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一种无线能量传输模型及实验装置的设计

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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 。磁耦 合共 振式无 线能
从而可 以有 目的地 进行天线 的调谐 ， 以达到最好的传输效 果。然后根 据理论结果 来进行实 验的构建 ， 通过对
实验结果 的分 析 ， 验证 了理论 的正确 性和可行性 。理论分析和实验结果均表 明天线 自身的电感 和电阻值 对效 率都有很 大影 响。最后 ， 结合理论分 析的结果 ， 通过实验 的调试 ， 提 出了改进 的思 路和方法 ， 并且做 出了合理 的推 断和验证 ， 对未来 的工作有一定 的指导意义 。 ・
１ ６ ２
武汉 理工大学学报 （ 信息与管理工程版 ）
２ ０ １ ３年 ４月
式中： ， 和Ｊ ｒ １ 。 分 别 为发 射 线 圈 ｓ和 接 收线
圈 Ｒ固有 的损耗率 （ 包括吸收、 辐射等 ） ； ｋ为耦 合 系数 ； 厂ｗ为负载 的损 耗率 。 由式 （ １ ） 可知， 系统 的效率 只与线 圈天线 的 损耗率 （ 厂 和， ｗ ） 、 负载的损耗率 ， ｗ以及耦合 系数 ｋ 有关 ， 与 外界 激 励 大 小 无 关 。通 过 计 算 推 导， 式（ １ ） 可 以表示 为 ：
线 圈上 产生磁 谐振 ， 在 接收 装置 中不 断集 聚 能量 ，
递通道 ， 从而有效地传输能量。利用该方式进行 能量传输 ， 不但可 以提高传输的功率与效率 ， 而且
理论 上 可 以将 传 输 的距 离 提 高 到 １～ ２ ｍ且 不 会 受 到空 间障 碍物 的影 响 。 笔者 首 先分 析 了磁耦合 共 振式 无线 能量 传输 技术 基 础 ， 即耦合 模型理论 （ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ ｍ ｏ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ —
但是利用这两种方法 ， 传输距离和功率 的限制 比 较大。磁 耦 合共 振 式无 线 能量 传 输 技 术 是 在 ２ ０ ０ ７年由 Ｍ Ｉ Ｔ的科学家提出的， 它 以磁场作为传
输 介质 ， 通过 共 振建 立 发 射 与 接 收 装 置 之 间 的传
量传输系统示意图如图 １ 所示 ， 能量接收器与发射 源采用具有相同谐振频率的感应线圈天线 ， 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
（ １ ． 武汉理工大学 信息工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ； ２ ． 武汉 中原 电子集 团有 限公司 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ； ３ ． 武汉 理工大学 自动化学 院， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０）
摘
要： 首先从耦合模 型理论 的角度分析了系统 的传输效率 ， 得到 了线 圈天线 的参数与效率之 间的关 系，
提供给负载使用 ， 从而实现能量传递＿ ４ Ｊ 。
发射 线 圈
（ Ｓ）
接 收线 圈
ｒ ｙ ） ， 推导得出的线圈天线的品质 因数 （ Ｑ值） 是决 定传输效率的重要 因素 ； 然后建立了基于磁耦合 共振 式无 线 能量 传 输 等 效 电路 模 型 ； 最后 设 计 了
磁耦 合共 振式 无 线 能 量 传输 系统 实 验 装 置 ， 在 实 验室 条件 下 大 约 ３ ０ ｃ ｍ的距离处点亮功率 为 ３ Ｏ
Ｖ０ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ２ Ａｐ ｒ ． ２ ０１ ３
文章编 号 ： ２ ０ ９ ５— ３ ８ ５ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２—０ １ ６ １— ０ ３
文献标志码 ： Ａ
一
种 无 线 能 量传 输模 型及 实验 装 置 的设 计
张东华 ， 张善翔 ， 朱 国荣。 ， 陈 伟
１ 磁耦合共振式无线能量传输示意 图
ｗ 的灯泡 ， 传输效率为 ６ ５ ％。
当线 圈天 线 ｓ 、 Ｒ共 振 时 ， 传输 效率 叼为 ：
１ 耦 合 模 型 理 论
叼
ｒ ， ｒ 话 ｒｓ ｒ Ｂ
磁耦合共振式无线
， 它利用两个具有相 同特定谐
（ １ ）
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２—１ ０—１ ０ ． 作者简介 ： 张东华（ １ ９ ７ １ 一） ， 男， 湖北蕲春人 ， 武汉理工大学信息工程 学院博 士研究 生 ； 高级工程师 ．
基金项 目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目（ ２ ０ １ １ 一 Ｉ Ｖ一 １ １ ７ ） ； 湖北省科技厅专项科 研基金 资助项 目（ ２ ０ １ １ Ｆ Ａ Ａ ０ ０ ９ ）
第３ ５ 卷 第２ 期 ２ ０ １ ３ 年４ 月
武 汉 理工大学学 报 （ 信息与管 理工程版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＷＵ Ｔ （ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ＆Ｍ Ａ Ｎ Ａ Ｇ Ｅ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ ）
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５— ３ ８ ５ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ０ ３
关键 词 ： 磁耦合 ； 无 线能量传输 ； 线圈天线
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ ９ ９
无 线能 量传 输技 术 大致包 括 电磁波 无线 能量 传 输技术 、 感 应耦 合 式 无 线 能 量 传 输 技 术 和 磁耦 合 共振 式无 线 能 量 传 输 技术 。其 中 ， 前 两 种 方法 已经为人 们 所熟 知 并 且 在 一 些 场合 得 到 了应 用 ，

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磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计

磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计

磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计
一、实验目的：
研究磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率及影响因素。

二、实验器材：
1.无线电能传输系统主要器件：发射端和接收端线圈、电容、电阻、谐振电路；
2.发射端电源和信号源；
3.接收端负载电阻、直流电压表；
4.实验仪器：示波器、信号生成器。

三、实验原理：
四、实验步骤：
1.搭建发射端和接收端线圈、电容、电阻和谐振电路的结构；
2.给发射端线圈接入电源和信号源，在示波器上观察是否能产生高频电磁场信号；
3.给接收端线圈接入负载电阻，并用直流电压表测量输出电压；
4.调节信号频率，观察输出电压的变化；
5.测量不同频率下的输出电压大小，并记录；
6.根据测量结果，绘制输出电压与频率的关系曲线；
7.改变发射端和接收端之间的距离，重复步骤3-6，观察输出电压的
变化；
8.根据测量结果，绘制输出电压与距离的关系曲线；
9.改变发射端和接收端线圈的尺寸，重复步骤3-6，观察输出电压的
变化；
10.根据测量结果，绘制输出电压与线圈尺寸的关系曲线；
11.分析实验结果，探讨传输效率与频率、距离、线圈尺寸的关系。

五、实验注意事项：
1.实验时需保证线圈与电容及电阻之间的连线正确；
2.实验时应注意观察信号源和示波器的显示，避免高频电磁场对其他
设备造成干扰；
3.实验时需小心操作，避免触摸电源线或其他高压部件。

六、预期结果：
1.通过实验数据得出输出电压与频率、距离、线圈尺寸之间的关系曲线；
2.分析曲线，得出传输效率与频率、距离、线圈尺寸的关系；
3.得出优化磁耦合谐振式无线电能传输系统的方向，以提高传输效率。

无线电能传输装置

无线电能传输装置

目录1系统方案 (2)1.1系统总体思路 (2)1.2系统方案论证与选择 (2)1.2.1 电源模块论证与选择 (2)1.2.2驱动模块论证与选择 (2)1.2.3线圈的论证与选择 (2)1.2.4整流电路的论证与选择 (2)1.3系统总体方案设计 (3)2理论分析与计算 (3)2.1 TL494应用原理 (3)2.2 IR2110原理 (3)2.3 无线传输原理 (4)2.4 计算公式 (4)3电路设计 (4)3.1电源模块（图3） (4)图3 电源模块 (5)3.2驱动模块（图4） (5)3.3传输模块（图5） (5)4测试方案与测试结果 (6)4.1测试方法与仪器 (6)4.2测试数据与结果 (6)4.3数据分析与结论 (7)参考文献 (8)无线电能传输装置（F题）1系统方案1.1系统总体思路由题我们设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，且用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过驱动电路产生交变电流，对发射线圈进行供电，线圈利用磁耦合谐振式原理，将电能无线传输到接收线圈端，最终在接收线圈端产生电流，达到无线电能的传输的要求。

经过几天的测试，制作出了传输效率达38.3%，x的值最大为26 cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置。

1.2系统方案论证与选择1.2.1 电源模块论证与选择方案一：利用双电源，直接对电路进行供电。

方案二：利用单电源，再接入PWM控制器芯片TL494固定频率的脉冲宽度调制电路，能够有效地将直流电转换为高频脉冲。

TL494芯片的功耗低，构成的电路结构简单，调整方便，输出电压脉动小；且IR2110 的电路无需扩展，使电路更加紧凑，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，为获取死区时间，可由基本振荡电路、与门电路构成，为方便我们选用TL494，选择方案二。

1.2.2驱动模块论证与选择方案一：利用三极管对无线电能传输装置进行驱动，可以比较经济地进行驱动。

第30届全国青少年科技创新大赛中小学生优秀作品

第30届全国青少年科技创新大赛中小学生优秀作品

第３0届全国青少年科技创新大赛中小学生优秀科技创新作品项目选摘中国科学技术协会2015年８月*注:本册选摘作品著作权由大赛组委会保留，请勿用作非法用途。

隔墙取电——无线能量传输得应用探索基本信息项目简介本项目设计并实现了一种体积小、实用性强得无线能量传输装置,能够使电能穿过墙体给另一侧电器提供电能,并研究了一些关键参数对无线能量传输特性得影响。

日常生活中,给墙体得另一侧电器供电,要穿过窗户或大门拉很长得电线,既不方便,又有隐患。

本项目要设计一种装置,使电能穿过墙体给另一侧电器提供电能，解决生活中用电不方便得问题。

本项目经过调研、结构设计、材料得采购、谐振器得反复制作、射频功率得比对测量、负载对传输效率以及调谐范围得研究以及射频整流得实现等多个研究环节，实现了无线能量传输并得到了有参考价值得结论。

本项目应用了磁耦合共振得能量无线传输原理,通过发送与接受谐振器得共振完成了非辐射电磁场得能量传输。

在测量射频功率时，应用了电能与热能相互转换得原理,并使用变量控制法保证测量精度。

本项目有三个创新点：①探索并实现了一种新得谐振器布局，突破了传统装置中四线圈结构,整个系统只用两个线圈,使整个装置具有体积小、容易安装、便于携带等优点。

②本项目设计了一套射频功率测量方案，利用常用仪器完成了对射频功率得测量,并对不同阻抗负载进行了射频功率测量,解决了传统射频功率计只能等效为５0Ω负载进行测量，而不能测量其她阻抗负载功率得问题。

并探讨了负载阻抗对传输效率、共振调谐范围得影响等问题。

③本项目对接收到得射频进行了整流,通过将检波二极管合理排布实现了较大功率得射频整流。

现有见诸报道得磁耦合共振系统就是由发射线圈、两个共振线圈以及接收线圈共四个线圈构成。

至今未见整个系统只有两个线圈得报道。

也未见负载阻值影响传输效率得实验结果得报道。

本项目用廉价常用得检波二极管实现射频整流得方法也未见报道。

完善该项目得设想:一、改善线圈形状,找到最优参数。

感应式与电场式结合的无线电能传输系统的设计与实现

感应式与电场式结合的无线电能传输系统的设计与实现

感应式与电场式结合的无线电能传输系统的设计与实现罗颖;麦瑞坤;罗博;龙涛【摘要】感应电能传输(IPT)系统能够实现大功率的高效传输,但当周围的金属体处于磁场中时,高频交变的磁场会在金属体上产生涡流,导致金属体温度升高,具有潜在的危险.电场式电能传输(CPT)系统不会在金属体上产生涡流,但依然存在极板电压过高、电场辐射范围大等问题.基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统可以解决以上问题,但传统的耦合器都是分开放置,体积较大,且结构松散.因此,本文提出一种集成式耦合器的结构及其设计方法.通过Maxwell仿真设计集成式耦合器的结构参数和电气参数,使其达到系统要求.最后,通过实验验证了集成式耦合器的优越性及参数设计方法的正确性,实验系统实现了1kW功率输出,整体效率为88.24％.本文为感应式和电场式结合系统提供了一种耦合器设计方法,能够有效缩小耦合器体积,同时耦合器中的极板能够阻隔磁场辐射.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)0z2【总页数】8页(P287-294)【关键词】无线电能传输;感应式与电场式结合系统;集成式耦合器;CL补偿拓扑【作者】罗颖;麦瑞坤;罗博;龙涛【作者单位】西南交通大学电气工程学院成都 610031;西南交通大学电气工程学院成都 610031;西南交通大学电气工程学院成都 610031;西南交通大学电气工程学院成都 610031【正文语种】中文【中图分类】TM724感应电能传输（Inductive Power Transmission, IPT）技术能够实现较远距离的大功率传输[1]，在近几年受到广泛关注和应用，涉及的领域包括电子设备、轨道交通[2]、医疗器械和工业生产等。

随着IPT技术的普及，其安全问题也受到人们的高度关注，磁场辐射是大家尤为关心的一点。

IPT系统利用电磁感应定律，以高频磁场作为传输介质，将电能从发射线圈传输到接收线圈侧[3]。

而高频的磁场也带来一系列的安全问题，如：它会在金属体上产生涡流使金属发热，存在火灾隐患，同时也会降低系统效率；对周围通信设备造成电磁干扰；磁场辐射在一定强度下会危害人体健康等[4]。