統(tǒng)采用平面陣列發(fā)射天線，工作頻率2.45GHz。這是迄今為止傳輸距離最遠(yuǎn)的微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)。2011年，華盛頓，匹茲堡大學(xué)醫(yī)療中心和英特爾宣布基于磁耦合諧振的無線電力傳輸技術(shù)，除了使在接收線圈容器裝有人工心臟可用

12、移植用人造心臟供電系統(tǒng)注滿水，將實(shí)現(xiàn)無線電力傳輸。2012年，意大利佩魯賈大學(xué)學(xué)者設(shè)計(jì)出含有不同頻率通路的能量傳輸系統(tǒng)，可以將能量與信息同時(shí)傳遞，此外還提出了分析計(jì)算螺旋線圈諧振頻率的簡(jiǎn)便方法，并軟件計(jì)算集總參數(shù)。2013年Olutola Jonah等在混凝土結(jié)構(gòu)中用強(qiáng)耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了短距離、混凝土濕度在0.2%到38.5%、效率在17.2%到38.5%的無線輸電實(shí)驗(yàn)。2014年David S.Ricketts等設(shè)計(jì)出具有高品質(zhì)因數(shù)的阻抗-頻率高精準(zhǔn)匹配三線圈系統(tǒng)，并用無線電能最小功率傳輸實(shí)驗(yàn)證明了其優(yōu)越性，其性能在原基礎(chǔ)上提高了約30%。國(guó)內(nèi)方面，清華大學(xué)、香港理工大學(xué)、武漢大學(xué)、四川大學(xué)等各

13、大高校相繼成立了相關(guān)課題組，從無線輸電相關(guān)各個(gè)方面進(jìn)行了較為深入的科學(xué)研究。2014年3月，全國(guó)家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)無線輸電家電分技術(shù)委員會(huì)成立。2014年4月，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無線電能傳輸技術(shù)專業(yè)委員會(huì)成立。2015年1月，中國(guó)電源學(xué)會(huì)無線電能傳輸技術(shù)及裝置專業(yè)委員會(huì)成立。2014年5月香山科學(xué)會(huì)議第499次學(xué)術(shù)討論中，大功率無線電能傳輸技術(shù)科學(xué)問題成為其中心議題。我國(guó)有望于2030年研發(fā)出首個(gè)空間太陽(yáng)能電站，這意味著微波無線電能傳輸技術(shù)在我國(guó)將得到飛速發(fā)展。到目前為止，對(duì)磁感應(yīng)耦合式WPT的研究取得的成果較多，其應(yīng)用也較為成熟，但仍然存在一些待研究的關(guān)鍵問題，如可分離變壓器的漏磁與耦合

14、系數(shù)低問題、可分離變壓器原副邊的對(duì)準(zhǔn)容差問題以及電磁兼容問題等。磁感應(yīng)耦合式WPT是松耦合系統(tǒng)，工作時(shí)磁場(chǎng)向周圍空間發(fā)散，漏感較大，耦合系數(shù)較低。同時(shí)，磁感應(yīng)耦合式WPT系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)位移和頻率的變化比較敏感，正常工作時(shí)需要可分離變壓器的原副邊線圈盡可能保持對(duì)齊狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)相對(duì)位移時(shí)，傳輸效率將急劇下降。磁感應(yīng)耦合式 WPT 系統(tǒng)通過可分離變壓器的電磁感應(yīng)作用將電源端的電能耦合到負(fù)載端，從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。作為磁感應(yīng)耦合式WPT的能量拾取機(jī)構(gòu)，可分離變壓器的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效起著至關(guān)重要的作用。近年來，世界各國(guó)的研究人員為提高磁感應(yīng)耦合式 WPT 的能量傳輸能力，對(duì)可分離變壓器進(jìn)

15、行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了幾種新型能量拾取結(jié)構(gòu)，如正交拾取結(jié)構(gòu)圓形電磁結(jié)構(gòu)和平面微型鋁線圈其中，正交拾取結(jié)構(gòu)能捕獲供電軌道的垂直與水平部分的磁場(chǎng)，允許更大的橫向移動(dòng)和更持久的電力輸送，因此無論是對(duì)單相軌道還是對(duì)多相軌道的應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)都能提高WPT系統(tǒng)的傳輸功率和橫向公差；而圓形電磁結(jié)構(gòu)則有更廣的無線充電區(qū)域；微型鋁線圈通過短路相鄰兩匝線圈有效地減少了線圈電阻，且隨著線圈金屬寬度的變化，微型鋁線圈自感呈線性增加。此外，研究人員還對(duì)多重能量拾取結(jié)構(gòu)和三相磁感應(yīng)耦合WPT技術(shù)進(jìn)行了研究，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Changbyung Park等人設(shè)計(jì)了一種用于移動(dòng)機(jī)器人WPT系統(tǒng)的單層電源板和多重拾取結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能

16、穩(wěn)定持續(xù)地向移動(dòng)機(jī)器人輸出功率；而日本福岡大學(xué)Hirokazu Matsumoto等人對(duì)三相電磁感應(yīng)耦合式WPT技術(shù)進(jìn)行研究，得到了三相電磁感應(yīng)耦合式WPT系統(tǒng)諧振電容的數(shù)值。盡管電磁輻射式WPT技術(shù)的研究起步較早，相關(guān)的研究成果較多，但是主要集中在空間無線能量傳輸和高空飛行器和無人機(jī)功能等應(yīng)用領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波輻射式WPT研究較多的主要包括微波整流天線、微波發(fā)射天線以及微波功率源，其中微波發(fā)射天線和微波功率源已有比較成熟的技術(shù)，但是整流天線技術(shù)、發(fā)射天線極化的方向控制與跟蹤，系統(tǒng)各部件的有機(jī)結(jié)合，以及如何提高整體轉(zhuǎn)換效率仍有待研究。激光式WPT技術(shù)有待研究的關(guān)鍵問題主要包括激光器的

17、溫度控制、激光光束準(zhǔn)直技術(shù)、激光-電能轉(zhuǎn)換效率的提高，以及光學(xué)接收天線的設(shè)計(jì)等。雖然電磁輻射式WPT技術(shù)仍存在不少亟待解決的關(guān)鍵問題，但是通過相關(guān)的應(yīng)用試驗(yàn)可以看出，該技術(shù)在空間無線能量傳輸和高空飛行器或無人飛機(jī)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。1.2.2無線輸電分類目前，電力傳輸?shù)脑硐?，無線傳輸可分為三類：第一類是電感耦合型，主要是為了解決移動(dòng)電氣設(shè)備靈活且可靠的訪問的問題的能源安全，并且已經(jīng)旋轉(zhuǎn)在軌道交通，小家電，大傾角結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序，它可以達(dá)到上百功率容量大，小規(guī)模的障礙，也沒有它的影響較大，但接近的距離千瓦的其他方面。第二類型是微波無線能量傳輸技術(shù)，也被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)，即，直接利用電磁能量可以

18、通過天線接收原則被發(fā)送，三種方式的傳輸距離最遠(yuǎn)，并且可以克服障礙的影響，但在能量轉(zhuǎn)移過程中，發(fā)送裝置，必須面對(duì)的接收機(jī)，其傳輸方向被固定在一個(gè)方向，并在對(duì)人體的空氣大，效率較低，微波的微波損耗有一定的損傷，所以該技術(shù)通常用于特殊場(chǎng)合。第三類是磁耦合諧振，也被稱為WiTricity的技術(shù)，它是從第一類的不同，結(jié)合共振技術(shù)，不僅可以提高能量的傳輸距離，同時(shí)也提高能量轉(zhuǎn)移與四個(gè)線圈的效率，共振系統(tǒng)工作時(shí)，分拾取，接收，發(fā)送和發(fā)射線圈，發(fā)送和接收線圈必須與共振的自諧振頻率，發(fā)送和接收線圈包含中空芯，通過該驅(qū)動(dòng)線圈與電源和共振頻率一致的頻率。諧振線圈磁耦合共振系統(tǒng)依賴于強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的長(zhǎng)距離傳輸。1

19、.2.3無線輸電仍然存在的問題發(fā)展至今，在無線輸電三種原理中，微波激光傳輸距離雖然很遠(yuǎn)，但是效率很低，僅適用于一些軍事、空間太陽(yáng)能電站等；超聲波電場(chǎng)耦合方式無磁場(chǎng)輻射，但傳輸功率很?。浑姶鸥袘?yīng)耦合傳輸功率大，但傳輸距離很短；磁振耦合傳輸距離高于電磁感應(yīng)耦合，效率高于微波無線傳輸技術(shù)，但在大功率遠(yuǎn)距離多種場(chǎng)合不適應(yīng)基于磁共振耦合方向性，無線電力傳輸技術(shù)來完成，當(dāng)無線電力傳輸系統(tǒng)同軸平行放置系統(tǒng)現(xiàn)在工作在超過耦合狀態(tài)，在一定范圍的非定向內(nèi);但他們?cè)陉P(guān)鍵的耦合和下耦合狀態(tài)的工作方向。系統(tǒng)的耦合角度、偏移距離以及傳輸距離均有一定的關(guān)系。由于系統(tǒng)利用高頻電磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)電能傳遞，若生命體長(zhǎng)期暴露在超過安全

20、限值范圍的電磁環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致生物機(jī)能下降，患神經(jīng)系統(tǒng)、心腦血管疾病的概率增加，甚至影響心理和行為健康。目前，學(xué)者通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試的方法定量分析無線電能傳輸方案，并將結(jié)果與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。為了系統(tǒng)的研究無線電能傳輸空間內(nèi)的生物安全性問題，應(yīng)分不同階段進(jìn)行不同功率等級(jí)不同頻率的生物體實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行長(zhǎng)期觀察與統(tǒng)計(jì)，從而獲得生物體受高頻電磁環(huán)境影響的相關(guān)結(jié)論。當(dāng)發(fā)射或接收設(shè)備高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，只要穿過回路的磁通量放生變化，回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，為了準(zhǔn)確分析高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行在無線電能傳輸時(shí)的受力問題，應(yīng)針對(duì)不同工作頻率和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程進(jìn)行分析求

21、解，評(píng)估供受電體所受電動(dòng)力影響。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文以諧振式磁耦合無線能量傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，主要研究發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率等參數(shù)，以及這些參數(shù)受哪些因子的影響，以達(dá)到所需要求。本文主要分為六個(gè)章節(jié)，各章節(jié)內(nèi)容如下：第1章 介紹無線輸電發(fā)展歷史，以及無線輸電發(fā)展近況，對(duì)無線輸電有個(gè)初步了解。第2章 介紹磁耦合諧振式無線能量傳輸原理，細(xì)致的介紹了磁耦合諧振的具體原理以及相關(guān)公式推導(dǎo)。第3章 介紹了放大器相關(guān)知識(shí)，以及實(shí)驗(yàn)中使用放大器的選取與相關(guān)數(shù)據(jù)檢測(cè)推導(dǎo)。第4章 研究了實(shí)驗(yàn)中涉及的阻抗匹配電路相關(guān)原理，以及阻抗匹配原理和相關(guān)方法。第5章 介紹了線圈制作和相關(guān)線圈參數(shù)計(jì)算。第6章 為實(shí)驗(yàn)

22、結(jié)果記錄，以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)總結(jié)。最終對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。2磁耦合諧振式無線傳能基本原理對(duì)于一個(gè)無線能量傳輸系統(tǒng)來說，衡量系統(tǒng)好壞主要標(biāo)準(zhǔn)是傳輸功率、傳輸距離及傳輸效率。大功率、高效率、遠(yuǎn)距離是實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸技術(shù)普遍應(yīng)用的重要條件。2.1近區(qū)磁場(chǎng)麥克斯韋電磁理論：變化的電場(chǎng)引起的磁場(chǎng)的變化，該磁場(chǎng)變化，并且可產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，電現(xiàn)象和緊密相連磁現(xiàn)象;這種材料部分具有交變磁場(chǎng)和上稱為電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)。和任何電磁場(chǎng)發(fā)生源有周圍的磁場(chǎng)的存在是接近的區(qū)域作為感應(yīng)的主要模式（也被稱為感應(yīng)磁場(chǎng)）和遠(yuǎn)場(chǎng)（也稱為輻射場(chǎng)），一個(gè)角色的作為輻射的主要途徑劃分通常這是一個(gè)波長(zhǎng)。附近的磁場(chǎng)面積通常比遠(yuǎn)場(chǎng)很多較大的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。近

23、區(qū)迅速隨距離的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，磁場(chǎng)在這個(gè)空間分布極不均勻。通常情況下，對(duì)于小的勵(lì)磁電壓，大電流源，電場(chǎng)比磁場(chǎng)強(qiáng)得多；大電壓，低電流源，磁場(chǎng)比電場(chǎng)更強(qiáng)。而在廣泛應(yīng)用的無線通信中，實(shí)驗(yàn)中所利用的是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的輻射電磁波。2.2磁耦合原理磁耦合共振型電力傳送，利用電磁共振技術(shù)為電能的無線傳輸，以及耦合到所述收發(fā)信機(jī)通過電磁感應(yīng)線圈端電路，并且在自由共振的中間位置發(fā)生能量交換發(fā)射和接收線圈通常情況下，中間的共振線圈的位置，相同的固有頻率。主要的原因在于，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)線圈輸入諧振頻率的頻率是相同的，在發(fā)送和在強(qiáng)耦合操作模式接收端，使能量可以在大的距離以高效率，高品質(zhì)來實(shí)現(xiàn)傳輸，并且如果兩個(gè)線圈偏離共振

24、頻率，它們的相互作用是弱的?；诖殴舱耨詈蠠o線能量傳輸技術(shù)突破了傳統(tǒng)方式的電磁感應(yīng)傳輸效率取決于思想的耦合系數(shù)。與傳統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)，有下列的差異的存在相比：一個(gè)共振系統(tǒng)使用四個(gè)工作線圈系統(tǒng)，進(jìn)拾取線圈，接收線圈，發(fā)射線圈和驅(qū)動(dòng)線圈;發(fā)射器線圈和接收器線圈的自諧振頻率必須相同，在共振;發(fā)送和接收線圈是空心線圈，不包括芯;通過驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作和共振激勵(lì)頻率匹配工頻激勵(lì)功率;共振系統(tǒng)是依靠強(qiáng)耦合線圈磁耦合諧振來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的高效率，大的距離上傳輸，不依賴于發(fā)射和接收線圈之間的耦合系數(shù)。2.3系統(tǒng)的一般模型如圖2-1所示，為簡(jiǎn)化分析，忽略了交叉耦合，僅考慮直接耦合，又因驅(qū)動(dòng)、拾取線圈匝數(shù)少，忽略它

25、們的等效電阻。驅(qū)動(dòng)、拾取線圈自感分別為L(zhǎng)1、L4；發(fā)送、接收線圈內(nèi)部參數(shù)分別為L(zhǎng)3、R3、L3、R3；M12、M23、M34分別為各臨近線圈互感；V1為激勵(lì)電源。為使系統(tǒng)正常工作，發(fā)送端與接收端參數(shù)需對(duì)稱，即L1=L4，M12=M34，L2=L3，C2=C3，R2=R3。圖2-1 無線輸電系統(tǒng)一般模型將驅(qū)動(dòng)、拾取線圈參數(shù)映射到中間共振線圈回路中，關(guān)系如式（2-1）-（2-3）所示： （2-1） （2-2） （2-3）其中，k12為驅(qū)動(dòng)發(fā)送線圈耦合系數(shù)，記： （2-4） （2-5） （2-6）因此，上圖模型可等效為圖2-2的計(jì)算模型圖2-2 等效電路計(jì)算模型虛線框中為沒有考慮驅(qū)動(dòng)和拾取線圈互感影

26、響的共振回路，I2為一次側(cè)，I3為二次側(cè),一次側(cè)和二次側(cè)阻抗電抗分別為： ，, （2-7） ,。 （2-8）二次側(cè)的相關(guān)參數(shù)對(duì)應(yīng)到一次側(cè)的電路中，則發(fā)送線圈回路在整個(gè)電路中的等效阻抗可由下式得到： (2-9)由于在實(shí)際情況下，線圈共振是在驅(qū)動(dòng)和拾取線圈回路影響下共振的，因此不能只做其單獨(dú)的共振傳輸特性分析。系統(tǒng)共振時(shí)只表現(xiàn)電阻特性，容抗感抗綜合作用為0，即回路電抗為0，體現(xiàn)在式（7）中。綜上所述，在共振系統(tǒng)的電容和電感部分是影響該系統(tǒng)的諧振特性，從而影響的綜合影響運(yùn)行的系統(tǒng)（共振或共振），諧振頻率特性指向分布，和回路電阻部分的關(guān)鍵參數(shù)由熱損失的系統(tǒng)上的主要影響。共振系統(tǒng)的發(fā)射和接收線圈的距離一

27、般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耦合系數(shù)，體現(xiàn)在原有的循環(huán)相對(duì)較小的值電氣參數(shù)，實(shí)驗(yàn)可以做以下近似簡(jiǎn)化其他循環(huán)：（2-11）（2-10） 令，代入以上得： （2-12）上式表明，系統(tǒng)共振頻響特性與M23關(guān)系密切，又，k23為發(fā)送接收耦合系數(shù)，在線圈匝數(shù)、線徑、線圈半徑等參數(shù)一定的情況下，其值由兩線圈間距離決定，隨兩線圈距離的增大而減小。當(dāng)M23足夠大時(shí)，即兩線圈距離很近，系統(tǒng)僅有一個(gè)共振點(diǎn)： （2-13）該情況下，在發(fā)送線圈上產(chǎn)生的磁力線幾乎可以全部穿過接收線圈，兩線圈之間強(qiáng)耦合緊密。但是該情況對(duì)于適用于大距離傳輸?shù)拇篷詈瞎舱裣到y(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中卻十分少見。另一方面，磁共振耦合無線電力傳輸系統(tǒng)，它的實(shí)際應(yīng)用，并希望越遠(yuǎn)

28、越好發(fā)射器線圈和接收線圈之間的距離，以便克服缺乏傳輸距離的接近的電磁感應(yīng)方法。當(dāng)發(fā)送接收線圈距離增大，其耦合程度減弱，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)存在2共振點(diǎn)： （2-14）當(dāng)距離繼續(xù)增大，M23越來越小，當(dāng)距離很大時(shí)，即可忽略，此時(shí)也僅有1共振點(diǎn)： （2-15）在這種情況下，兩個(gè)線圈之間的相互作用的發(fā)送和接收線圈的距離是非常弱，此時(shí)，系統(tǒng)的共振，在這種情況下發(fā)送和接收線圈的驅(qū)動(dòng)和回升在每個(gè)諧振電路，分別。隨著距離的增加，從發(fā)射和接收線圈，最大電流拾取線圈電路接收降。負(fù)載RL在圖2一次側(cè)回路反映的阻抗為： （2-16）共振時(shí)，RL吸收有功功率為： （2-17）即共振條件下系統(tǒng)能量傳輸效率： （2-18）當(dāng)系統(tǒng)的

29、諧振工作，為純電阻特性，沒有電抗，阻抗等效最小線圈電路性能的等效阻抗，獲得拾取線圈電流最大時(shí)，系統(tǒng)在這一點(diǎn)上，以獲得最佳的傳輸狀態(tài)。2.4本章小結(jié)本章首先介紹了近區(qū)磁場(chǎng)相關(guān)內(nèi)容，為理解磁耦合原理做準(zhǔn)備，然后介紹了磁耦合原理，簡(jiǎn)單說明了系統(tǒng)中用到的磁耦合原理，最后詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的磁耦合模型，通過相關(guān)公式推導(dǎo)找到系統(tǒng)工作的最佳狀態(tài)。此章系統(tǒng)的指導(dǎo)了后面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。3阻抗匹配電路信號(hào)在整個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無反射的最大信號(hào)發(fā)送功率的傳輸，阻抗匹配是必要的。為了有功率放大器的最大輸出功率，除正常的工作狀態(tài)的晶體管的設(shè)計(jì)，而且還必須具有良好的輸入，輸出網(wǎng)絡(luò)。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其作用是實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸出阻抗相匹配的放

30、大器的最大功率的放大器的輸入阻抗；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是外部負(fù)載電阻的作用被轉(zhuǎn)換成所需的最佳負(fù)載電阻的放大器，以確保輸出功率被最大化。3.1阻抗匹配基本原理使系統(tǒng)的反射、載行波盡量接近行波狀態(tài)是阻抗匹配的基本作用。阻抗匹配分為兩大類：負(fù)載與傳輸線之間的阻抗匹配，使負(fù)載無反射。方法是接入匹配裝置使輸入阻抗和特性阻抗相等。信號(hào)源與傳輸線之間匹配，可以使信號(hào)源無反射，接入信號(hào)源與傳輸線之間接入匹配裝置。信號(hào)源共軛匹配，信號(hào)源與被匹配電路之間接入匹配裝置。3.2負(fù)載阻抗匹配方法3.2.1集總參數(shù)匹配電路通常情況下，若使用電容電感實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在低頻段可以使用變壓器實(shí)現(xiàn)匹配，在高頻段則采用L形、形、T形實(shí)現(xiàn)匹配

31、電路，其電路特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在應(yīng)用上也非常廣泛。變壓器方法。主要用于低頻段，不適用高頻段。傳輸線變壓器可實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗變換，以實(shí)現(xiàn)平衡與非平衡變換，電視機(jī)外接天線上使用較為常見。L形的匹配電路。這樣的電路線路簡(jiǎn)單，成本低，但只適用于窄帶電路。由于設(shè)計(jì)要考慮功率的損耗，實(shí)驗(yàn)嘗試使用電感和電容元件。匹配電路被設(shè)計(jì)的必須選擇正確的容抗元件參數(shù)，有兩種方法來計(jì)算元件參數(shù)，通過直接計(jì)算阻抗的匹配，史密斯圓圖也可以使用。利用前者計(jì)算準(zhǔn)確，后者可用于計(jì)算機(jī)的計(jì)算，這是一個(gè)直觀和有效的設(shè)計(jì)，也是適用最佳的性能合理的選擇。現(xiàn)在可以使用電腦功能強(qiáng)大的軟件直接設(shè)計(jì)。T形和形電路。這樣的電路可以是相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)電路品質(zhì)因

32、數(shù)調(diào)整，具有更大的靈活性。多元素匹配電路設(shè)計(jì)可以減少電路的品質(zhì)因數(shù)，但它可以增加帶寬。3.2.2分布式參數(shù)元件電路匹配( 1) 混合型匹配電路 這類電路設(shè)計(jì)中不怎么用到電感元件，因?yàn)樗哂休^高的電阻，并且寄生損失是非常嚴(yán)重的。設(shè)計(jì)中使用并聯(lián)電容即可以完成設(shè)計(jì)要求。( 2) 單分支匹配電路 傳輸線和部分并行單個(gè)分支電路端子串聯(lián)開路或短路傳輸線結(jié)構(gòu)的階段，通常采取恒定的特性阻抗設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)傳輸線的阻抗匹配的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。( 3) 雙分支匹配電路 這種雙分支匹配電路匹配阻抗匹配電路更容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)，但設(shè)計(jì)有點(diǎn)復(fù)雜。如果電路設(shè)計(jì)要求品質(zhì)因數(shù)，可以使用T形或形匹配電路，因?yàn)檫@種類型的電路的Q值是可調(diào)節(jié)的。

33、分布參數(shù)匹配電路的用于高頻的，集中和分布式如果電路之間的字的范圍，可以混合和匹配。匹配電路設(shè)計(jì)不是單一的，也就是說，要考慮的偏置電路，所述反饋電路和頻率調(diào)整互連的電路以反復(fù)修改設(shè)計(jì)，最終滿足試驗(yàn)要求。3.3匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)性分析有兩種主要類型的匹配網(wǎng)絡(luò)：具有一個(gè)過濾器和匹配網(wǎng)絡(luò)形式的并聯(lián)諧振電路的匹配網(wǎng)絡(luò)。無論什么匹配網(wǎng)絡(luò)的形式下，從收集器看到的右側(cè)，它們相當(dāng)于并聯(lián)諧振電路。改變互感和接入因子，它可以在不影響系統(tǒng)調(diào)整情況下，調(diào)整晶體管輸出電路的等效負(fù)載電阻，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在復(fù)合輸出電路中，由于設(shè)備負(fù)載斷路不會(huì)造成嚴(yán)重的損壞，但它也比簡(jiǎn)單的諧振電路，它被廣泛使用的良好濾波器特性。要提高回路傳輸效率

34、，則空載品質(zhì)因數(shù)越大越好，有載品質(zhì)因數(shù)越小越好?？蛰d品質(zhì)因數(shù)越大越好，意味著中介回路本身的損耗越小越好。通常情況下負(fù)載品質(zhì)因數(shù)約為100-200；負(fù)載品質(zhì)因數(shù)越小越好，意味著在中介回路本身?yè)p耗一定時(shí)，負(fù)載的損耗越大越好。然而，濾波器特性抑制諧波分量，品質(zhì)因數(shù)需要是足夠大的?？紤]到?jīng)_突，嘗試調(diào)節(jié)不小于10的質(zhì)量因子。在過濾器型匹配網(wǎng)絡(luò)，它們是L型，T型和型雙端口網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)電抗元件。由于LC元件的功率損耗是非常小的，它可以有效地發(fā)送功率;由于其在頻率選擇效應(yīng)的同時(shí)，確定該電路的窄帶性質(zhì)。匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換特性阻抗都是基于各種系列并根據(jù)并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換，串行和前和交換結(jié)構(gòu)后，該電路的品質(zhì)因數(shù)保持不變；電抗特

35、性保持不變轉(zhuǎn)換前后，對(duì)于之前的高品質(zhì)因數(shù)電路的電抗值和轉(zhuǎn)換后大約相等；并聯(lián)電路中的電阻RP是串聯(lián)電路中RS的（1+Q2）倍。這些基本概念對(duì)于確定LC匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)非常重要。3.4系統(tǒng)中的阻抗匹配阻抗匹配中，磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)可分為兩種結(jié)構(gòu)，即兩線圈與四線圈結(jié)構(gòu)。根據(jù)對(duì)線圈電感補(bǔ)償方式的不同，兩線圈結(jié)構(gòu)可分為SS、SP、PS和PP 的基本模型。其中，P代表并聯(lián)型補(bǔ)償，S代表串聯(lián)型補(bǔ)償。兩線圈結(jié)構(gòu)的串聯(lián)或并聯(lián)型補(bǔ)償具有一定的阻抗匹配作用，但因補(bǔ)償電容大小由固定參數(shù)諧振頻率確定，而無法通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容大小以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入電阻和等效負(fù)載電阻，因此這種補(bǔ)償方式的阻抗匹配作用非常有限。四線圈結(jié)構(gòu)是在兩線

36、圈的基礎(chǔ)上，在原來的發(fā)射和接收線圈的兩側(cè)各增加一個(gè)阻抗匹配線圈，用以實(shí)現(xiàn)電源匹配和負(fù)載匹配。四線圈結(jié)構(gòu)也有4種基本模型，分別是SSSS、SSSP、PSSS、PSSP。SSSS型四線圈結(jié)構(gòu)的互感耦合模型如圖3-1所示。圖3-1 SSSS型四線圈結(jié)構(gòu)互感模型圖中，Is為高頻電流源，Rs為電源內(nèi)阻，L1、L2、L3、L4為各自線圈自感，C1、C2、C3、C4為各自線圈補(bǔ)償電容，R1、R2、R3、R4為各自線圈損耗電阻，M12、M23、M34為各線圈之間互感，RL為負(fù)載電阻，Zi=Ri+jXi為系統(tǒng)輸入阻抗，為發(fā)射線圈端口阻抗，Z0=R0+jX0為接收線圈等效負(fù)載阻抗。線圈結(jié)構(gòu)分成三部分：高頻電流源和

37、電源線圈、發(fā)射接收線圈、負(fù)載線圈和電阻，每一部分的效率分別為12、23、34。選擇合適的工作頻率和補(bǔ)償電容，使每個(gè)線圈都工作在諧振狀態(tài)，諧振頻率為0，此時(shí)端口阻抗均為純阻性，利用反射阻抗概念，R0、Ri、Ri分別表示如下： （3-1） （3-2） （3-3）若阻抗匹配線圈為單匝，可忽略交叉互感，R1、R4較小，可見阻抗匹配線圈的損耗通?？珊雎圆挥?jì)，因此12、34可表示為 （3-4）設(shè)在發(fā)射線圈感應(yīng)的等效激勵(lì)電流為I2，流出接收線圈的電流為I3，則流入發(fā)射線圈的功率P2、流出接收線圈的功率P3，分別為 （3-5）對(duì)接收線圈，根據(jù)接收線圈的回路電壓方程，有 （3-6）由以上各式可得 （3-7）又系

38、統(tǒng)傳輸效率為，對(duì)發(fā)射線圈有：，則系統(tǒng)輸出功率可表示為 （3-8）當(dāng)系統(tǒng)輸入電阻Ri遠(yuǎn)大于激勵(lì)源內(nèi)阻Rs時(shí)，。此時(shí)，23隨R0的變化會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值，當(dāng)R0滿足： （3-9）此時(shí)23達(dá)到最大值： （3-10）又M12、M34有對(duì)系統(tǒng)輸入電阻Ri和負(fù)載電阻R0進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用，因而，通過增大M12可使輸入電阻Ri遠(yuǎn)大于激勵(lì)源內(nèi)阻Rs，以使12趨近于1；對(duì)于固定的負(fù)載電阻RL通過調(diào)節(jié)M34，可使等效負(fù)載電阻R0達(dá)到最優(yōu)值Ro_opt，以使23獲得最大值。通過調(diào)節(jié)M12，會(huì)改變系統(tǒng)輸入電阻Ri或發(fā)射線圈上的等效激勵(lì)電流I2，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率。從上述分析可知，四線圈結(jié)構(gòu)由于含有兩個(gè)阻抗匹配線圈，使得其

39、具有靈活的電源匹配和負(fù)載匹配作用。由式（3-10）可知23_max只跟發(fā)射和接收線圈的損耗電阻R2和R3、互感M23、諧振頻率0有關(guān)。在四線圈結(jié)構(gòu)中，可對(duì)發(fā)射線圈、接收線圈進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，以獲得較高的23_max。發(fā)射和接收線圈設(shè)計(jì)完后，再通過阻抗匹配線圈進(jìn)行匹配，電源匹配可調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸人電阻，減少電源內(nèi)阻損耗或者調(diào)節(jié)輸出功率，負(fù)載匹配可進(jìn)一步把傳輸效率調(diào)節(jié)到最大。四線圈結(jié)構(gòu)在傳輸距離較近時(shí)，其傳輸效率反而下降，而工作頻率調(diào)節(jié)到原諧振頻率兩側(cè)時(shí)，其傳輸效率達(dá)到峰值又頻率分裂的。當(dāng)傳輸距離很近時(shí)，互感M23變大，Ri變大，系統(tǒng)輸入電阻Ri變小，12下降，系統(tǒng)傳輸效率下降。當(dāng)工作頻率偏離原諧振頻率時(shí)，

40、傳輸效率反而增加到峰值，從而又保證了12?？赏ㄟ^調(diào)整M12來實(shí)現(xiàn)電源匹配，以保證系統(tǒng)有較高的12。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了匹配網(wǎng)絡(luò)相關(guān)內(nèi)容，詳細(xì)介紹了無線電能傳輸系統(tǒng)中阻抗匹配的重要之處，為以后實(shí)驗(yàn)的成功打下重要理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)階段用到了此方面很多理論。4盤式諧振線圈的分析與制作制作線圈決定了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能的效率，因此關(guān)鍵是磁耦合諧振的無線電力傳輸技術(shù)，能量輸送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)與相干能量共振頻率，從而共振頻率是在特別重要線圈的設(shè)計(jì)。本章以幾種平面螺旋線圈為研究的對(duì)象，研究線圈諧振頻率的計(jì)算模型及其計(jì)算方法，分析其結(jié)構(gòu)特性。4.1線圈電感和互感計(jì)算4.1.1線圈電感計(jì)算一個(gè)半徑為的圓形單

41、匝線圈，導(dǎo)線半徑是b，當(dāng)b/a<<1時(shí)，它的電感可以由該式求得： （4-1）式中，0是真空中的磁導(dǎo)率，。該式計(jì)算精度很高，當(dāng)a=10b時(shí)，誤差僅僅為1.1%，而且隨著a和b的差值越來越大，其精度也越高。4.1.2線圈互感計(jì)算在共振磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)中，接收線圈和發(fā)射線圈之間的位置并不是固定的，而位置的不同會(huì)影響線圈間互感的大小，進(jìn)而影響能量的傳輸效率。因而，對(duì)不同相對(duì)位置線圈互感的分析是非常有必要的。在這里只對(duì)單匝線圈情況的互感進(jìn)行分析，多匝情況可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和修正。（1）同軸平行。如圖4-1所示，是相互平行且同軸的線圈的示意圖，它的互感可由式(4-2)得到：圖4-1

42、同軸平行線圈(4-2)(4-3)式中，a1和a2是兩線圈各自的半徑；d是兩線圈的軸向距離；K（k）、E（k）分別是具有模數(shù)k的第一類和第二類全橢圓積分。（2）同軸不平行。如圖4-2所示，是互相成夾角的同軸線圈的示意圖，根據(jù)聶以曼公式求解互感如下：圖4-2 同軸不平行線圈 （4-4） （4-5）式（4-5）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為 （4-6）（3）平行不同軸。如圖4-3，兩軸之間的距離為，有：圖4-3 平行不同軸線圈 （4-7） （4-8）式（4-8）可簡(jiǎn)化為： （4-9）其中，J0為零階貝塞爾函數(shù)，J1為一階貝塞爾函數(shù)。（4）任意相對(duì)位置。如圖4-4所示，圖4-4 任意相對(duì)位置線圈可以采用與前面三種相同

43、的分析方法，首先確定dl1和dl2的表達(dá)式和兩線圈的空間距離r12，根據(jù)公式(4-5)即可求得互感，其中 （4-10）4.2線圈電容計(jì)算設(shè)線圈導(dǎo)體間形成以s為距離，t為板寬，ts（線間距總長(zhǎng)度）為板長(zhǎng)的平行板電容器，此電容就是線圈的分布電容Cp。影響分布電容的絕緣材料有兩種，一種是線圈導(dǎo)體間的填充物（一般為空氣），二是襯底（PCB線圈中為FR4）。所以分布電容Cp由以填充物為介質(zhì)的分布電容Cpc和以襯底為介質(zhì)的分布電容Cps兩部分組成。(4-11)(4-12)式中，為真空中的介電常數(shù)，；、分別為填充物材料和襯底材料的相對(duì)介電常數(shù)；為比例系數(shù)。對(duì)于以空氣為填充物，以FR4為襯底的PCB線圈，可以

44、知道比例系數(shù)，查找絕緣特性表可得。4.3單面矩形平面螺旋線圈如圖4-5所示，為實(shí)驗(yàn)所要得到的矩形螺旋線圈的模型圖圖4-5矩形螺旋線圈每一圈電感被背面的金屬貼片分為四段，因此對(duì)于n圈的矩形平面螺旋線圈，其等效電路中電阻、電感以及電容的數(shù)量分別為4n+1、4n+1和4n，每一圈都通過背面的金屬貼片所形成的電容連接。其集總方式的電感電容的值都可以按照上述章節(jié)的方法來計(jì)算。相較于環(huán)式線圈，這種矩形線圈更便于計(jì)算研究。4.4本章小結(jié)本章主要對(duì)線圈參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，得到了單匝線圈的電感和電容的計(jì)算表達(dá)式，而多匝線圈電感和電容的計(jì)算表達(dá)式則可以在單匝線圈的表達(dá)式的基礎(chǔ)上修正得到，同時(shí)，了解了線圈其造成誤差的主要原因。5實(shí)驗(yàn)記錄總結(jié)共振式磁耦合無線能量傳輸技術(shù)最重要的部分就是收發(fā)線圈，不同的收發(fā)線圈會(huì)使得系統(tǒng)的傳輸距離、傳輸效率等有著很大的差別。本章節(jié)則對(duì)平面線圈進(jìn)行制作和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。5.1線圈制作首先，實(shí)驗(yàn)中需要選取合適的繞制線圈的銅線。目前市場(chǎng)上主要有兩種銅線：一種是黃銅，另一種是紫銅。黃銅色澤美觀，有良好的工藝和力學(xué)性能，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較高，在大氣、淡水和海水中耐腐燭，易切削和拋光，燥接性好且價(jià)格便宜。常用于制