机电类创新训练项目开题报告(修)

南华大学机电类创新训练项目开题报告书项目名称___双谐振固态特斯拉线圈的制作和研究_____课题负责人冯永达学号20124400223联系电导老师唐如龙开题日期2014拟完成日期2015年4月30日所属学院电气工程学院南华大学教务处制第一部分开题报告项目名称双谐振固态特斯拉线圈的制作和研究项目研究内容和意义简介（摘要，限400字）本项目研究的双谐振固态特斯拉线圈以轻便的设备和较低的输入电压可以得到极高的高压输出，试想若是以传统的变压方式得到如此高的电压，那么磁芯的尺寸，磁芯是否会饱和，如何做到次级绝缘，如何散热等问题便会立即摆在眼前。现在特斯拉线圈被很多爱好者用来制作绚丽的人工闪电，其最重要的应用之一就是可以用来实现无线输电。无线输电是可实现供电体与用电体之间的非物理接触而进行能量传输的一种模式。技术不仅在实际生产生活中应用前景巨大，利用无线输电可减少电线的使用，从而降低生产成本，增加生产过程安全性，如减少电线使用一定程度上降低火灾发生几率。关键词特斯拉线圈；双谐振；DRSSTC；无线输电；人工闪电一、立论依据19世纪末被誉为“

迎来电力时代的天才”

的名尼古拉

·

特斯拉在电气与无线电技术方面作出了突出贡献

。他1891年发明高频变压器(

特斯拉线圈

)

，

现仍广泛用于无线电、

电视机及其他电子设备。

他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性

，

并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机

，但由于效率低和对安全方面的担忧

，

无线力传输的技术无突破性进展。1

9

0

l

—

1

9

0

5

年在纽约附近的长岛建造

Warden．clyfe

塔

，

是一座复杂的电磁振荡器

，设想它将能够把电力输到世界上任何一角落

，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。特斯拉有生之年没有财力实现这一主张。后人从理论上完全证实了这种方案的可行性，证明这种方案不仅可行，而且效率极高，对生态安全，并且不会干扰无线电通信。

若无线充电技术可实现，电池、电线等将逐渐被无线取代，这将大大缓解由电池、电线带来的环境、能源问题，如应用到医疗救援事业——心脏起搏器，病人无需为更换“心脏起搏器”而动手术，可直接进行无线输电；若生命探测机器人可进行无线充电，那么它就可长时间不间断进行搜救工作，使其工作效率大大提高。如应用在军事方面——间谍机器人可进行无线充电，无需担心供能问题，长时间持续工作便可实现。至于家庭应用方面，通过无线充电则可克服很多麻烦如手机充电线，电脑充电线等。总之，无线输电技术普及，将有益于提高人类的生活水平。特斯拉无线输电的发展现状：

国外对无线电能传输技术的研究较早，早在20世纪70年代中期就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20世纪90年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突破研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供破。

1995年1月，美国汽车工程协会根据Magne-chargeTM系统的设计，制订了在美国使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准———SAEJ.1773[4]。

通过对近年来国外无接触功率传输理论与实验的研究成果发现，目前无接触功率传输的研究绝大部分是近距离传输方面的研究，国外对带气隙的变压器模型的理论分析和应用设计已有不少成果，且有部分成果已经得到了实际应用，而对于远距离的无接触功率传输的研究，国外直到近几年才有相关实验成果的报道。如美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授及其团队在2006年用所谓的“电磁共振原理”成功将2.13m外的60W的灯泡点亮。2008年9月美国内华达州的雷电实验，日本也研究出远距离室成功的将800W电力无线传输到5m远的距离，提供30W功率的实验装置。国内研究现状

:国内在技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007年2月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术。二、研究方案1、主要研究目标与成果（研究目标；技术指标；预期成果）研究目标:本文在利用特斯拉线圈物理模型来分析其工作原理的基础上，利用电路分析知识以及器件的物理性质给出了特斯拉线圈製作时应当遵循的一些原则，并通过实验给予证明。技术指标：电弧长度:电弧长度L(单位:英寸);变压器功率P(单位瓦特);L=1.7*sqrt(P)（sqrt为开方）电容阵容量:变压器输出电压(交流)E(单位伏特);变压器输出电流I(单位

毫安);电容器阵列最大容量C(单位微法);交流频率F(单位赫兹)C=(10^6)/(6.2832*(E/I)*F)[电容的大小涉及到与变压器功率的一个匹配问题,当电容过大时在交流上升到顶点时(即sqrt(2)*V时,电容电压过低无法击穿打火器的空气隙则打火器无法启动就无法工作,整个系统也就无从启动]电容阵的计算.其他:震荡频率:F=1/(2*Pi*sqrt(L*C))预期成果：制作出一个特斯拉线圈实物。2、主要研究内容及创新性。包括以下内容：1）研究内容；2）创新性。（不足，可附加页）研究内容：固态特斯拉线圈的结构。固态特斯拉线圈由三个部分组成：功率电路、驱动电路、灭弧电路。如图一功率电路：红色表示高压蓝色低压黄色为中间压。通电时，由于开关管关闭没有其他地方能让电流通过，因此电流就只有给两个桥臂电容充电。如图二当开关管打开，大量的正电荷流向电容的负极，在电流的流动中经过了初级线圈。如图三当另外一个开关管打开时电流从相反的方向流过，因此平滑的直流电就变成了高频振荡的交流电。这种有两个开关管的我们叫它半桥，它的特点是只要两个开关管省钱，由于在充电时有两个电容串联，因此放电的电压只有输入电压的一半。图一：固态特斯拉线圈的结构图二图三驱动电路：驱动电路是DRSSTC的核心，他控制着整个DRSSTC的工作。如图四J1接24V10VA电源变压器，J2接信号反馈互感器，J4/8接灭弧信号，J6接过流保护互感器，J10接全桥板的GDT。RP1为过流保护阀值设定。J3的作用是用来使能和选择移相档位（移相功能是新版驱动器的亮点，他的作用是用于对电路延迟的相位补偿，因为电路都是有延迟的，所以导致反馈信号和最终输出的驱动信号之间存在相位差，以至于不能很好的软开关，为了解决这个问题我们就需要进行相位补偿，让驱动信号相位人工提前一些）。J5的作用是用来使能占空比限制功能：此板带有灭弧占空比限制功能，能将占空比限制在1:10，防止因意外导致的占空比突然增大而引起炸管，启用此功能需将J5的23脚短接。J7的作用是用来使能OCD部分：拔掉此跳线帽OCD功能被禁用。J9的作用是用来外挂悬浮驱动：此脚提供3A的驱动能力，可用来外挂悬浮驱动器，同时后级图腾和24V供电部分可免焊。因为大部分人不需要此功能，此引脚悬空即可。图四：驱动电路驱动板连接示意图。如图五驱动板外连接有电源、状态指示灯、中断信号输入、栅极驱动变压器（GDT）、过载保护互感器（OCDCT）和振荡反馈互感器（FBCT）。图五：驱动板连接示意图驱动板连接与安装。1、为了降低电磁干扰对驱动板的影响，强烈建议为驱动板搭配合适的非磁性金属外壳。2、准备一个10W左右220V转18-24V的变压器，将次级输出线绕成双绞线，并做好KF2510-2P插头（无压线工具时，可采用焊接方式做插头）并插到POWER座上，变压器要单独供电，不要和桥供电接到一起。3、将附带的机压KF2510带线簧片引线端焊接LED，另一端插入6P插头内，注意极性，然后插到板子上的6P插座上。4、将做好的振荡反馈互感器（过流保护互感器接法与此相同）的两根线绕成双绞线，然后破皮并使用压线工具压在附带的KF2510簧片上，没有压线工具可采用焊接的方式将线焊接在簧片上，做好簧片后插入到KF25102P插头里，然后插到驱动板的FBCT（过流保护互感器插到OCDCT）插座上。5、将做好的栅极驱动变压器的初级引出两根线并绕成双绞线，然后破皮并使用压线工具压在附带的KF2510簧片上，没有压线工具可采用焊接的方式将线焊接在簧片上，做好簧片后插入到KF25102P插头里，然后插到驱动板的GDT插座上。灭弧电路：灭弧电路主要由555芯片和运放组成。其中包括定频、灭弧、追频。如图六如图六：灭弧电路定频这是一张由555定时器芯片控制的定频SSTC电路图。如图七其中，NE555是频率源，即产生高频信号的芯片。它通过8、7脚上的电阻和6脚上的电容来控制输出频率。555定时器由3脚输出高频信号。在此电路图中，输出的信号经过3个晶体管的放大，输入到一个MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）的门极，经过放大，在初级线圈输出强度较高的高频电磁波，被次级线圈接收，由于LC振荡，在次级线圈中产生电流，从而产生电弧。制作定频SSTC，需要使芯片输出的频率和次级部分的LC振荡频率一致，才能谐振。所以，此电路图中，7脚上的电阻用一个定值电阻和一个电位器代替，可以比较方便地调节输出频率，从而谐振。图七灭弧音乐灭弧电路。如图八图八：音乐灭弧电路追频定频电路有它本身的缺点，于是追频电路诞生了。如图九图九：追频电路首先，对次级线圈发射一些能量，使它内部有高频交流电（LC振荡），然后会发射出电磁波。电磁波被天线接收（图中的Antenna），经过两个逻辑门成为正电压的信号，然后输入两枚功率放大芯片，再通过GDT（GateDriverTransformer，门驱动变压器）输入到一个半桥中，产生强度较高的电磁波，被次级线圈接收。此时次级线圈内再次有了能量，会以电磁波的形式发射出来，输入天线，于是就这样循环下去了。追频电路是由次级LC振荡回路直接采集频率信息，从而发射电磁波，于是可以达到完美的谐振。创新性：三、进度安排及考核节点（成果形式）起止时间主要研究内容成果形式经费安排2014.06.01-2014.7.31驱动电路设计实物500元2014.08.01-2014.09.30灭弧电路设计实物400元2014.10.01-2014.11.30功率电路的设计实物1500元2014.12.01-2015.01.31相关参数的计算得出可靠结果500元2015.02.01-2015.3.