【《无线电能传导输送装置设计与应用》15000字（论文）】.docx

无线电能传导输送装置设计与应用目录1 .前言11. 选题背景12. 2研究意义13. 3国内发展现状及趋势114国外发展现状及趋势32 .无线电能传输装置设计所运用到的原理62. 1常用磁性材料的特性63. 2无线电能传输装置能量接入机构线圈绕组的特性74. 3能量接入机构的互感M和互感系数K的关系113 .无线电能传输装置的分类183. 1电磁感应式183. 2磁耦合谐振式184. 3微波辐射式194.设计214.1 变换器的设计214. 2补偿拓扑的设计214. 3驱动电路的设计234. 4保护电路244. 5控制电路设计265. 6耦合谐振参数设计295.实验结果分析306.结论32参考文献321 .前言1.1 选题背景随着社会的高速发展和科学技术的飞速发展，人们的生活质量明显提高。笔记本电脑，手机，mp3,平板电脑和其他可充电便携式电子产品已经得到广泛应用。目前，这些电子设备通常采用传统的电能线传导输送方式进行充电，而电能传导输送是通过插座，充电器和数据线绑定的，给人们的生活带来极大的不便。另外，在水下作业，矿山，油田，医疗等特殊领域，传统的有线供电设备由于摩擦和机械磨损而存在与电火花相关的安全隐患。随着供电设备在供电质量，安全性，可靠性等方面的要求不断提高，传统的点对点线直接接触式已经不能满足人们的生产和生活需要。迫切需要找到一个没有电线连接的电源和电气设备。一种新型的电力传导输送方式，无线电力传导输送技术应运而生。12研究意义磁耦合谐振无线电能量传导输送是电力工程领域最受欢迎的研究领域之一。这是一门结合基础与应用研究的前沿课题，学术界是对国内外医学界和工业新领域的综合研究和探索。电力系统，电力电子，电磁场，控制技术，信息技术，材料科学，物理学等诸多领域的综合利用技术。目前，谐振无线电力传导输送的磁耦合仍处于起步阶段。影响技术分析的许多因素仍然不足，整个系统的性能需要改进。如果以后可以开发出更高效率，更高功率，更长距离，安全传导输送的技术，将来能有不错的前景和使用价值，不只是能够应用到电动车的传导输送电能系统，无线传感器，RFID等。同时也能够应用在家用的电器上，小型移动的需要电能的工具，例如工业的机器操作，运输使用的车辆和航空航天，医疗所需的设计，矿产及水下工作等。除此之外，对于充电的有关技术与电磁理论发展也有极大的作用。1.3 国内发展现状及趋势近年来，中国无线传导输送技术的研究呈现出蓬勃的发展态势。浙江大学徐晔研究了电压无触点功率变换器。小型无线电设备的周文琦具有可启动分析装置，提出了一种基于功率因数补偿多谐振的通用设计方法，该方法可以在有效补偿系统上进行，使得不同负载下的系统具有较高的功率因数。非接触供电系统在运动器材中的耦合特性由中国科学院电工研究所吴莹，阎鲁光和徐善刚分析。西安交通大学电气学院王兆安，韩腾，方芳等人研究了小型无线传导输送设备分岔的频率。南京航空航天大学的王惠珍等数位专业人员研究了小型无线传导输送设备的全桥谐振变换器。部分专家获得国家自然科学基金资助，例如朱春波教授的研究团队为电动汽车和无线传感器网络的应用进行了建模，仿真，实验研究和设备开发。李云辉教授主要研究基于特殊材料的无线电无线电传导输送;陈千红教授主要研究无线传导输送功率的高效率和高可靠性。哈尔滨工业大学朱春波教授使用直径50厘米的螺旋铜线圈和外部级联电容器，以0.7米的传导输送距离传导输送23瓦的功率。在55厘米的传导输送距离处接收功率以获得最大值。效率接近50%。华南理工大学张波教授利用互感耦合模型分析了传导输送效率，负载电阻和线圈尺寸之间的关系。经过测试，振荡电路和低功率放大电路可以建立无线传导输送来验证该方法的实验系统。在谐振频率同步跟踪补偿中，采用相位补偿和锁相环同步的方法，研究了谐振腔内谐振频率对传导输送效率的影响，得到了最大传导输送效率的分析方法防止系统不匹配。2012年，以东南大学黄学良教授为首的研究团队研究了电动汽车无线充电技术及其与电网技术的互动，反映了“电动汽车作为电网，电动汽车和良性互动的高峰分隔和作用”网格。目前的研究主要是构建无线传导输送的原本理论和运用，如系统模型，拓扑结构，距离，效率特性，频率匹配等，并积极探索超声波能量耦合传导输送的机理和电场。此外，中国科学院刘国强教授，南京理工大学丁立波教授，清华大学教授于格杰，天津大学李兴飞教授，上海交通大学阎国政教授，武汉大学，重庆大学孙渝教授和苏玉刚教授等对磁耦合谐振无线电力传导输送各方面进行了卓有成效的研究。但与国外研究水平相比，国内技术相对落后，还有很多地方需要探索。14国外发展现状及趋势在20世纪80年代，E.AbeI和S.M.Third创造了无需接触形式的功率传导输送的有关概念，使用无需直接接触形式传导输送来代替引线和金属片相互接触的方式。90年代以后，新西兰，美国，日本等技术专家学者做了大量的研究。新西兰奥克兰大学电力电子研究中心。约翰博伊斯教授领导的一个研究小组已经选择研究轨道车辆的使用，例如电动车的电车，运输车和感应充电装置。它已经出版。数百篇与无线电力传导输送技术相关的文章。关于直接电感耦合无线电力传导输送技术，以纽西兰奥克兰大学JohnT.boys教授为首的研究小组在20世纪90年代率先开展了研究工作。理论研究和工程应用技术团队已经做了大量卓有成效的工作。理论体系和实用技术体系，率先开发实际装置批量生产。技术原理，系统频率分析和稳定性，功率控制，不同补偿电路系统特性分析，能量和信号同步传导输送，系统稳定性等方面均取得了很好的技术研究成果。例如用于单轨车辆，有轨电车和轨道交通设备的电源，例如卡车电感耦合生物统计访问，植入式设备和用于电动车辆的感应耦合电源系统等。HaIOIPT于2010年11月在伦敦成立，通过感应技术成功完成电动车辆的充电。只需将电动接收器定位在电动车辆的底盘下。电动汽车进入电力变送器时，可以直接充电。2011年7月，HaIoIPT宣布与德雷赛车技术公司建立新的战略合作伙伴关系，旨在引领零排放电动汽车充电技术的发展。后来高通将所有HaIOTPT收购，高通作为这一领域的新领域，主要业务涉及高功率无线充电技术和相应产品的开发与开发。关于磁耦合谐振无线电力传导输送技术，如图1-4所示，2007年7月，由麻省理工学院（Mrr）的MarinSO1jaCiC教授领导的研究小组负责人在科学杂志上发表了一篇论文。据研究，一种新型的远距离无线传导输送模式，称为磁耦合谐振无线传导输送模式，两者具有相同频率的谐振电路互感互感强,线圈2米距离成功前后点亮60W灯壳，传导输送效率高达40%,目前1米距离内能量转换效率水平为90%o研究发现，该系统的电磁辐射低于国际安全标准，对人体健康无害。其辐射类似于高端核磁共振（NMR）,在安全区域。这一发现增加了电能的无线传导输送距离，从而将无线传导输送技术推向了一个新的阶段。2008年，英特尔公司基于磁耦合谐振技术的J.R.Smith研究表明，75%的系统效率超过60W的功率，后来增加了新功能，同时启用语音信息。2009年消费电子展在美国，在会议开始之前，以色列的Powermat公司展示了该公司的无线充电系统，其功率转换效率提高了93%,并为系统感知接收器增加了RFID功能。2009年10月，索尼开发了一种基于磁耦合谐振的技术，可用于无线传导输送距离扩展技术，该技术是在中继设备之后添加的，在80%传导输送效率的情况下，约为传导输送距离的1.7倍，特别是排放。接收时距离太远，效果更明显。在日本东京大学，进行了三维实验来研究非对称谐振器的相对位置与传导输送效率之间的关系。实验进行了。对kHz频段，MHz频段和GHz频段的理论分析和演示证明了传导输送效率。另一方面，东京大学采用阻抗匹配方法来提高整个系统的效率，并证明收音机能够在从kHz到GHz的频段内传导输送。2010年10月Witricity首次使用大功率电器进行无线传导输送，将其功率提高了几千瓦，为未来高功率无线电力传导输送设备的研究打开了大门。卡内基梅隆大学教授通过对研究多个接收机的无线电能量传导输送设备进行实验，分析了传导输送过程中的频率分裂现象。这说明国外无线电能量传导输送技术的基本设计原理和设计方法，团队磁场耦合机制的设计，功率，频率和效率的分析不断深入，许多新的方法并提出了新的概念。随着国家政策的倾斜和科学技术的不断进步，磁耦合共振无线传导输送技术的快速发展和展示了广阔的前景。在未来的几年里磁耦合的谐振无线传导输送技术中的主要研究方向是如下：(1)磁耦合谐振线圈可以进行无线电传导输送系统的优化设计：磁耦合谐振无线电传导输送系统是线圈中最重要的部分，其线圈的适用性和不适宜的质量直接关系到无线电传导输送系统的性能好坏。因此，系统效率可以通过使用新材料，提高的品质因数或线圈的耦合系数和设计新的线圈结构得到改善。(2)磁耦合谐振可以用无线电传导输送系统，根据不同的情况和需要优化结构设计，并通过继电器谐振线圈和发射机/接收机的结构设计，以及新材料的方法来增加传导输送距离，提高传导输送效率和功率，让它能在传导输送性能上进一步提升。(3)磁耦合谐振无线传导输送系统的电磁环境及其对生物体的影响：磁耦合谐振收音机内部可传导输送及其工作环境，存在各种电子器件，在大功率高频电磁场中，它们易感干涉。与传统的无需直接接触形式功率传导输送方式相比，磁耦合谐振式无线电可以传导输送很多对高频电磁场敏感的参数，等效负载，可以由系统的最佳传导输送频率漂移引起。国内外学者开展电磁环境对电磁兼容问题，影响传导输送性能，传导输送和安全性的相关研究，但大部分研究尚处于起步阶段，进一步探索磁耦合谐振可以高频电磁场无线电传导输送系统对人体健康和自然环境的影响是今后的研究方向。(4)动态频率跟踪技术：在磁耦合谐振无线电传导输送系统中，分频和频率漂移频繁发生。频率分裂现象是磁耦合谐振无线电传导输送系统中的发射器和接收器之间的耦合系数的现象。频率漂移现象是系统受外部干扰的干扰或温度干扰的现象。分频和频率漂移面临着巨大的问题制约了系统的控制策略，而且很难快速找到全频率的最佳传导输送频率，因为系统的最优工作点已经在同一时间，状态很难稳定。然而，操作频率的选择和调节对提高整体传导输送效率起着决定性的作用。为了有效解决磁耦合谐振无线电传导输送系统稳定性差的问题，探索实时频率跟踪技术是一个重要的研究项目。(5)均匀磁场技术：当向运动物体充电时，发射线圈和接收线圈会产生偏差，导致磁场变化，这会影响输出电压和输出电流的变化，系统的稳定性也会影响。当前的解决方案是在系统的接收端添加一个调节器，以稳定输出电压或电流，并且确保系统正常工作。一旦移动物体的速度太快，现有的调节方法难以满足实际要求，并且它是一个重要的探索均匀磁场的技术研究方向。2 .无线电能传输装置设计所运用到的原理2.1 常用磁性材料的特性(1)磁粉芯磁粉芯是一种由铁磁粉和绝缘介质组成的软磁材料。由于铁磁性颗粒非常小(0.5至5微米的高频)，它们被非磁性绝缘薄膜的材料分开。因此，一方面可以分离涡流并且材料适合于高频。另一方面，由于颗粒之间的间隙的影响，材料具有低导磁率和恒定的磁性。由于颗粒的尺寸小，皮肤收集的现象基本上不存在，并且磁导率和频率的变化是稳定的。主要用于高频电感。粉末磁芯的磁性主要是根据磁导率，粉末的尺寸和形状，填充系数，电介质，成型压力和热处理工艺的内容。有三种常见的粉芯：铁粉芯，Pomer。合金粉芯和硅铁粉芯。铁粉芯：普通铁粉芯由碳基铁磁粉和树脂碳基铁磁粉组成。核心价格最低。饱和磁感应强度约为1.4T;磁导率范围从10到100;初始渗透率mi随频率而变化;直流叠加性能好;但高频损失很高。坡莫合金粉芯：坡莫合金粉芯主要由铝坡缕石粉(MPP)和高通量芯(HighF