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1、電子設計競賽項目總結技術匯報責任人： 學 號：學 院、系： 專 業： 聯絡電話1：聯絡電話2：答辯題目：指導老師: 年 月 日一、 學生基礎信息答辯項目名稱 電能無線傳輸裝置所屬學科A機械工程 B電子信息 C 其它 （ ）參加人員姓名性別學號專業項目分工署名男 男 男二、 摘要： 文中介紹了一個磁耦合諧振式電能無線傳輸裝置。該裝置包含了發射部分和接收部分，發射裝置包含電源電路、震蕩電路、驅動電路和發射線圈；接收部分包含了接收線圈、整流電路、穩壓電路。測試結果表明：本裝置接收線圈，在負載電阻為20歐姆輸出電流0.5A時，輸出電壓大于等于8V，傳輸效率較高；輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流小2、于1A，接收端負載為2只串聯LED燈（白色、1W）時，在保持LED燈不滅條件下，發射線圈和接收線圈間距離大于50cm。符合設計基礎要求，達成很好效果。關鍵詞：電能無線傳輸裝置，磁耦合諧振電路，傳輸效率三、設計匯報正文：1、序言：2、總體方案設計： 為了實現該設計中各項指標，設計并制作了一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結構框圖圖1所表示。圖1 電能無線傳輸裝置結構框圖輸入電源U1提供系統供電，驅動電路負責產生諧振所需震蕩信號，并放大驅動發射線圈。接收線圈諧振接收發射線圈電能經過電能變換電路供給負載。 （1）方案比較 方案一：使用電磁感應式電能傳輸。電磁感應現象是電磁學中最重大發覺之一，它顯示3、了電、磁現象之間相互聯絡和轉化。它由三大部分組成，能量發送部分、變壓器、能量接收部分，電磁感應是電磁學中基礎原理，輸入交流電經過整流、濾波、穩壓變為直流電，以后經過高頻逆變換進行逆變，逆變所產生高頻交變電流輸入分離式變壓器初級線圈，和初級線圈耦合，從而產生感應電動勢，再經過高頻整流濾波后為負載供電。 方案二：磁耦合諧振式電能傳輸。 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術工作原理是導線纏繞制成發射線圈（空芯電感）和諧振電容共同并列形成諧振體。諧振體所容納能量在電場和磁場之間或自諧振頻率在一定空間隨意振動，在此基礎上產生以線圈為原點，以空氣為傳輸媒介時更換磁場。能量接收端是由接收線圈帶有一個單位電容組成諧振4、體，在相同條件下諧振頻率和能量發送端頻率相同，并能夠在所能感應磁場和電場之間進行自由諧振，實現兩個諧振體共同交換，在交換同時諧振體之間也存在著相同頻率震動和能量交換，這就叫做兩個諧振體共同組成耦合諧振系統。圖2磁耦合諧振式無線電能傳輸系統示意圖 （2）方案選擇 方案一：使用電磁感應式電能傳輸。變壓器就是利用電磁感應基礎原理進行工作，利用電磁感應進行短程電力傳輸。缺點比較顯著，傳輸距離較短，從本設計來看，該方案無法達成十幾厘米或更遠距離。故放棄該方案選擇。 方案二：磁耦合諧振式電能傳輸。該方法以諧振“磁耦合”形式將電能進行傳輸。它基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現電力高效傳輸。磁耦合諧振式5、無線電能傳輸技術在未來有著寬廣應用前景，含有高效率、遠距離等優點，故本設計選擇該方案進行研究。（3） 方案具體設計和論證于磁場耦合諧振無線電能傳輸裝置由高頻驅動電路、發射回路和接收回路組成，其中發射回路包含驅動線圈和發射諧振線圈，接收回路包含接收諧振線圈及負載線圈電路。發射線圈和接收線圈均為兩個固有諧振頻率相同LC電路，當驅動信號頻率和線圈固有諧振頻率相同時，發射、接收線圈發生諧振，在磁場作用下兩線圈之間產生很強耦合，實現電能無線傳輸。示意圖圖4所表示。圖3磁耦合諧振式無線電能傳輸系統示意圖上圖中發射線圈S和驅動線圈A耦合，接收線圈D和負載線圈B耦合，A和S、D和B之間距離 、很小，它們之間關6、鍵是近距離感應耦合。系統正常工作時，驅動線圈A周圍產生一個高頻交變磁場，發射線圈S利用電磁感應從驅動線圈A取得能量，接收線圈D和發射線圈S含有相同頻率而發生諧振，兩線圈之間形成一條能量傳輸通道，實現電能無線傳輸。接收線圈D中存放能量，以感應耦合形式，轉移到負載線圈B中，供負載使用，從而實現了電能在一定距離內連續不停傳輸。發射線圈S和接收線圈D諧振頻率能夠經過接入外部電容調整到相同頻率。 諧振電路方案選擇 本設計使用并聯式諧振電路其基礎電路圖所表示，該電路含有回路Q值越高，回路選擇信號能力強。為了使電路達成“磁耦合”必需選擇適宜線圈和匹配電容。線圈采取單股銅芯，直徑1mm漆包線繞制而成，繞4圈，7、其電感量約為17uH。考慮到電子器件性能，系統工作頻率越高對器件要求也越高，為了平衡這一關系，同時達成系統頻率要求，本系統在實際設計中并聯諧振電容，以降低諧振線圈諧振頻率。為使線圈諧振頻率在100khz左右，采取在線圈兩端并聯電容。電容量、電容損耗、工作電壓、絕緣電阻、頻率特征和溫度系數是電容器選擇時需要考慮特征參數。因為本文所選電容需要工作在較高頻率，所以電容高頻工作時特征需要考慮。在高頻工作時，電容損耗增加工作穩定性變差，所以電解電容和紙質電容不適合高頻電路。綜合考慮瓷片電容含有很好高頻性能，其是一個用陶瓷材料作介質，在陶瓷表面涂覆一層金屬薄膜，再經高溫燒結后作為電極而成電容器。瓷片電容不8、僅有體積小優點，其在高頻電路中使用時，可靠性好、耐高溫，且能抗高電壓和大電流沖擊。因為瓷片電容器很適適用于高頻電路，本設計選擇瓷片電容器作為諧振耦合無線電能傳輸系統諧振電容。 高頻信號發生電路比較和選擇 方案一：采取單片機和DAC0832實現波形。數模轉換器組成信號發生器，因為是軟件濾波，所以通常不會有寄生高次諧波分量，生成波形比很好。它優點是性能較高，在低頻信號范圍內穩定性能好、操作很方便、體積小、功耗低等。但去輸出頻率較低，難以達成1MHz方波。故本設計放棄該方案選擇。 方案二：采取FPGA產生波形。多年來，伴隨科學技術迅猛發展，優異FPGA很快成為現代電子信息時代主導控制關鍵。其波形控制9、靈活，可編程邏輯能力被廣泛應用于醫學儀器、航天測控、民用家電等領域。考慮到本組組員知識層次還較低，駕馭fpga能力尚淺，放棄了該方案選擇。 方案三：采取分立元件NE555來實現非穩態多諧振蕩器，產生頻率可調方波信號發生器。這種信號發生器輸出頻率范圍比較窄，而且電路參數設定比較簡單，其頻率大小測量需要經過硬件電路調試和切換即可實現，操作實在是很方便。實現電路簡單，方便易操作，成本較低，故本設計采取該方案進行產生高頻信號。3、 單元模塊設計 （1）發射部分電路設計 發射電路關鍵由、NE555多諧振蕩器電路、驅動芯片IRF540、發射線圈等組成。其電路圖6所表示。圖4無線電能發射電路輸入15V,關鍵10、作用是提供NE555、驅動芯片IRF540、發射線圈等系統所需要適宜電壓。NE555組成多諧振蕩器電路為系統提供所需要震蕩波形。NE555功效強大，其各個引腳功效以下： Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發點) -這個腳位是觸發NE555使其開啟它時間周期。觸發信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出) -當初間周期開始555輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏高電位。周期結束輸出回到O伏左右低電位。于高電位時最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時11、器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發和閘限電壓。當計時器經營在穩定或振蕩運作方法下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態。當這個接腳電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時開啟這個動作。Pin 7 (放電) -這個接腳和關鍵輸出接腳有相同電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC正電源電壓端。供給電壓范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 12、（2）接收部分電路設計和分析接收電路由接收線圈、整流電路、穩壓電容等組成。為了更輕易實現接收和發射產生諧振，接收線圈并聯電容應和發射線圈并聯電容容量大小一樣。為了得到穩定直流電供給負載，因為接收線圈接收到是交流電壓，必需經過圖中四個二極管組成整流電路BR1（全橋式），或單個二極管組成整流電路（半橋式）輸出由1個47uF電解電容組成，這么會得到愈加穩定直流電。圖5無線電能接收電路（全橋式） （3）磁耦合諧振式電能傳輸工作原理分析及計算由諧振頻率公式： (1)可知，在忽略線圈本身分布電容，根據上式計算只能得到大約線圈諧振頻率，受限于有限試驗條件，試驗中采取實際測量方法來較正確地得出線圈諧振頻率：把13、發射線圈直接接到信號發生器上，利用兩個1W發光二極管串聯作為負載，在發射、接收線圈距離一定時，調整信號發生器頻率，當發光二極管達成最亮時信號發生器頻率即為線圈諧振頻率。因為磁耦合諧振無線電能傳輸系統最好頻率段為100KHz，顯然頻率也不能無線增大，且頻率越高對器件要求越高，而市面上器件往往不易滿足大頻率要求。對于確定磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，當系統頻率改變時，傳輸效率也發生改變。當系統驅動信號頻率和線圈諧振頻率相同即時，傳輸效率最大；當系統驅動信號頻率偏離線圈諧振頻率時，傳輸效率逐步下降。兩線圈間耦合系數k表征是兩個線圈間能量傳輸速度，關鍵是由兩線圈間距離來決定。耦合系數k越大，能量從一個14、線圈傳輸到另一個線圈速度就越快，就越輕易建立起穩定能量傳輸通道。磁諧振耦合無線電能傳輸系統關鍵由高頻驅動信號、驅動線圈、發射線圈、接收線圈、諧振電容和負載回路等組成。為簡化系統分析，僅對發生諧振耦合發射和接收兩線圈進行等效分析。諧振耦合式電能無線傳輸系統等效電路模型圖5所表示，其中U為理想高頻信號源，頻率為，、分別為發射線圈、接收線圈在高頻下電感量，、分別是發射、接收線圈在高頻下寄生電阻，、分別為發射、接收線圈匹配電容(線圈本身分布電容能夠忽略不計)，為負載電阻，M為兩線圈之間互感系數，D為兩線圈之間距離。圖6 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統等效電路設發射線圈流過電流角頻率為，有效值為，當發射、15、接收線圈處于自諧振狀態時，則有 (2) (3)對圖5列KCL、KVL方程有 (4) (5)由式(3)、(4)、(5)得負載電流有效值、輸出功率如式(6)、(7)所表示： (6) (7)式(7)中和輸入電壓U成正比。系統效率為： (8)其中，為發射線圈上損耗功率，為接收線圈上損耗功率。接收線圈上電流為： (9)那么接收端線圈損耗功率為： (10)發射端線圈損耗功率為： (11)由式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)能夠計算出系統傳輸效率為：(12)利用諾依曼公式計算空間兩線圈互感，其中為真空磁導率，兩線圈之間互感近似為： (13)兩線圈之間耦合系數k為： (14)對于確定磁耦合諧振式無線16、電能傳輸系統(諧振頻率和、已定)，當系統頻率改變時，傳輸效率也發生改變。當系統驅動信號頻率和線圈諧振頻率相同即時，傳輸效率最大；當系統驅動信號頻率偏離線圈諧振頻率時，傳輸效率逐步下降。兩線圈間耦合系數k表征是兩個線圈間能量傳輸速度，關鍵是由兩線圈間距離來決定。耦合系數k越大，能量從一個線圈傳輸到另一個線圈速度就越快，就越輕易建立起穩定能量傳輸通道。當把系統驅動信號頻率固定在諧振頻率()，耦合系數k改變時，由(11)、（13)式能夠看出k越大，系統傳輸效率越高。 （4）模塊鏈接和分析圖7系統模塊連接畫出框聯接圖并簡明說明。4、系統調試：（1）調試儀器 米尺、15V直流穩壓電源、數字萬用表、電流表17、模擬示波器（2） 調試方法將15V直流穩壓電源加入電路，在發射圈和接收圈相距10cm時測量輸出端直流電壓和電流大小，并計算功率及效率。 （3）調試結果及分析 保持發射線圈和接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時，接收端輸出直流電流I2=0.5A，負載為20歐姆電阻時，該無線電能傳輸裝置輸出電壓及效率數據如表1所表示。表1：輸入電流（A）輸出電壓輸入功率輸出功率效率（%）0.849.912.60.8210.012.30.8510.212.750.8410.112.60.8210.012.30.8510.012.750.8410.112.60.849.812.60.8410.118、12.60.839.912.450.8410.112.60.8310.112.45依據上表計算出效率平均值為： 經過調試，我們發覺振蕩器頻率為800KHz1MHz傳輸效率較高。5、系統功效、指標參數本系統基礎完成了題目中要求（1）和（2）兩項功效和指標：在負載電阻為20歐姆輸出電流0.5A時，輸出電壓大于等于8V，傳輸效率較高；輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流小于1A，接收端負載為2只串聯LED燈（白色、1W）時，在保持LED燈不滅條件下，發射線圈和接收線圈間距離大于30cm。 輸入電流（A）輸入電壓（V）傳輸距離0.8115300.82150.83150.84150.85150.86119、50.87150.88150.89156、設計總結：經過快要半個月努力，在指導老師引導幫助下，我們小組組員相互配合，共同努力，基礎實現大賽題目要求，在負載電阻為20歐姆輸出電流0.5A時，輸出電壓大于等于8V，傳輸效率較高；輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流小于1A，接收端負載為2只串聯LED燈（白色、1W）時，在保持LED燈不滅條件下，發射線圈和接收線圈間距離大于30cm。 最終，感謝中北大學電子設計競賽組委會給我們此次參賽機會，感謝指導老師，你們使我們隊員不光在技術上大幅提升，而且在團體協作方面也知道了很多。衷心祝福電子設計競賽越辦越好。四、參考文件：根據國家標準GB771487文后參考文件著錄規則書寫。五、附件：1、系統總體電路原理圖；2、程序清單序號名稱數量11N40071只21N41484只3IRF540場效應管1個4散熱片1個5螺絲1袋6555脈沖模塊1個7電解電容43uf2個8電解電容200uf2個9CBB電容1044只10按鍵開關1個11充電線圈2個12端子3個13金屬膜電阻1K1個14金屬膜電阻201個15LED 紅1只161WLED2只17萬用板2張3、系統工作中實物照片*設計匯報格式：設計匯報統一用A4紙打印，設計匯報正文大標題用小三號宋體、小標題用四號宋體、內容用小四號宋體。匯報從正文開始統一編頁碼、左側裝訂。