【導(dǎo)讀】來能源短缺問題有著重要的意義。源領(lǐng)域一場變革。本課題主要基于磁耦合諧振的最新無線電能傳輸技術(shù)的基本特性研究，包括頻率特性、距離特性、方向特性等。究，掌握其傳輸?shù)囊?guī)律，力圖使電能具有較大的傳輸容量和較遠的傳輸距離。為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供支撐。有線電能傳輸由于存在諸如產(chǎn)生接觸火花，影響供電的安全性和可靠性，甚至引起爆炸，范圍內(nèi)點亮一個60W的燈泡。能量傳輸技術(shù)迅速發(fā)展起來，并在無線能量傳輸領(lǐng)域引起巨大的反響。水下作業(yè)、電器、醫(yī)療器械等領(lǐng)域打下堅實基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義。實驗測試與證明，并獲取數(shù)據(jù)。完成課題的現(xiàn)有條件磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的實驗裝備。論文論點正確，論點與論據(jù)協(xié)調(diào)一致，論據(jù)充分支持論點，目前，磁耦合諧振式無線電能傳輸距離為幾十厘米，傳輸效率可以達到90%，通過對磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)幕咎匦缘纳钊胙?。實驗結(jié)果與理論分析具有較好的一致性，證明了設(shè)計方案的有效性。

　　

【正文】 耦 合強 耦 合欠 耦 合10 . 80 . 60 . 40 . 250 5 1 0 01234501 0歸一化電壓α失諧因子ξ 耦合因數(shù)η頻 率分 裂現(xiàn) 象 圖 34 歸一化電壓頻率響應(yīng)曲線 由 上圖 34 所示 的 歸一化電壓 α與失諧因子 ξ和耦合因數(shù) η的關(guān)系可知： 在 η=1（臨界耦合）處，系統(tǒng)工作在諧振點時，負載接收到的電壓為最大值；在 η＞ 1（過耦合）處，雖然存在頻率分裂現(xiàn)象，但是不管在哪個諧振頻率點（可以利用頻率跟蹤技術(shù)實現(xiàn)），負載仍能接收到電壓最大值；在 η＜ 1（欠耦合）處，隨著耦合系數(shù)的減小負載所能接收到的電壓急劇下降。這個結(jié)論與在傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)中隨著耦合系數(shù)的減小效率也減小的結(jié)論大有不同，因此對于進一步研究無線電能傳輸意義重大。 在頻率特性的基礎(chǔ)上展開深入的研究進一步分析距離特性和方向特性 。 距離特性的研究 在磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中，如果所有參數(shù)都相同，發(fā)射與接收線圈的方向也不變，距離是影響傳能效率的關(guān)鍵因素，通過改變距離來維持接收電壓最大值保持不變的范圍稱為無線電能傳輸?shù)挠行Х秶?，而距離增大接收電壓達到最大值后大幅下降的臨界點的距離即為有效傳輸距離。 根據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)脑?，系統(tǒng)的諧振頻率是影響傳輸距離最直接的因素，諧振頻率越高，電流的變化率就越大，發(fā)射的磁場強度就越強，傳輸距離相應(yīng)的就越遠。本文主要研究距離的變化對整個系統(tǒng)電能傳輸?shù)男实挠绊懀疤崾瞧渌麉?shù)保 持不變，從而得出磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的距離特性。 本文將分別從軸向距離和徑向距離這兩個方向?qū)嚯x特性進行研究。 軸向距離特性的研究 天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 軸向距離是指發(fā)射線圈與接收線圈放在同一軸線上時，兩線圈之間的距離，如圖 35所示。目前，國內(nèi)外對于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)距離方面的研究主要集中在發(fā)射與接收線圈的直徑、匝數(shù)以及線的直徑大小對傳輸效率和傳輸距離之間的關(guān)系的影響 [29]、通過仿真和實驗得到不同的發(fā)射頻率對有效距離和傳輸效率關(guān)系的影響 [30]及 對增強線圈可提高有效傳輸距離的理論分析與結(jié)果 [31]。 本文將基于以上已研究出的理論與成果對系統(tǒng)的軸向距離利用分析 小節(jié)中的頻率特性的方法進行進一步的研究。 激勵線圈發(fā)射線圈接收線圈負載線圈 中 心 線軸 向 距 離 圖 35 發(fā)射與接收線圈之間的軸向距離示意圖 在磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的各個參數(shù)保持不變的情況下，如果發(fā)射與接收線圈同軸放置并且方向一定，同時信號源的輸出頻率為線圈的固有諧振頻率，有小到大慢慢的拉開兩線圈之間的距離，可以得到負載端的接收電壓先是由小變大，達到最大值后又慢慢的減下來，這個過程中接受電壓最大 值的那個點就是軸向距離的臨界耦合點。采用頻率跟蹤技術(shù)使信號源的輸出頻率自適應(yīng)的跟蹤軸向距離的變化而發(fā)生變化，同時保證負載端的接收電壓維持著最大值不變，可以看到在一定范圍內(nèi)軸向距離的變化并不能改變接收電壓的最大值。 接下來本文將以漆包線繞制的線圈為對象來分析軸向距離特性。 磁耦合諧振式無線電能傳輸距離與線圈互感之間的關(guān)系 [32]可用下式表示（前提準靜態(tài)約束 r≤ D≤λ）： 32210 .52102112 2 )()n(nMMM D rr????? (310) 上式中， n n2分別是發(fā)射線圈 1 與接收線圈 2 的匝數(shù)， r r2分別是發(fā)射線圈 1 與接收線圈 2 的半徑大小， D 則是兩線圈之間的軸向距離。由于線圈各個參數(shù)相同，就有 n1=n2=n,r1=r2=r,簡化式 310 得到： 3402M Dnr??? （ 311） 線圈的 總 電阻包括由于趨膚效應(yīng)等原因而產(chǎn)生的損耗電阻 R0 和輻射電阻Rr。對于本文中的傳輸系統(tǒng)，由于諧振頻率較小，導(dǎo)致輻射電阻較?。?Rr≤ R0），天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 因而可以忽略輻射損耗部分，那么線圈總 的損耗電阻 [33]： anral ???? ??????? 222R 000 （ 312） 上式 （ 312） 中， ω是角頻率， σ是電導(dǎo)率， l 是繞成線圈的漆包線的周長，ɑ是漆包線的直徑大小。 將式 （ 311）、（ 312） 中代入臨界耦合因數(shù)值 η=ωM/R=1，有效傳輸距離 D可由這兩式推導(dǎo)得出式 （ 313）如下： ra ??? 6 03 21D ???? （ 313） 有效傳輸 距離與線圈半徑 r、線的直徑 ɑ、角頻率 ω以及 電導(dǎo)率 σ等參數(shù)有關(guān)。 徑向距離的研究 線圈處于同一水平軸線上，同時距離保持不變，改變兩者之間在直徑方向上的距離就是徑向距離，如下圖 36 所示。 兩線圈在徑向上發(fā)生距離變化時，隨著距離的增大，耦合系數(shù) M 逐漸減小，所以徑向距離特性跟軸向距離特性相差無幾。 分析如下 :同樣保持系統(tǒng)各個參數(shù)不變，信號源的輸出頻率仍設(shè)置為線圈的固有諧振頻率，將兩線圈的徑向距離由小逐漸增大，觀察負載端的接收電壓大小變化規(guī)律，可以知道接收電壓先是由小增大，直到最大值后也就是經(jīng)過臨界耦合點 后，電壓又慢慢的降下去了。在該過程中如果采用頻率跟蹤技術(shù)使得信號源的輸出頻率自適應(yīng)跟蹤徑向距離的變化而變化，以維持負載端接收電壓一直為最大值，可以得到在一定范圍內(nèi)，徑向距離的改變并不能引起接收電壓值的變化。徑向距離變化但接收電壓不變的范圍就是系統(tǒng)有效徑向傳輸范圍，而把接收電壓達到峰值的那個距離叫有效徑向傳輸距離。 軸 向 距 離激勵線圈發(fā)射線圈接收線圈負載線圈徑向距離接 收 端 中 心 線發(fā) 射 端 中 心 線 圖 36 發(fā)射與接收線圈之間的徑向距離示意圖 天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 方向特性的研究 至今為止，國內(nèi)外關(guān)于磁耦合諧振式無線 電能傳輸系統(tǒng)在方向性方面的研究已經(jīng)得出幾乎算是“無方向性”的結(jié)論。但只限于理論水平，實際推理以及實驗數(shù)據(jù)都未給出，本文將對系統(tǒng)的方向性進行深入的研究和實驗。 由 小節(jié)的結(jié)論可知，線圈半徑 r、線的直徑 a、角頻率 ω以及電導(dǎo)率 σ等參數(shù)是影響電能傳輸有效距離的關(guān)鍵因素。本小節(jié)將在線圈固有諧振頻率、材料以及電阻等參數(shù)一定的情況下，研究方向的變化對傳能的影響，這就是方向特性。 一般情況下，接收線圈的平面總是與產(chǎn)生的交變磁場方向保持垂直，因而與發(fā)射線圈的耦合系數(shù)始終最大。但是，當接收線圈發(fā)射旋轉(zhuǎn)時，與磁場的方向不再垂直，兩者角度發(fā)生變化，示意圖如下 37。此時，接收線圈中產(chǎn)生的電壓相應(yīng)的也發(fā)生變化。 激勵線圈發(fā)射線圈接收線圈負載線圈 中 心 線偏 移 角 度 а水 平 距 離 圖 37 發(fā)射與接收線圈之間的方向夾角示意圖 用三維坐標的方式來進行分析，假設(shè)接收線圈 2 的圓心坐標為 O2(0,0,0),發(fā)射線圈 1 圓心坐標為 O1(0,y,z),則線圈 2 平面的夾角為 а時兩者之間的互感 [34]為： ????????? ? ? ddR inrrnn ? ? ?? 2020 1221210 )c o ss i nsc o s( c o s4M (314) 上式中，2122122112 )s i ns i n()s i nc o ss i n()c o src o s(rR hrrtr ?????? ??????? （ 315） 由式 （ 314）、（ 315） 可知，空間兩線圈的互感隨著角度 а的增大而不斷變小，直到垂直時為 0。 由此可得：發(fā)射與接收線圈平面在空間發(fā)生旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生夾角時，互感也隨著變化，不過互感的改變不一定會影響負載端接收電壓的最大值。只要保持耦合因數(shù)η=ωM/R≥1，即系統(tǒng)處于強耦合狀態(tài)，電能也能有效傳輸，此時，即使兩線圈之間的夾角在變化，系統(tǒng)可無方向性的傳能，但出于欠耦合即 η=ωM/R1狀態(tài)時 ,天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 系統(tǒng) 是有方向性的，也就是說在此狀態(tài)下時，系統(tǒng)傳能效率跟兩線圈平面所放方向有關(guān)。 本章小結(jié) 本章利用互感原理系統(tǒng)性的分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)幕咎匦裕侯l率特性、距離特性以及方向特性。 首先建立電磁發(fā)射與接收線圈系統(tǒng)的等效電路模型以及簡化電路，以簡化電路為基礎(chǔ)根據(jù)基爾霍夫電壓定律 （ KVL） 建立電壓、電流的方程組，接出方程得到負載端接收電壓的歸一化表達式和頻率特性。由頻率特性可以得到接收電壓和頻率以及耦合因數(shù)的關(guān)系，并得出系統(tǒng)的三種耦合狀態(tài)（過耦合、臨界耦合、欠耦合）以及頻率分裂現(xiàn)象。 然后利用系統(tǒng)處于 過耦合與臨界耦合狀態(tài)時的有效傳輸距離進一步達到系統(tǒng)的距離特性以及方向特性，即只要距離和方向的變化程度并不打破系統(tǒng)的過耦合狀態(tài)，則負載端接收電壓的最大值就有可能保持不變。 天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 第四章 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)總體框架設(shè)計 如圖 41 為本次實驗所用磁耦合諧振式 無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖 41 諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 上圖裝置由信號源、功率放大模塊、電磁發(fā)射系統(tǒng)、電磁接收系統(tǒng)、整流調(diào)壓系統(tǒng)和負載組成，其中電磁發(fā)射系統(tǒng)與電磁接收系統(tǒng) 具有相同的諧振頻率，并且電磁發(fā)射系統(tǒng)與電磁發(fā)射系統(tǒng)同軸放置。 首先調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的驅(qū)動信號頻率傳輸給寬帶線性功放模塊即功率放大器，功率放大器將功率放大激勵電磁發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生交變磁場。 其次，發(fā)射線圈磁場接收線圈磁場，引起接收系統(tǒng)諧振，由于兩者諧振頻率相同，從而產(chǎn)生共振，傳輸過來的電能經(jīng)過整流調(diào)壓變換后再傳輸給負載，實現(xiàn)無線傳能。 信號源的設(shè)計 裝置中采用了基于 MAX038的函數(shù)信號發(fā)生器， MAX038是美國馬克西姆公司開發(fā)的新一代函數(shù)信號發(fā)生器。 MAX038設(shè)計的簡易信號發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)簡單，雖然功能及性 能指標趕不上標準信號發(fā)生器，但滿足一般的實驗要求是不成問題的。 MAX038引腳圖以及引腳功能說明如下： 圖 42 MAX038引腳圖 功 率 放 大 器電 磁發(fā) 射 系 統(tǒng) 電 磁接 收 系 統(tǒng) 信 號 源負 載 電 磁 諧 振 耦 合整 流 調(diào) 壓天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 表 41 MAX038引腳功能圖 MAX038具有以下 性能特點：能精密地產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩 形波（含方波）、正弦波信號 。頻率范圍從 ～ 20MHz，最高可達 40MHz，各種波形的輸出幅度均為 2V（ P－ P） ； 占空比調(diào)節(jié)范圍寬，占空比和頻率均可單獨調(diào)節(jié)，二者互不影響，占空比最大調(diào)節(jié)范圍是 15％～ 85％ ； 波形失真小，正弦波失真度小于％ ，占空比調(diào)節(jié)時非線性度低于 2％ ； 采用 177。5V雙電源供電，允許有 5％ 變化范圍，電源電流為 80mA，典型功耗 400mW，工作溫度范圍為 0～ 70℃ ； 內(nèi)設(shè) 電壓基準，可利用該電壓設(shè)定 FADJ、 DADJ的電壓值，實現(xiàn)頻率微調(diào)和占空比調(diào)節(jié)；低阻抗定壓輸出，輸出電阻典型 值 ，具有輸出過載 /短路保護；內(nèi)部功能齊全，外圍電路簡單，使用方便等等。 本文設(shè)計的磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗平臺中，信號發(fā)生器輸出的頻率范圍是 ～ 28MHZ，滿足了實驗要求。實驗電路圖如圖 42所示。 圖中MAX038對于信號波形的選擇可按下表進行選擇： REF 基準電源 1 1GND 接地 (5個地內(nèi)部不相連，需外部連接 ) A0 波形選擇輸入，兼容 TTL/COMS電平 A1 波形選擇輸入，兼容 TTL/COMS電平 COSC 主振器外接電容接入端 DADJ 脈沖波占空比調(diào)節(jié)輸入 FADJ 振蕩頻率調(diào)節(jié) (電 壓輸入 ) IIN 振蕩頻率參考電流輸入 1 PDO 相位檢測器輸出，如果不使用相位檢測器則接地 1 PDI 相位檢測器同步信號輸入，如果不用相位檢測器則接地 1 SYNC TTL/COMS電平輸出，用于同步外部電路，不用則懸空 1 DGND 數(shù)字接地，在 SYNC不用時開路 1 DV+ 數(shù)字電路 +5V電源輸入端，如果不用 SYNC可懸空 1 V+ 電源 +5V輸入端 1 OUT 信號輸出端 V 輸入端 天津工業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 R E F1G N