无线电力传输中的效率分析及系统设计【字数：7461】
无线电能传输技术将人类利用能源引入新的时代。传输介质的改变使人们从有线传输发展到无线传输。因为相对于以往的有线传输方式无线传输比较新，所以要广泛的在生活上引用还需要的更多的研究和发展。才能解决电力传输系统受空间局限的这个问题。传统的无线电力传输方式有电场耦合、磁耦合等。谐振耦合作为新的电能无线传输的方法它能够在中等距离范围内传递能量。它如果能广泛使用，很多电子产品就不在需要电线和充电接口因此更安全用户体验会更好。本文用在空间上隔离的两线圈的互感耦合模型为基础，主要分析线圈参数、两线圈间隔距离以及传输系统的角频率等因素对传输效率的影响。在模拟电路中得出传输效率表示式，然后探索达到最大传输效率的条件及设计。最后，用软件来设计一个谐振耦合电能无线传输装置的仿真实验，并观察两线圈间电磁传播的情况。比较多组在不同参数线圈下的实验数据。得出无线电力传输系统输出效率最大时的条件。
目录
1．绪论 1
1.1引言 1
1.2谐振耦合 1
1.3课题研究的主要内容 1
2.系统设计 3
2.1系统部分设计 3
2.1.1高频振荡电路 3
2.1.2功率放大电路 4
2.1.3线圈耦合电路 4
2.2系统总体设计 5
3.理想的电能无线传输系统 6
3.1无线传输系统等效电路 6
3.2无线系统传输效率 6
3.2.1无线传输效率表达式 6
3.2.2不同工作方式的传输效率 7
3.3 无线传输效率分析 9
3.3.1传输效率最大时的工作方式 9
3.3.2双线圈自谐振的原理 9
4.双线圈自谐振耦合的效率 10
4.1非理想时影响传输效率的因素 10
4.1.1线圈参数 10
4.1.2线圈的互感系数 10
4.2传输效率与传输距离和负载的关系 11
4.3实验分析 11
总结 20
参考文献 21
致谢 22
1．绪论
1.1引言
在过去的生活里我们常用金属 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
介质充当传输电能的媒介。如今科技水平的提高，在有线电能传输的领域我们有了不断改进和完善。但是金属作为电传输的介质，势必会造成金属资源不合理的开采及其他相关资源的浪费[6]。为了响应环保和可持续发展的理念。人们将目光转向了无线电能传输。这一新技术虽然它比传统的传输方式更经济环保但是传输效率的保证仍是我们要重点关注的。传输效率的问题一旦解决，无线供电技术会逐渐普及。缓解了电器过度依赖导线的问题，便携性大大提高。这不仅能让使用者对电子产品充电更方便同时还能降低安全隐患。无线电力传输将在未来有很广阔的应用前景[8]。
1.2谐振耦合
电能的无线传输系统是先将电能转化为可无线传播的能量然后通过系统的接收端再次转化为电能实现对电器的供电。以往的通过电磁感应的无线电路传输系统会受到距离的限制[14]。为此人们研究出了谐振耦合的方式。谐振耦合作为一种新的电能无线传输的方式。谐振耦合电能无线传输与传统传输技术相比传输距离更远，传输功率更大。它的传输效率受耦合线圈的传输特性、空间距离以及传输系统角频率等因素影响[7]。相比较电磁感应的方式，在系统工作的时候其磁场强度很小，不会对人产生和传播有害的电磁辐射同时收到非金属材料的干扰也非常小，因此它的实用性也好[1]。
1.3课题研究的主要内容
该文首先对无线传输的背景和研究目的做了相关的介绍并对于它的实际意义做了简单的概述。之后基于空间隔离两线圈的互感耦合模型计算得出不同工作方式下的效率表达式。并通过比较四种效率表达式，得出能有最大传输效率的工作条件。得出当系统满足双线圈自谐振耦合时传输效率最大[10]。同时最大效率的值还是和线圈在高频工作下产生的寄生参数和接收端的负载有关。当线圈的损耗电阻远小于接收端负载时，他们的耦合效率最大[16]。将最终得出的最大效率表达式进一步分析。再从模拟电路的角度入手，在确定线圈参数的情况下通过仿真实验后的数据波动来体现无线传输效率与电子线路各因数间的关系。并且改变空心线圈间距和接收端回路负载观察对最大传输效率的影响。进行电磁场仿真就针对两个线圈耦合观察电磁波在有限空间的传输的效果，最后进行总结。
2.系统设计
2.1系统部分设计
2.1.1高频振荡电路
为了研究无线传输效率，需要产生交流电振荡，作为信号源。本次采用普通的电容式三点振荡器（考毕兹振荡器）。它主要由放大器、选频电路和正反馈电路组成此。振荡电路框图如图2.1。
图2.1振荡电路框图
当它的相位条件满足正反馈且幅度条件满足环路增益大于1时可起振。因为电路结构相对简洁，反馈原理清晰，失真相对较小，适合高频电路[2]。符合我们实验的基本需要。考毕兹振荡器如图2.2。
/
图2.2考毕兹振荡器电路
2.1.2功率放大电路
为了有比较大的发射功率，需要对信源信号放大产生具有一定功率的正弦波。我们选用IRF840型号的场效应管，组成推挽型功率放大电路，相比于IR250 和IRF640型号，它的成本更低。最重要的是它耐压高，使用很安全[16]。该电路主要由前置放大电路、反相比例放大电路和同相比例放大电路等部分组成。先将待处理的信号经过前置电路放大到一定值，为了防止信号波形的失真，再输入反向电路产生大小相等方向相反的信号，再通过同相电路将信号再次放大，稳定的给负载提供足够的功率[5]。推挽型功率放大电路框图如图2.3。
图2.3推挽型功率放大电路框图。
2.1.3线圈耦合电路
经过放大后的能量信号需要经过非接触式传输，我们利用通电线圈的自感和互感原理来实现。当接收端收到能量时，给负载提供能量。这时测量负载上的实际电压算出输出功率再结合输入功率得出系统效率[16]。耦合模型图如图2.4。
图2.4 耦合电路模型
2.2系统总体设计
实际装置首先通过振荡电路产生信号源，再由功率放大电路得到高频功率源。利用自感和互感特性将能量隔空传输，并测量接收端负载上的电压计算输出功率。线圈参数确定的情况下改变其它参数，进一步观察系统的输出和输入功率之比并分析无线电能传输系统的效率。无线电能传输系统框图如图2.5。
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图2.5无线电能传输系统框图
目录
1．绪论 1
1.1引言 1
1.2谐振耦合 1
1.3课题研究的主要内容 1
2.系统设计 3
2.1系统部分设计 3
2.1.1高频振荡电路 3
2.1.2功率放大电路 4
2.1.3线圈耦合电路 4
2.2系统总体设计 5
3.理想的电能无线传输系统 6
3.1无线传输系统等效电路 6
3.2无线系统传输效率 6
3.2.1无线传输效率表达式 6
3.2.2不同工作方式的传输效率 7
3.3 无线传输效率分析 9
3.3.1传输效率最大时的工作方式 9
3.3.2双线圈自谐振的原理 9
4.双线圈自谐振耦合的效率 10
4.1非理想时影响传输效率的因素 10
4.1.1线圈参数 10
4.1.2线圈的互感系数 10
4.2传输效率与传输距离和负载的关系 11
4.3实验分析 11
总结 20
参考文献 21
致谢 22
1．绪论
1.1引言
在过去的生活里我们常用金属 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
介质充当传输电能的媒介。如今科技水平的提高，在有线电能传输的领域我们有了不断改进和完善。但是金属作为电传输的介质，势必会造成金属资源不合理的开采及其他相关资源的浪费[6]。为了响应环保和可持续发展的理念。人们将目光转向了无线电能传输。这一新技术虽然它比传统的传输方式更经济环保但是传输效率的保证仍是我们要重点关注的。传输效率的问题一旦解决，无线供电技术会逐渐普及。缓解了电器过度依赖导线的问题，便携性大大提高。这不仅能让使用者对电子产品充电更方便同时还能降低安全隐患。无线电力传输将在未来有很广阔的应用前景[8]。
1.2谐振耦合
电能的无线传输系统是先将电能转化为可无线传播的能量然后通过系统的接收端再次转化为电能实现对电器的供电。以往的通过电磁感应的无线电路传输系统会受到距离的限制[14]。为此人们研究出了谐振耦合的方式。谐振耦合作为一种新的电能无线传输的方式。谐振耦合电能无线传输与传统传输技术相比传输距离更远，传输功率更大。它的传输效率受耦合线圈的传输特性、空间距离以及传输系统角频率等因素影响[7]。相比较电磁感应的方式，在系统工作的时候其磁场强度很小，不会对人产生和传播有害的电磁辐射同时收到非金属材料的干扰也非常小，因此它的实用性也好[1]。
1.3课题研究的主要内容
该文首先对无线传输的背景和研究目的做了相关的介绍并对于它的实际意义做了简单的概述。之后基于空间隔离两线圈的互感耦合模型计算得出不同工作方式下的效率表达式。并通过比较四种效率表达式，得出能有最大传输效率的工作条件。得出当系统满足双线圈自谐振耦合时传输效率最大[10]。同时最大效率的值还是和线圈在高频工作下产生的寄生参数和接收端的负载有关。当线圈的损耗电阻远小于接收端负载时，他们的耦合效率最大[16]。将最终得出的最大效率表达式进一步分析。再从模拟电路的角度入手，在确定线圈参数的情况下通过仿真实验后的数据波动来体现无线传输效率与电子线路各因数间的关系。并且改变空心线圈间距和接收端回路负载观察对最大传输效率的影响。进行电磁场仿真就针对两个线圈耦合观察电磁波在有限空间的传输的效果，最后进行总结。
2.系统设计
2.1系统部分设计
2.1.1高频振荡电路
为了研究无线传输效率，需要产生交流电振荡，作为信号源。本次采用普通的电容式三点振荡器（考毕兹振荡器）。它主要由放大器、选频电路和正反馈电路组成此。振荡电路框图如图2.1。
图2.1振荡电路框图
当它的相位条件满足正反馈且幅度条件满足环路增益大于1时可起振。因为电路结构相对简洁，反馈原理清晰，失真相对较小，适合高频电路[2]。符合我们实验的基本需要。考毕兹振荡器如图2.2。
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图2.2考毕兹振荡器电路
2.1.2功率放大电路
为了有比较大的发射功率，需要对信源信号放大产生具有一定功率的正弦波。我们选用IRF840型号的场效应管，组成推挽型功率放大电路，相比于IR250 和IRF640型号，它的成本更低。最重要的是它耐压高，使用很安全[16]。该电路主要由前置放大电路、反相比例放大电路和同相比例放大电路等部分组成。先将待处理的信号经过前置电路放大到一定值，为了防止信号波形的失真，再输入反向电路产生大小相等方向相反的信号，再通过同相电路将信号再次放大，稳定的给负载提供足够的功率[5]。推挽型功率放大电路框图如图2.3。
图2.3推挽型功率放大电路框图。
2.1.3线圈耦合电路
经过放大后的能量信号需要经过非接触式传输，我们利用通电线圈的自感和互感原理来实现。当接收端收到能量时，给负载提供能量。这时测量负载上的实际电压算出输出功率再结合输入功率得出系统效率[16]。耦合模型图如图2.4。
图2.4 耦合电路模型
2.2系统总体设计
实际装置首先通过振荡电路产生信号源，再由功率放大电路得到高频功率源。利用自感和互感特性将能量隔空传输，并测量接收端负载上的电压计算输出功率。线圈参数确定的情况下改变其它参数，进一步观察系统的输出和输入功率之比并分析无线电能传输系统的效率。无线电能传输系统框图如图2.5。
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图2.5无线电能传输系统框图
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