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南京邮电大学毕业设计(论文)题目四线圈中距离无线能量传输系统分析专业通信工程学生姓名班级学号指导教师指导单位通信与信息工程学院日期2013年11月10日至2014年6月12日毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明所提交的毕业设计(论文),是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。论文作者签名日期年月日摘要中距离能量传输是一种基于磁耦合谐振原理的无线能量传输技术,由于它在工业、医疗、航天航空等方面存在巨大的应用潜力,所以成为了近些年来热门的研究方向。本文主要介绍四线圈中距离无线能量传输系统的概念、发展、组成部分和应用范围。建立了能量传输电路的电路模型,然后对谐振频率的测量方法进行了探究,并根据线圈的特点,对测量方法进行了改进,使测量结果更加接近实际情况。为了抑制传输效率随着传输距离的增大而降低较快,通过研究系统传输效率的影响因子,提出一种基于共振频率控制效率的自适应频率调谐技术的优化方法,补偿了因发射机和接收机之间距离方位的变化而导致效率变化的缺陷,从而实现系统传输效率的控制,使在一定的范围内能够以恒定的传输效率传送。关键词无线能量传输;磁耦合谐振;电路模型;自适应频率调谐;传输效率ABSTRACTMIDDLEDISTANCEENERGYTRANSMISSIONISBASEDONTHEPRINCIPLEOFRESONANTMAGNETICCOUPLINGWIRELESSENERGYTRANSMISSIONTECHNOLOGY,BECAUSEOFITSHUGEPOTENTIALFORAPPLICATIONSININDUSTRIAL,MEDICAL,AEROSPACEANDOTHERAREAS,INRECENTYEARSITHASBECOMEAPOPULARRESEARCHDIRECTIONTHISPAPERINTRODUCESTHECONCEPTOFFOURCOILMIDDLEDISTANCEWIRELESSENERGYTRANSMISSIONSYSTEM,DEVELOPMENT,COMPONENTSANDAPPLICATIONSCIRCUITMODELSOFENERGYTRANSFERCIRCUIT,ANDAMETHODFORMEASURINGTHERESONANTFREQUENCYFORTHEINQUIRY,ANDACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHECOIL,AMETHODOFIMPROVINGTHEMEASUREMENT,THEMEASUREMENTRESULTCLOSERTOTHEACTUALSITUATIONINORDERTOSUPPRESSTHETRANSMISSIONEFFICIENCYWITHINCREASINGTRANSMISSIONDISTANCEDECREASESRAPIDLY,THETRANSMISSIONEFFICIENCYOFTHESYSTEMBYSTUDYINGTHEFACTORSINFLUENCINGTHEPROPOSEDOPTIMIZATIONMETHODBASEDONTHERESONANCEFREQUENCYCONTROLEFFICIENCYOFADAPTIVEFREQUENCYTUNINGTECHNOLOGYCOMPENSATESFORTRANSMITTERANDRECEIVERDUECHANGEINTHEDISTANCEBETWEENTHEMACHINEDIRECTIONOFCHANGEINEFFICIENCYRESULTINGDEFECTS,TOACHIEVETHECONTROLOFTHESYSTEMTRANSMISSIONEFFICIENCY,SOTHATWITHINACERTAINRANGECANBETRANSMITTEDATACONSTANTTRANSMISSIONEFFICIENCYKEYWORDSWIRELESSENERGYTRANSFERMAGNETICALLYCOUPLEDRESONANTCIRCUITMODELADAPTIVEFREQUENCYTUNINGTRANSMISSIONEFFICIENCY目录第一章绪论111无线能量传输技术的概念112中距离无线能量传输技术的发展113国内外研究现状214本文主要研究内容3第二章无线能量传输系统的组成421无线能量传输系统的结构框图4211能量无线传输部分4212整流电路部分4213能量储存部分422近距离电磁耦合无线传输方式423远距离辐射无线传输方式624中距离磁耦合谐振无线传输方式725无线能量传输系统的应用方向8251医学中的应用8252无线传感器网络的应用8第三章四线圈无线能量传输系统分析1031四线圈无线能量传输电路的基本结构1032线圈高频参数分析10321电感10322电容11323电阻1133线圈谐振频率的测量方法11331串联谐振测量12332并联谐振测量12333实验中线圈谐振频率的测量1334四线圈系统性能影响因素13341电流的趋肤效应13342高频引起的辐射损耗1435四线圈系统的谐振原理1436四线圈磁谐振传输电路的电路分析1637四线圈系统和双线圈系统对比18371双线圈谐振系统19372四线圈谐振系统20373四线圈谐振系统和双线圈谐振系统比较2138四线圈系统自适应调谐技术22381自动频率调谐22382窄带操作的阻抗自适应技术23383MCU控制下的自适应技术2439系统模型论证及交叉耦合参数分析25391寄生交叉耦合的影响26392对测量数据提取耦合系数的模型27393对测量数据计算耦合参数的模型27310本章小结28第四章总结和展望29结束语30致谢31参考文献32附录34南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)1第一章绪论11无线能量传输技术的概念无线能量传输是指能量从能量源传输到电负载的一个过程,这个过程不是传统的用有线来完成,而是通过无线传输实现。现在已经问世的无线供电技术,根据其电能传输原理,大致上可以分为三类第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理,这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中,将两个线圈放置于邻近位置上,当电流在一个线圈中流动时,所产生的磁通量成为媒介,导致另一个线圈中也产生电动势。第二类是最接近实际应用的一种技术,它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。这和100年前的收音机原理基本相同直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用,但不使用放大电路等。同以前相比,这种技术的效率得到提高,并正在推动厂商将其投入实际应用。第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域应用广泛,但是在供电技术中应用的不是电磁波或者电流,而只是利用电场或者磁场。2006年11月,美国麻省理工学院MIT物理系助理教授MARINSOLJACIC的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。本文主要介绍对基于谐振的中距离无线能量传输的原理和技术。12中距离无线能量传输技术的发展自1831年法拉第发现电磁感应现象以来,电能主要是靠导线来传输,电气设备主要通过插头和插座等电连接器的接触来获得电能,这种传输方式会产生摩擦、磨损和裸露导体等现象,很容易产生接触火花,从而影响供电的安全性和稳定性。1888年,赫兹通过实验证明了电磁波可以在自由空间产生,并能在接收端被检测到,这是最早的无线能量传输实验。到十九世纪末,物理学家尼古拉正式提出无线能量传输的构想。1893年,尼古拉在芝加哥世界哥伦比亚展览会上展示了如何不用电线输送能量点亮灯泡。他还在纽约长岛修建一座名为瓦登克里夫的高塔,并以此来实现他对于无线输电的构想1。但是最终赞助人取消了资助,计划被迫放弃。1904年,一艘装有01马力发动机的飞艇通过无线传输能量方式实现了在300米高度的空中飞行2。1961年,BROWN首次发表了使用微波进行能量传输的文章,并在1964年演示了微波驱动的直升机模型如何通过接收24GHZ到25GHZ频段的微波来提供飞行所需要的动力3。1975年在美国加利福尼亚州戈德斯通GOLDSTONE实现了无线传输几十千瓦功率的实验4。世界首次在电离层的无线能量传输实验是南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)21983年在日本进行的MINIX火箭实验5。1987年,世界首次微波供能的无燃料飞机实验在加拿大进行,系统名为SHARP6。2003年NASA的德莱顿飞行研究中心展示了激光驱动的模型飞机7。2007年MIT的MARINSOLJACIC教授的小组实现了在2米的距离以无线能量传输的方式点亮了一个60W的灯泡,效率达到408。2008年INTEL复制了MIT的实验,通过无线方式驱动一个灯泡,在较短的距离实现了75的效率9。13国内外研究现状新西兰奥克兰大学电子与电气学研究中心的BOYS教授领导的研究团队从上世纪90年代开始对无线能量传输技术进行了系统的研究,并在有轨车辆、电动汽车等领域取得了突破性成果。美国通用汽车公司提出了在电动汽车上应用无线充电技术的设想,于1996年12月首次推出了利用无线能量传输技术充电的电动车概念车EV1。其子公司DELCOELECTRONICS研制的MAGNECHARGE是最先商业化的电动汽车非接触电能传输系统之一,专门用于EV1型电动汽车充电。日本从20世纪90年代初开始研究电动汽车的无接触充电技术。日本崇城大学主要研究将多个发射线圈埋在地面,接收线圈放置在汽车底部,线圈周围放置了多个位置传感线圈,该位置传感线圈可以检测车辆的位置,根据车辆位置来自动切换工作线圈对汽车充电。我国在这一领域的研究起步较晚,从本世纪初开始,国内研究工作者开始进行相关的研究。2001年,西安石油学院的李宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在矿井用感应电力机车上应用的可行性的文章。文章提出了开发井下感应电力机车的意义及关键技术,并提出了具体实施方案的设想。中国科学院电工研究所首次在国内研究了无线电能传输系统,对可分离变压器的耦合系数、各种补偿拓扑结构、系统运行频率和负载对系统性能的影响以及松耦合变压器初次绕组的几何形状、磁性材料及相对位置对变压器耦合能量的影响进行了深入的理论研究和实验,并针对该技术在磁悬浮列车无线供电中应用的可行性进行了分析。重庆大学孙跃教室及其课题组从2002年开始对非接触式电能传输技术的基础理论及工程应用进行研究,自主研发了三代样机系统,并申请或授权了多项专利。此外,浙江大学电气工程学院、中科电工研究所、西安交通大学电气学院、南京航空航天大学等科研机构在基础理论和相应的应用领域内也做了大量的工作。最近的几年,这项技术越来越受到关注,且应用领域越来越广,特别在医疗方面,有着巨大地应用价值,比如基于药囊内窥镜的无线功能系统的研究以及基于无线供能技术的定点施药系统的设计等等研究。总而言之,国内的关于无线能量传输技术的研究在进一步的深入,在研究领域方面也在进一步的扩大。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)314本文主要研究内容本文主要建立了能量传输电路的电路模型,然后对谐振频率的测量方法进行了探究,并根据线圈的特点,对测量方法进行了改进,使测量结果更加接近实际情况。为了抑制传输效率随着传输距离的增大而降低较快,通过研究系统传输效率的影响因子,提出一种基于共振频率控制效率的自适应频率调谐技术的优化方法,补偿了因发射机和接收机之间距离方位的变化而导致效率变化的缺陷,从而实现系统传输效率的控制,使在一定的范围内能够以恒定的传输效率传送。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)4第二章无线能量传输系统的组成21无线能量传输系统的结构框图无线能量系统有以下几部分组成,如图21。图21无线能量传输系统结构框图211能量无线传输部分无线能量传输系统的关键部分,包括发射设备和接收设备两部分。发射设备主要用于将交流信号转换为电磁场,接收设备主要用于将电磁场转换为交流信号。主要技术类型包括近距离电磁耦合传输方式,中距离磁谐振传输方式和远距离福射传输方式。212整流电路部分整流电路是无线能量传输系统中的常见部分,主要用于将高频交流信号转换为直流信号,甚至可以提升输出电压。通常使用高频整流二极管来实现。为了稳定电压输出还可以加入直流稳压芯片等。213能量储存部分无线能量传输系统的可选部分。对于非持续性供电系统,比如隔一段时间发射一次信号的传感器节点等,接收到的能量暂时不使用,可以存储在充电电池或大容量电容器等储能器件中,待需要使用时再从储能器件中释放能量。22近距离电磁耦合无线传输方式首先介绍变压器原理。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应信号源发射端接收端整流电路负载南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)5出电压(或电流)。变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。在发电机中,不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈,均能在线圈中感应电势,此两种情况,磁通的值均不变,但与线圈相交链的磁通数量却有变动,这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应,变换电压,电流和阻抗的器件。具体是当变压器一次侧施加交流电压U1,流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通,使一次绕组和二次绕组发生电磁联系,根据电磁感应原理,交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势,其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比,绕组匝数多的一侧电压高,绕组匝数少的一侧电压低,当变压器二次侧开路,即变压器空载时,一二次端电压与一二次绕组匝数成正比,即U1/U2N1/N2,但初级与次级频率保持一致,从而实现电压的变化。变压器原理图如图22。图22变压器原理图近距离电磁耦合无线传输方式是利用两个电感间的磁场耦合来进行能量的无线传输的,这和变压器的原理类似,也是常见的无线能量传输技术的一种。传输效率与电感间的耦合系数有关,即耦合系数越大,传输效率越高耦合系数越小,传输效率越低。而电感间的耦合系数主要两个线圈间的距离成正比,这就意味着电磁耦合无线传输方式只适合于近距离的能量传输,否则无法得到比较满意的传输效率。这种技术己经有了一定的应用,比如可充电的电动牙刷、用于手机等电子设备充电用的充电“平面”10等,甚至可以使用这种技术给汽车进行充电11。这种技术比较容易实现,即在设备底部与充电的平面内装入电感即可,充电平面的电感接入功率源就可以给设备进行无线近距离充电。虽然只有几厘米的工作距离,但如果使用恰当,也可以为人们的生活提供很大的便利。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)623远距离辐射无线传输方式远距离福射传输方式是使用天线将交流信号变成电磁波定向或全向地辖射出去,在远处使用天线接收辖射的电磁波并根据需要进行整流,从而实现能量的远距离传输,这和广播电台传输节目信号的原理类似。这种方法是无线能量传输最容易想到的方法。根据不同应用还可以将其划分成两个方向1发射天线使用高增益高方向性天线。主要用于定向大功率的远距离无线能量传输,在实现上也比较容易,设计时需要解决的主要问题包括高增益天线的设计、高频大功率源设计、高频大功率整流电路设计等。在射频和微波系统中已经有许多使用高增益天线进行上千米距离上大功率能量传输的例子,并且效率可以达到90以上12。这项技术也具有巨大的实用价值比如一些地形险峻的地方如峡谷需要铺设输电线路,采用有线输电的话,在施工时可能会遇到很大的困难而如果釆用无线输电的话,则可以大大减少物力财力的消耗。远距离福射无线传输方式最具有吸引力的应用之一就是可以为在平流层飞行的高空作业平台进行供电,在21千米的高空,飞行器所消耗的平均功率较小,主要由空气密度和气流决定。其供电方式是通过地面上的天线阵列发射微波能量束,由装在飞艇或飞机上的整流天线接收。这套系统的缺点就是需要一套复杂的跟踪校准设备来保证收发设备在复杂多变的环境中依然保持直线相对的状态,否则接收效率会严重降低,而发射的大部分能量会散失到空间中,散失的大功率电磁波能量很有可能对生物造成伤害,引起电磁波污染。另外,还要保证发射天线与接收天线间尽量没有障碍物,防止发生折射或者能量损耗。2发射天线使用低增益低方向性天线主要用于对一定区域内的设备供电,系统设计时需要解决的问题主要包括全向天线的设计、整流天线设计等等。这个系统的特点是能量密度低,一般来说只有微瓦每平方厘米的量级13,能量可以是由专用天线发射,这种信号一般为窄带或多频段低功率信号或是直接从环境中收集,这种信号一般为宽带信号。由于发射天线是全向的,因此发射器和接收器的位置可以灵活布置,但与此同时由于一般情况下福射信号的能量密度不高,因此通常需要一段时间才能收集够一次工作的电量。这个技术可以用于无线传感器网络节点的供电,比如病人的健康监控14、土木工程的监控15、飞行器状态监控16、森林矿井等危险地段监控等。对于无线传感器网络来说,其节点基本上会遍布一个区域,如果使用电池供电,一旦电池耗光,如何更换电池将成为一个大问题。如果采用人力更换电池,不但会耗费大量人力,而且在一些特殊地点会发生危险比如森林中。如果采用重新投放传感器节点的方法,则会消耗大量的财力,造成资源的浪费,甚至废弃的节点会对南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)7环境造成污染。而采用无线能量传输的方式给无线传感器节点进行供电的话,只需要在布置传感器节点区域的中心放置一个能量发射天线即可以解决一片区域的节点供电问题。由于这种能量传输模式是全向福射,能量密度的衰减和传播距离的平方成反比,能量密度下降很快,所以整流电路在设计时必须考虑到低输入信号时的效率问题,这样在整流电路中使用的二极管的损耗必须很低才行。24中距离磁耦合谐振无线传输方式中距离磁谐振无线传输方式通过利用系统中谐振线圈间的磁场共振来达到无线传输能量的目的。这种方式既可以使无线能量传输的距离达到米量级,又可以通过调整电路使系统的传输效率达到比较满意的效果。通过场共振方式来传递能量的现象在物理中很常见,但是首次将其用来传送电能却是MIT的MARINSOLJACIC教授的科研小组于2007年才实现的。图23磁谐振无线能量传输实验电路简图他们设计并制作了一个四线圈的无线能量传输系统,如图23。其中A是一个半径为25CM的单圈铜环,它连接着频率为99MHZ的功率源S和D都是面数为525圈、半径为30CM、总长度为20CM、线直径为3MM的铜线圈,分别代表着源线圈和设备线圈B是一圈连接着灯泡的电线。参数代表着线圈A与S之间的耦合,参数KD代表着线圈D与B之间的耦合,参数K代表着线圈S与D之间的耦合,线圈A与D,S与B,A与B之间的耦合可以忽略。信号源采用的是考毕兹振荡器,其中的电感部分是由A线圈提供。线圈A与源线圈S发生了磁耦合,然后给整个系统提供了能量输出。线圈B连接着灯泡并靠近设备线圈,与其发生磁耦合,将其能量消耗掉。通过测量线圈S和D中的电流和,从而得到线圈S和D消耗掉的功率PS和,总的效率为/。实验中,在负载为60W的灯泡,源线圈S与设备线圈D相距2米情况下,测得的效率为50左右。而且由于是磁共振传输,所以在线圈S与线圈D之间即使有障碍物也不会影响能量的传输,甚至在线圈S与线圈D之间加入增强磁场的人工电磁材料,还会在不改变工作距离的情况下提高效率17。这种技术现在甚至有产品投入市场,比如无尾电视等。但是这个系统如果想要有较高的无线传输效率,需要满足两点一是必须工作在特定的工作频率上,如果线圈的频率与信号源的不同,无线传输效率会大大下降。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)8此时可以在系统中加入反馈与校准系统,然后将反馈信号用于调整电容,以使线圏的谐振频率与信号源的一致。二是必须工作在特定的工作距离与方向上,如果接收器从优化的工作位置移远,那么系统的效率就会有所下降。这就要求线圈都工作在同心状态,且互相平行、工作距离不能太大。25无线能量传输系统的应用方向无线通信和半导体技术的巨大发展,促进了便携式消费电子设备、便携式医疗器械及便携式工业设备等的出现。然而这些移动设备一旦电力耗尽,必须由用户将其用电缆连接到插座中进行充电,这样就极大的限制了设备的移动性。而且随着科技的进步,移动设备不断小型化,可是与之配套的充电设备却没有明显的减小。无线能量传输技术成为了解决这个矛盾的热门技术,它可以实现移动设备的彻底“无尾”化即充电或持续性供电时不用电缆连接移动设备与电源,从而可以大大改善移动设备的用户体验。251医学中的应用近年来,新一代的植入性医疗电子设备逐渐成为全球医疗研发的热点,相比于传统便携式医疗电子设备,植入式医疗设备在外型或使用上更为灵巧、方便,能够实时监测健康状况,甚至能预知疾病。传统的便携式医疗电子设备主要分为家用便携医疗电子设备和医用便携医疗电子设备,前者包括电子血压计、电子血糖仪、电子助听器等后者包括便携式心电图仪、便携式多参数监护仪、便携式超声波检测仪等。而如今使用植入式医疗技术,只需将芯片植入体内,无论是监测各种健康数据,还是修复人体机能,植入式芯片更为方便,快捷,准确,而且可节约成本。电池寿命成为移植式芯片发展的重要障碍。植入式芯片系统设计必需根据不同的电池技术,釆取不同的替换或升级策略,比如一些给药型植入物每隔3年就需更换电池。如果将这些芯片的供电方式改成无线供电,或者其中的电池可以进行无线充电,这样可以大大的减轻病人因为需要反复更换电池而受到的痛苦。252无线传感器网络的应用无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域有军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)9由于无线传感器网络的物理基础,意味着系统中的各个传感器分布在一个区域中,而传感器与信号发射部分的供电成为了系统设计时的关键问题。使用无线供电技术可以很容易实现一个区域内的传感器节点供电,从而很好地解决整个系统的持续工作问题。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)10第三章四线圈无线能量传输系统分析本章从磁谐振无线能量传输电路的基本结构入手,通过介绍磁谐振的物理原理,提出了基于磁谐振四线圈无线传输电路的电路模型,通过理论计算,得到仿真结果,然后对实际电路进行测量,并与仿真结果进行对比。31四线圈无线能量传输电路的基本结构图31基于磁谐振的四线圈无线能量传输电路结构图图31展示了基于磁谐振的无线能量传输电路的基本结构,主要分为发射和接收两部分。其中发射部分包括了连接到功率源的驱动环和闭合的发射线圈,每个线圈上都并联,用于调整谐振频率的电容。当功率源作用于驱动环时,驱动环和发射线圈产生磁谐振,发射线圈成为一个LC储能容器,两个线圈可以看成是一个调谐过的升压变换器。同样地,接收线圈、负载环和前两个线圈的功能类似,接收线圈也是一个LC储能容器,接收线圈和负载环发生磁谐振,两个线圈可以看成是一个降压变换器。磁谐振现象主要发生在两个高Q值的LCR谐振线圈一一发射线圈和接收线圈之间。发射线圈与接收线圈间的互感M是两个线圈位置与距离的函数。为了直观地了解磁谐振系统为什么具有高传输效率,可以通过谐振系统的原理来研究。32线圈高频参数分析321电感空心螺旋线圈的电感可以通过下式18计算L028175式(31)式中,N是螺旋线圈的匝数;R是线圈的半径;A是线径,0为真空磁导率,04107/2。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)11对于一个半径为R,导线半径为A的单匝线圈,当满足A/R1时,其电感值可由下式求得L082式(32)322电容N匝空心螺旋线圈的分布电容为C1式(33)式中,为两匝线圈的电容,表达式为220020221式(34)式中,R是线圈半径;0是线圈的相邻两匝导线圆心之间的距离;A是导线半径;0是真空中的介电常数,08851012F/M。323电阻在高频条件下,线圈的电阻包括欧姆电阻和辐射电阻。欧姆损耗电阻为024022式(35)辐射损耗电阻为0212242332式(36)式中,C为光速,C3108M/S;为线圈导线的电导率;R为线圈半径;A为导线的半径;N为线圈的匝数;H为线圈长度;为线圈导线的总长度。一般,在谐振频率为150MHZ时,线圈的辐射损耗电阻远小于欧姆损耗电阻,因此,可以忽略辐射电阻,即R33线圈谐振频率的测量方法基于磁谐振稱合的无线能量传输系统的基本结构是由四个线圈构成的,而线圈的Q值与谐振频率直接影响到整个系统的能量传输效率与距离。所以对于四个线圈谐振频率的测量比较重要。基本的谐振电路存串联谐振电路和并联谐振电路两种,其基本的电路结构和谐振频率的测量方法也不同。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)12331串联谐振测量图32串联谐振电路的电路示意图串联谐振电路的电路结构如图32。图中电路的总阻抗ZRJL1电阻R两端电压和源电压的比值为。当1LC时,阻抗Z达到最小值R,此时电阻R两端电压达到最大值U。所以测量谐振频率的方法就是用示波器观察电阻R两端的电压,并调节信号源的频率,当R两端的电压达到最大值时信号源频率即线圈的谐振频率。需要特别注意的是,为了便于电压变化的观察,R的值不宜过大。332并联谐振测量图33并联谐振电路的电路示意图并联谐振电路的电路结构如图33。图中电路的总阻抗ZRJ/1C电阻R两端电压和源电压的比值为。当1LC时,阻抗Z达到最大值AX,此时电阻R两端电压达到最小值0。所以测量谐振频率的方法就是用示波器观察电阻R两端的电压,并调节信号源的频率,当R两端的电压达到最小值时信号源频率即线圈的谐振频率。需要特别注意的是,为了便于电压变化的观察,R的值不宜过小。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)13333实验中线圈谐振频率的测量根据线圈的物理结构,本文采用的并联谐振模型来测量线圈的谐振频率的。具体实验方法是在线圈两端并联电容C,形成一个LC谐振环。考虑到线圈中寄生电容的影响,改进后的电路图如图34。图34改进后的并联谐振电路示意图图中电路的总阻抗ZRJ/1C电阻R两端电压和源电压的比值为URURZ。当1LC时,阻抗Z达到最大值ZMAX,此时电阻R两端电压达到最小值UR0。通过以上分析可以知道,由于寄生电容的存在,不能简单的通过计算得到的电容直接并上线圈直接得到需要的频率,而是应该对计算得到的电容值进行微调。如果将计算得到电容值并入电路,得到的线圈的谐振频率会比预期的频率低。34四线圈系统性能影响因素341电流的趋肤效应当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。导线内部实际上电流变小,电流集中在导线外表的薄层。结果导线的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应。这种现象表现为在导体内部的电流密度要比在导体表面的电流密度小。当电流频率越高时这种现象就越明显,并且这种现象对导体的影响作用还与导体的截面形状相关。由于电流趋肤效应的存在,导体阻值随着电流频率的增大而增大,但电感却随着电流频率的增大而减小。另外,由于线圈中寄生电感、电容等的存在,将极大地损害电路性能,使传输效率降低。而一般WPT系统的工作频率都在10KHZ以上,理想情况下,不考虑系统自身的损耗,系统的传输效率会随着系统频率的增加而增加。但是由于趋肤效应以及系统损耗的存在,导致在高频状态南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)14下,当有一定负载存在时,系统效率随频率增加反而降低。同时,为了提高线圈品质因数,应尽量使线圈电阻较小,就要选用线径较粗的导线制作线圈,但是在高频下,粗导线线圈会存在一定的趋肤效应,高频电流的趋肤效应意味着导线的有效截面积减小,工作频率越高,线圈电阻也越大,而使导线的利用率降低。因此,在实际系统中趋肤效应将变得不可忽略,应对趋肤效应的产生机理及影响进行有效分析和深入研究,对于谐振频率的选取和系统性能的稳定是十分有益的。趋肤效应可用穿透深度D来表示19,即高频电流从导线表面穿透到中心的径向深度D2式(37)式中的2F为系统角频率,表示铜线的电导率,表示铜线的磁导率。可见,高频电流的穿透深度与频率的平方根成反比,随着频率的增加,穿透深度减小。342高频引起的辐射损耗根据近区场和远区场情况下电磁场性质的不同,将电磁场发生源产生的交变电磁场分为感应场也称近区场和辐射场也称远区场。感应场中的电磁场能量只在发生源周围空间及发生源之间周期性地来回流动,并不向外发射;而辐射场中的电磁场能量则脱离发生源,以电磁波的形式向外发射。这两种场区的划分并没有明确的规定,要视具体的研究场合而定。规定从电磁场场源出发,以三个电磁波长为界限,在此范围内的区域为感应场,此区域范围外的区域为辐射场20。磁耦合谐振式无线能量传输系统的理论基础为时变电磁场的耦合、谐振,强调其不向外辐射电磁能。但其工作频率范围0525MHZ正是处于时变电磁场与电磁波的交界处,向外辐射电磁波是不可避免的,从而引起系统损耗,使传输效率降低。交变电流通过导体所产生的损耗主要转化为热能的形式,一部分通过对流和辐射(或其他的形式)向周围消散,其功率的损耗可等效为一电阻的消耗,该等效电阻称为辐射电阻;一部分使导体的自身温度升高,导体电阻变大,该等效电阻称为欧姆电阻,也称损耗电阻,其阻值跟温度变化成正比。35四线圈系统的谐振原理图31展示了一个使用磁耦合谐振器的无线能量系统,发射天线包括一个单圈的驱动环和一个多螺旋的线圈。当射频放大器驱动环时,振荡产生的电磁场激起以同样方式储存能量的分立LC槽的发射线圈响应。另外一个角度看,这个双元素的发射器是作为一个调谐升压变压器,源级连接到初级(发射环)和次级(发南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)15射线圈)保持开路。虽然负载代替了发射源,和从接收线圈来看,系统作为一个降压变压器,但是接收端的功能是相似的。在两个线圈之间的作用力是关键的,每个线圈得是高Q值得LCR槽路谐振器。正如环和线圈磁耦合,发射和接受线圈之间存在互感,它由线圈的几何形状还有它们之间的距离有关。为了增加一些对磁耦合谐振器如何高效的反复传递能量的感性认识,回忆一下耦合振荡系统的性能参数是有用的。考虑下用一根弹簧连接两个钟摆的情况,磁耦合LCR槽路和它是相似的。在这个经典的物理例子中,两个钟摆将形成一个简单的系统,他可以振荡在两个模式,一个是比独立钟摆的基准频率更高,一个更低。并且两种模式的频率间隔还依赖于弹簧的硬度(线圈的耦合系数)。随着硬度的降低,频率间隔(被称为频率分割)也降低,直到两种模式聚集到一个钟摆的基准频率为止。这表明,当驱动耦合谐振器时,可能会有多于一种的模式或者调谐频率。这也就意味着系统的谐振频率将会随着耦合的功能而改变,并且在无线能量系统这种情况下,耦合依赖于接收和发送线圈之间的距离。另一个耦合振荡的重要性质是耦合量定义了能量传输的总量,而不是效率。对于成对的钟摆,弹簧的弹性系数决定了每个周期有多少能量从一个系统传输到另一个系统。弹簧越硬,每个周期就会有越多的能量传递;另一方面,效率完全由能量损失来决定,这是因为在一个钟摆中存在摩擦力或者等同于在线圈中存在寄生电阻。在一定范围这些损耗可能被忽略,能量将不传送到接收线圈而保持在发射线圈。因此,即使耦合很弱(限制了能量传输的效率),但是只要线圈有高Q值,效率仍然会很高。对于无线能量系统,这或多或少有点是违背我们直觉的结果,尤其当与远场全向天线的效率依赖于1/R2和电感耦合的依赖于1/R3相比较时,更会有这种感觉。最后,驱动机制和从耦合谐振系统中的提取工作增加了额外的限制。为了突出这一点,当正弦波以系统谐振频率之一驱动另一个钟摆时,钟摆的例子可以通过附加一个缓冲器去从一个大的质量中提取能量来改进。如果每个周期通过弹簧传递的能量的量不足以给一个缓冲器负载提供能量的话,钟摆振荡频率的量程将开始衰落。为了避免这种情况发生,可以调高弹簧的硬度,这样它就可以分给每个周期更多的能量,使系统重新回到平衡状态。这意味着对于每一个负载,他需要一个最小的耦合量来维持系统处于平衡状态。相类似,当用一个射频源驱动无线能量系统和在接收端使用一个负载电阻去从系统中做提取工作时,耦合量定义了每个周期能传递多少能量。也就是说一旦超出一定的距离(称为临界耦合点),系统不再能以最大的效率驱动一个给定的负载。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)1636四线圈磁谐振传输电路的电路分析图35等效电路结构图磁谐振耦合系统可以用集总元件LCR来表示,如图35。这个电路中包含了4个谐振电路,两两间的磁耦合系数分别为12,23,34。从最左边开始看,源线圈由内阻为SOURCE的信号源,寄生电阻为P1的线圈电感1,以及用于调谐线圈谐振频率的串联电容1组成。发射线圈由寄生电阻为2的线圈电感2,以及用于调谐线圈谐振频率的串联电容C2组成。电感L1和L2之间的互感系数为K12。接收端的两个线圈的等效电路结构域发射端的类似。发射线圈和接收线圈间的互感系数为K23。统的一个典型实现是将驱动环和发射线圈建立在一个简单的装置上,这样K12将是固定不变的。相似的,K34将也被固定。因此,K23是不受控制的值,他随着发射机和接收机之间的距离变化而变化。列出这个电路的KVL方程组1(SOURCEP1JW111)JW212S式(38)2(P2JW212)JW1123230式(39)3(P3JW313)JW4342230式(310)4(LOADP4JW414)JW3340式(311)由以上的KVL方程组可以解出如下结果312233423141223421234412342122123423223143423412式(312)其中,01式(313)南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)1711JW11式(314)22JW22式(315)33JW33式(316)44JW44式(317)根据上面方程的解,可以计算出电路的212122,表达式如下21212式(318)设定系统的工作频率为10MHZ,源线圈和负载线圈的参数一样,发射线圈和接收线圈的参数一样,发射线圈匝数是源线圈的4倍。由此给出了电路中各元件仿真取值,见表31。表31四线圈磁谐振无线传输电路各元件取值参数取值,501,410UH1,4235PF1,402512,340102,3200UH2,3126PF2,3102300001030010MHZ实际电路中通常源线圈发射线圈间的距离与接收线圈负载线圈间的距离是固定的,而发射端和接收端的距离是改变的,所以仿真时将12与34固定,而单独改变23的值。代入各元件数值,仿真频率为8MHZ到12MHZ,计算电压传输效率与23和仿真频率的曲线图如图36。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)18图3621与23和仿真频率关系由图可以得到,21是23和频率的函数。由虚线框可以把图划分为三个部分1图中虚线框内部分是过耦合状态,系统的谐振频率产生了劈裂,不再是单个线圈的谐振频率,而是出现了两个谐振峰,而且随着23变大即发射线圈接收线圈间的距离减小,劈裂程度也会随之加大。当系统所使用的工作参数在虚线框内时,如果继续选择单个线圈的谐振频率作为传输电路的工作频率的话,则无法达到系统最大的能量传输效率而如果选择这些劈裂后的频率作为传输电路的工作频率的话,能量传输传输效率依然可以达到一个比较高的值;2图中虚线框外部分是欠耦合状态,系统的谐振频率和单个线圈的谐振频率一样,随着23变小即发射线圈接收线圈间的距离增大,电压传输效率的峰值不断降低;3在过耦合状态和欠耦合状态交界的地方是临界耦合状态,此时系统的谐振频率既和单个线圈的谐振频率一样,21的峰值又可以达到最大。所以为了使系统的功率传输效率最高,设计系统时应该将其工作参数选在临界耦合状态或者过耦合状态。37四线圈系统和双线圈系统对比为什么选择四线圈的谐振结构来进行传输呢下面通过对双线圈谐振电路以及四线圈谐振电路的数学推导与电路仿真来分析这个问题。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)19371双线圈谐振系统双线圈谐振系统示意图及电路图如图37所示。图37双线圈谐振结构(左)及其等效电路(右)根据其电路图列出的KVL方程为1(SOURCEP1JW111)JW212S式(319)2(LOADP2JW212)JW1120式(320)解得W121212212212式(321)其中121212,01式(322)11JW11式(323)22JW22式(324)根据上面方程的解,可以计算出电路的212122,表达式如下21212式(325)为了和四线圈谐振电路结构的结果进行对比,双线圈仿真是采用和四线圈中源线圈和负载线圈一样的电容值、电感值和寄生电阻值,仿真取值如下表32。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)20表32四线圈磁谐振无线传输电路各元件取值参数取值,501,210UH1,2235PF1,202512010010MHZ仿真频率从1M到100M,传输效率和频率之间的曲线关系如图38所示。图38双线圈系统中传输效率21和频率的关系曲线由图可以看出,线圈必须很好的谐振在一个频率上才能得到高的传输效率,如果两个线圈频率不同,传输效率就会下降。372四线圈谐振系统根据36节可知,将K23取为常数,其他仿真数据和表31一样,得到的仿真结果如图39。012345678910X1070005010150202503035频率(MHZ)S21南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)21图39四线圈系统中传输效率21和频率的关系曲线由图中可知,在四个线圈相互间耦合系数较小(K1201,K3401,K2300138)时系统的传输效率S21可以达到0935,系统的传输效率已经很高了。系统的损耗主要发生在发射线圈和接收线圈上的寄生电阻上,所以实际中想要提高传输效率就要提高发射线圈和接收线圈的Q值。373四线圈谐振系统和双线圈谐振系统比较将以上两个传输系统的S21和工作频率的曲线画在一张图上,如图310。图310双线圈和四线圈传输效率21和频率的关系080850909511051111512X10700102030405060708091频率(MHZ)S2106081121416182X10700102030405060708091频率(MHZ)S21四线圈双线圈南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)22图中我们可以得到以下结论在同样弱耦合的情况下,双线圈谐振电路的21为0273,四线圈磁谐振电路的21可以达到0935,两个系统相比,四线圈比双线圈的传输效率高很多。这也是为什么选择四线圈谐振结构进行无线传输的原因。38四线圈系统自适应调谐技术对于一个好的无线能量系统,必要的组成部分是在不需要手动调谐的情况下,能够在复杂的距离和方位上实现自适应调谐的操作能力。381自动频率调谐当使用者在系统指定的范围(例如23CRITICAL)内移动接收器时,使用频率分割实现通过自动调节从而提供最大可能的效率是可能的。正如图31所示,引入在放大器和驱动环之间的方向耦合器,允许发射系统持续测量作为频率函数的入射和反射的能量。因为系统形成了一条传输线,没有被负载消耗的能量或者在寄生电阻上损失的会反射回到源端。图311距离和传输效率间的关系图311展示了在固定频率FO765MHZ情况和自动调谐频率情况下,距离变化引起传递效率变化的图形。接收机逐渐远离发射机,保持他们的轴在一条线上;源的内阻是50,负载电阻也是50。当频率调谐时,控制器采集调谐峰值的最大值,然后接收机远离发射机时跟踪最大采样值。图示短距离系统相对于固定频率情况效率高很多。随着距离增加,效率下降,直到临界耦合点为止,此时两种模式合并,系统返回到弱耦合状态。南京邮电大学2014届本科生毕业设计(论文)23图312效率和角度的关系图313模型前视图系统的关键原则之一是频率分割是线圈之间耦合系数的函数。在前面的分析中,我们展示了怎样耦合,因此怎样能量传递,沿着传递轴线距离函数的怎么不同。耦合也将因方向不同而不同。只要接收机离发射机足够近,两个线圈之间任何方向任何位置都将造成同样的互感。如果互感导致足够耦合(K23KCRITICAL),自适应调谐可以被用来找到导致最大可能的传递效率的频率。为了验证方位的无关性,图312展示了一副接收机相位从0到90和能量传输效率的函数图形,在这里频率固定并且自动调谐操作,接收机单元放置在距离轴线50CM的位置。图313展示了该模型前视图。随着接收线圈转动,通过开路线圈的磁通量降低。因此,固定频率情况验证了前面例子从过耦合到临界耦合最后到弱耦合同样的变化趋势。当把频率调谐用进去,在接收机转动超过65前,可取得近似恒定效率。382窄带操作的阻抗自适应技术由于控制的原因,对无线能量系统在一个窄带的使用功能可能比目前描述的频率系统更加合适。例如,人们可能希望无线能量系统保持在工业、科学和医疗领域。这部分描述的窄带无线能量传输

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