无线电力传输方式的研究与应用
无线电力传输方式的研究与应用[20200406123630]
摘要
现代科学技术的飞速发展，电能为之提供着源源不断的动力，人们在日常生活中用到的电器越来越多，随之而来的就是各种各样的电源线。有些时候这些电源线也会给人们带来不小的烦恼。而无线充电的应用则会在很大程度上减少这些烦恼。
本设计主要是设计了一种基于磁共振式的无线电力传送装置，并使用Multisim软件对相应部分进行模拟仿真。在了解并无线充电的原理及其能够进行无线传送的几种主要的方式（电磁感应、磁共振、微波/激光技术）之后，选择其中的磁共振方式进行分析与设计，分析进行无线电力传输的基本原理及其传输效率跟线圈大小、形状、材质，线圈与线圈之间的距离，谐振频率等等因素之间的联系。设计了一个由磁共振方式组成的电力传输装置。其中发射端的小功率放大模块和接收端的波形整流模块使用Multisim软件进行设计仿真并制作。
实验结果表明，当线圈与线圈之间达到耦合谐振时，接收到的电压达到最大，此时的传输效率是最高的。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:无线充电磁共振频率效率
目 录
第一章 概述 1
1.1实现无线电力传输的方法 1
1.2论文的主要研究内容与安排 3
第二章 基于磁共振方式无线充电基本原理 5
2.1 磁共振式无线充电工作原理 5
2.2 磁共振式无线充电的传输效率 6
2.2.1 线圈的传输功率 6
2.2.2 系统调谐后的传输功率 7
2.3 基于磁共振式无线充电的主要改进方式 8
第三章 基于磁共振式无线电力传输装置的仿真与设计 10
3.1电路设计的基本目标与任务 10
3.2电路设计的框图及步骤 10
3.3 Multisim软件简介 11
3.3.1 Multisim软件特点 11
3.4 AD8052芯片介绍 12
3.4.1技术特性 13
3.5电路的仿真、调试与探讨 13
3.5.1线圈的制作及其谐振频率的测量 13
3.5.2高频运放电路 15
3.5.3整流电路 16
3.5.4磁共振式无线充电的实验研究 18
3.6小结 21
第四章 总结与展望 22
参考文献 23
第一章 概述
人类自从有电以来发明了很多的用电设备，在现代生活中，人们会惊奇的发现在他们的周围充满了“电”。电力可以说随处可见，很难想象，如果有一天电能突然消失了，那么这个世界将会变成什么样。虽然说电力极大地改变了我们的生活方式，为我们提供了很大的便利。但是随着用电设备的真多，有时候我们会因为各种各样的电源线而困扰。如果不需要电源线就可以为这些用电设备提供所需要的电能，那么电源线的困扰将会减少许多。无线充电也就孕育而生。
无线电力传输的探讨是从十九世纪末开始的。一八九零年，尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）做了无线输电试验。世界上第一次电力微波传输试验是由美国空军与雷神公司在一九六七年合作进行的，并成功地通过微波向模拟直升机供应电力[1]。Powercast 公司在二零零七年三月成功开发的一种无线电能传输技术，可以提供各种低功耗电子设备及产品进行无线充电，如移动电话、MP3、移动电源等。二零一零年八月，国际无线充电联盟发布Qi 无线充电国际标准[1]。
无线充电技术有着很好的发展潜力，目前世界各个国家都在这方面有所研究，相互竞争。无线电能传输作为一项比较新的技术，其潜在的商业价值不可估量。无线电力传输能够更好的节约有效资源，促进新型能源的开发。未来为了能够更好的利用资源，无线电力传输技术必将会被普及。
1.1实现无线电力传输的方法
电磁转换基本原理是实现无线电力传输功能的主要的理论依据，主要可以分为以下几种方式：电磁感应（主要是短距离传输）、电磁耦合共振（主要是中距离传输）、微波/激光技术（主要是远距离传输）[2]。
一、电磁感应方式
麦克斯韦电磁理论告诉我们：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。电磁感应是通过两个线圈之间的磁耦合来实现无线电能的传输，由于其传输性能受到距离的影响比较大，因此适合在距离相对比较短的范围内传输，其基本原理如图1-1所示。初级线圈 内通以交流信号，这样在 的四周将会产生变化的磁场，次级线圈 感应 的变化磁场产生感应电势，再通过整流处理即可以为移动的设备进行充电。由于是近距离传输，传输距离会在一定程度上影响传输效率。
图1-1电磁感应原理图
二、磁共振方式
磁共振方式相对于中距离传输而言，是比较适合的。其基本原理是：线圈内通以一交流信号，当其频率达到线圈的自谐振频率时，系统将会产生共振。这时线圈周围产生磁场，接收部分的线圈自谐振频率和发射部分一致，线圈内感应产生振荡的交流信号，此时信号是最强的。这样就实现了电能的无线传输，而且其传输效率是非常高的（在理论上最高可达到90%以上）[3]。当然传输效率与所产生的磁场的强弱是相关的，对于中距离的室内供电基本上是可以实现的。如图1-2所示为基于磁共振的无线充电模型。
图1-2 磁共振原理图
三、微波/激光技术
对于远距离的无线电能传输，由于距离较远，如果使用上述两种方式的话将会很难实现。但是我们知道，对于一个波长越短无线电波，其就会有更好的定向性 [2]。因此，对于距离远的无线传送，可以通过微波或者激光技术来实现[4]。如果在未来这项技术得以成熟，那么这将会在很大程度上改变生活。人们可以在不需要回家的情况下，通过这一技术对移动设备进行充电。
1.2论文的主要研究内容与安排
本论文主要研究设计的是基于磁共振方式的无线电力传输，并搭建一个基于此方式的实验装置。经过深入学习磁共振无线电力传输的基本原理后，设计并制作出基于此方式的无线传输装置，并使用Multisim软件对相关模块进行设计仿真。
本课题的难点为：
在使用磁共振方式时，其系统的谐振频率的测量，还有在制作线圈时对线圈的绕制以及制作好了以后其电感值和自谐振频率的测量。在运放模块，对于运算放大器的选择也是很重要的，它需要实现对高频信号的放大。
毕业设计过程主要完成的工作安排是：
1 、查阅相关文献、期刊、论文等资料，首先了解可以实现无线充电主要的几种方式，选择其中一种方式作为本设计的主要内容。理解磁共振基本原理，掌握实现充电的方法；
2 、通过Multisim对相关理论设计模块进行分析仿真；
3 、设计完成一个基于磁共振的电能传输实验装置并进行调试；
4 、通过实验装置采集到的相关数据对理论研究进行验证分析。
第二章 基于磁共振方式无线充电基本原理
2.1 磁共振式无线充电工作原理
整个系统是由四个相同材料的物体构成，其固有频率相同。电能就可以在两个线圈之间进行传送，而与除了这两个线圈之外的其他材质线圈几乎是没有电能传递的，在输入信号的频率与系统设定的谐振频率 一致时，这时整个系统将会产生共振，而此时线圈振动的幅度将达到最大[5]。
图2-1 磁共振结构模型
系统的发射部分由驱动线圈和发射线圈组成，接收部分由接收线圈和负载线圈组成[6]。如图2-1，发射部分的两个线圈之间是通过电磁感应方式将电能由驱动线圈传送到发射线圈，即驱动线圈内通过高频交流信号，在其周围产生磁场，这样发射线圈就会由电磁感应而从驱动线圈处获得电能。接收部分的两个线圈之间的电能传递原理与发射部分是一样的。而发射与接收两个线圈之间的电能传递是采用磁共振的基本原理来实现的。即两个线圈有着相同的谐振频率 ，当高频交流信号的频率与 相同时发射和接收线圈将会产生共振，就如声音的共振传播原理是一样的。如图2-2 所示，是基于磁共振的等效模型，由高频信号源和一个单匝线圈构成驱动线圈 ，由一个单匝线圈和负载构成负载线圈 ，由于是高频信号，所以 、 采用单匝线圈，是因为其负载回路中线圈的感抗极小，这样高频信号线圈匝与匝之间的杂散电容就可以忽略[7]，其容抗几乎为零，这样就可以认为负载回路为纯电阻回路，它反馈到线圈 的阻抗就是纯电阻。线圈 和 都是相同材质的多匝线圈，而且它们的固有频率相同。
图2-2基于磁共振的等效模型
摘要
现代科学技术的飞速发展，电能为之提供着源源不断的动力，人们在日常生活中用到的电器越来越多，随之而来的就是各种各样的电源线。有些时候这些电源线也会给人们带来不小的烦恼。而无线充电的应用则会在很大程度上减少这些烦恼。
本设计主要是设计了一种基于磁共振式的无线电力传送装置，并使用Multisim软件对相应部分进行模拟仿真。在了解并无线充电的原理及其能够进行无线传送的几种主要的方式（电磁感应、磁共振、微波/激光技术）之后，选择其中的磁共振方式进行分析与设计，分析进行无线电力传输的基本原理及其传输效率跟线圈大小、形状、材质，线圈与线圈之间的距离，谐振频率等等因素之间的联系。设计了一个由磁共振方式组成的电力传输装置。其中发射端的小功率放大模块和接收端的波形整流模块使用Multisim软件进行设计仿真并制作。
实验结果表明，当线圈与线圈之间达到耦合谐振时，接收到的电压达到最大，此时的传输效率是最高的。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:无线充电磁共振频率效率
目 录
第一章 概述 1
1.1实现无线电力传输的方法 1
1.2论文的主要研究内容与安排 3
第二章 基于磁共振方式无线充电基本原理 5
2.1 磁共振式无线充电工作原理 5
2.2 磁共振式无线充电的传输效率 6
2.2.1 线圈的传输功率 6
2.2.2 系统调谐后的传输功率 7
2.3 基于磁共振式无线充电的主要改进方式 8
第三章 基于磁共振式无线电力传输装置的仿真与设计 10
3.1电路设计的基本目标与任务 10
3.2电路设计的框图及步骤 10
3.3 Multisim软件简介 11
3.3.1 Multisim软件特点 11
3.4 AD8052芯片介绍 12
3.4.1技术特性 13
3.5电路的仿真、调试与探讨 13
3.5.1线圈的制作及其谐振频率的测量 13
3.5.2高频运放电路 15
3.5.3整流电路 16
3.5.4磁共振式无线充电的实验研究 18
3.6小结 21
第四章 总结与展望 22
参考文献 23
第一章 概述
人类自从有电以来发明了很多的用电设备，在现代生活中，人们会惊奇的发现在他们的周围充满了“电”。电力可以说随处可见，很难想象，如果有一天电能突然消失了，那么这个世界将会变成什么样。虽然说电力极大地改变了我们的生活方式，为我们提供了很大的便利。但是随着用电设备的真多，有时候我们会因为各种各样的电源线而困扰。如果不需要电源线就可以为这些用电设备提供所需要的电能，那么电源线的困扰将会减少许多。无线充电也就孕育而生。
无线电力传输的探讨是从十九世纪末开始的。一八九零年，尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）做了无线输电试验。世界上第一次电力微波传输试验是由美国空军与雷神公司在一九六七年合作进行的，并成功地通过微波向模拟直升机供应电力[1]。Powercast 公司在二零零七年三月成功开发的一种无线电能传输技术，可以提供各种低功耗电子设备及产品进行无线充电，如移动电话、MP3、移动电源等。二零一零年八月，国际无线充电联盟发布Qi 无线充电国际标准[1]。
无线充电技术有着很好的发展潜力，目前世界各个国家都在这方面有所研究，相互竞争。无线电能传输作为一项比较新的技术，其潜在的商业价值不可估量。无线电力传输能够更好的节约有效资源，促进新型能源的开发。未来为了能够更好的利用资源，无线电力传输技术必将会被普及。
1.1实现无线电力传输的方法
电磁转换基本原理是实现无线电力传输功能的主要的理论依据，主要可以分为以下几种方式：电磁感应（主要是短距离传输）、电磁耦合共振（主要是中距离传输）、微波/激光技术（主要是远距离传输）[2]。
一、电磁感应方式
麦克斯韦电磁理论告诉我们：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。电磁感应是通过两个线圈之间的磁耦合来实现无线电能的传输，由于其传输性能受到距离的影响比较大，因此适合在距离相对比较短的范围内传输，其基本原理如图1-1所示。初级线圈 内通以交流信号，这样在 的四周将会产生变化的磁场，次级线圈 感应 的变化磁场产生感应电势，再通过整流处理即可以为移动的设备进行充电。由于是近距离传输，传输距离会在一定程度上影响传输效率。
图1-1电磁感应原理图
二、磁共振方式
磁共振方式相对于中距离传输而言，是比较适合的。其基本原理是：线圈内通以一交流信号，当其频率达到线圈的自谐振频率时，系统将会产生共振。这时线圈周围产生磁场，接收部分的线圈自谐振频率和发射部分一致，线圈内感应产生振荡的交流信号，此时信号是最强的。这样就实现了电能的无线传输，而且其传输效率是非常高的（在理论上最高可达到90%以上）[3]。当然传输效率与所产生的磁场的强弱是相关的，对于中距离的室内供电基本上是可以实现的。如图1-2所示为基于磁共振的无线充电模型。
图1-2 磁共振原理图
三、微波/激光技术
对于远距离的无线电能传输，由于距离较远，如果使用上述两种方式的话将会很难实现。但是我们知道，对于一个波长越短无线电波，其就会有更好的定向性 [2]。因此，对于距离远的无线传送，可以通过微波或者激光技术来实现[4]。如果在未来这项技术得以成熟，那么这将会在很大程度上改变生活。人们可以在不需要回家的情况下，通过这一技术对移动设备进行充电。
1.2论文的主要研究内容与安排
本论文主要研究设计的是基于磁共振方式的无线电力传输，并搭建一个基于此方式的实验装置。经过深入学习磁共振无线电力传输的基本原理后，设计并制作出基于此方式的无线传输装置，并使用Multisim软件对相关模块进行设计仿真。
本课题的难点为：
在使用磁共振方式时，其系统的谐振频率的测量，还有在制作线圈时对线圈的绕制以及制作好了以后其电感值和自谐振频率的测量。在运放模块，对于运算放大器的选择也是很重要的，它需要实现对高频信号的放大。
毕业设计过程主要完成的工作安排是：
1 、查阅相关文献、期刊、论文等资料，首先了解可以实现无线充电主要的几种方式，选择其中一种方式作为本设计的主要内容。理解磁共振基本原理，掌握实现充电的方法；
2 、通过Multisim对相关理论设计模块进行分析仿真；
3 、设计完成一个基于磁共振的电能传输实验装置并进行调试；
4 、通过实验装置采集到的相关数据对理论研究进行验证分析。
第二章 基于磁共振方式无线充电基本原理
2.1 磁共振式无线充电工作原理
整个系统是由四个相同材料的物体构成，其固有频率相同。电能就可以在两个线圈之间进行传送，而与除了这两个线圈之外的其他材质线圈几乎是没有电能传递的，在输入信号的频率与系统设定的谐振频率 一致时，这时整个系统将会产生共振，而此时线圈振动的幅度将达到最大[5]。
图2-1 磁共振结构模型
系统的发射部分由驱动线圈和发射线圈组成，接收部分由接收线圈和负载线圈组成[6]。如图2-1，发射部分的两个线圈之间是通过电磁感应方式将电能由驱动线圈传送到发射线圈，即驱动线圈内通过高频交流信号，在其周围产生磁场，这样发射线圈就会由电磁感应而从驱动线圈处获得电能。接收部分的两个线圈之间的电能传递原理与发射部分是一样的。而发射与接收两个线圈之间的电能传递是采用磁共振的基本原理来实现的。即两个线圈有着相同的谐振频率 ，当高频交流信号的频率与 相同时发射和接收线圈将会产生共振，就如声音的共振传播原理是一样的。如图2-2 所示，是基于磁共振的等效模型，由高频信号源和一个单匝线圈构成驱动线圈 ，由一个单匝线圈和负载构成负载线圈 ，由于是高频信号，所以 、 采用单匝线圈，是因为其负载回路中线圈的感抗极小，这样高频信号线圈匝与匝之间的杂散电容就可以忽略[7]，其容抗几乎为零，这样就可以认为负载回路为纯电阻回路，它反馈到线圈 的阻抗就是纯电阻。线圈 和 都是相同材质的多匝线圈，而且它们的固有频率相同。
图2-2基于磁共振的等效模型
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