电能无线传输装置论文.doc

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1、一、设计任务1、背景电能无线传输一直是人类的梦想,多年来国外一些科学家执着地开展着这项研究,但进展甚微。2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展,他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输,在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮,且传输效率达到40%左右。谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比,具有以下本质性的不同:1)与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比,传输距离大大提高,突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1cm以内的限制,且理论表明若不考虑空间其它物体影响,传输距离将进一步提高;2)与利用微波原理的电

2、能无线传输技术相比,具有传输功率大的特点,将微波电能无线传输几毫瓦至100mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。目前,非接触能量无线传输发展已比较成熟,主要应用于磁悬浮列车,医学上用于体内微摄像机供电等。与此比较而言,基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术,并且低电磁辐射,可满足电磁兼容的要求。然而,现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺,尤其传输效率的分析还不够全面。2、任务设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置,其结构框图如图1所示。图1电能无线传输装置结构框图3、要求(1)保持发射

3、线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时,调整负载使接收端输出直流电流I2=0.5A,输出直流电压U2≥8V,尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。(45分)(2)输入直流电压U1=15V,输入直流电流不大于1A,接收端负载为2只串联LED灯(白色、1W)。在保持LED灯不灭的条件下,尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。(45分)(3)其他自主发挥(10分)4、说明(1)发射与接收线圈为空心线圈,线圈外径均20±2cm;发射与接收线圈间介质为空气。(2)I2=因为连续电流。(3)测试时,除15V直流电源外,不得使用其他电源

4、。20(1)在要求(1)效率测试时,负载采用可变电阻器;效率。(2)制作时须考虑测试需要,合理设置测试点,以方便测量相关电压、电流。二、方案论证2.1现有无线电能传输方案2.1.1电磁感应式电磁感应式电能传输系统主要由三大部分组成,即能量发送部分(Transmitter)、分离式变压器(Transformer)和能量接收部分(Receiver)。系统的工作原理,输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电,之后通过高频逆变器进行逆变,逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈,与次级线圈耦合,从而产生感应电动势,再通过高频整流滤波后为负载

5、供电。图2电磁感应方式示意图2.1.2磁耦合谐振式磁耦合谐振式由美国麻省理工学院于2007年研制成功,主要是利用物理学的“谐振”原理,两个振动频率相同的物体能高效传输能量。当电源发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时,接收端产生共振,实现能量的无线传输。在这项技术中,发送端和接收端的线圈被调校成了一个磁共振系统,通电后能够以固定的频率振动。能量传输不受空间障碍物影响,与电磁感应方式比较传输距离远,传输效率较高。由此可以知道传输效率与发送、接收能量单元的直径相关,传送面积越大,传输效率越高;传输效果与振动频率有关。图3磁耦合谐振方式示意图2

6、02.1.3磁辐射式该方式主要采用微波进行电能传输。微波的波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。由于频率较高,能顺利通过电离层而不反射。微波输电利用电磁辐射原理,由电源送出电力,通过微波转换器将交流电变换成微波,再通过发射站的微波发射天线送到空间,然后传输到地面微波接收站,接收到的微波通过转换器将微波变换成交流电,供用户使用。其有效传输距离为几千米,属于远程传输。电磁辐射方式电能传输主要有无线电波、微波、激光和超声波等方式。图4磁辐射方式示意图2.1.4三种方式比较谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比,具有以下本质性的不同:1)

7、与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比,传输距离大大提高,突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1cm以内的限制,且理论表明若不考虑空间其它物体影响,传输距离将进一步提高;2)与利用微波原理的电能无线传输技术相比,具有传输功率大的特点,将微波电能无线传输几毫瓦至100mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。目前,非接触能量无线传输发展已比较成熟,主要应用于磁悬浮列车,医学上用于体内微摄像机供电等。与此比较而言,基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术,并且低电磁辐射,可满足电磁兼容的要求。然而,现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于

8、起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺,尤其传输效率的分析还不够全面[18-19]。本文从线圈等效耦合模型出发,分析电能无线传输机理及传输效率与距离、

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