【正文】 5）本研究采用的是15V不變的穩(wěn)壓直流電源供電，而實(shí)際上傳輸距離及傳輸效率與電源電壓大小有密切關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。因此，日后可嘗試其他方式的硬件設(shè)計(jì)，如全橋發(fā)射電路等。 4）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表的分析，提出一些優(yōu)化此裝置的方法。主要研究結(jié)論與成果如下所示： 1）首先概述了無線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀以及發(fā)展前景。其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，照明、太陽能電站以及航空航天系統(tǒng)等都將成為無線電能傳輸?shù)男骂I(lǐng)域[21]。4）增大電容可以增加系統(tǒng)的諧振能量，從而增加電能的傳輸距離，也可以使傳輸效率變高。2）在保持一定諧振頻率的情況下，大直徑線圈能傳輸較遠(yuǎn)的距離，能傳輸較大的能量。 本章小結(jié)本章通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，研究了發(fā)射及接收線圈參數(shù)相同時(shí)，傳輸距離與線圈匝數(shù)、線圈直徑、線圈線徑徑、電容大小之間的關(guān)系，以及傳輸效率與以上參數(shù)的關(guān)系。 線圈線徑對(duì)傳輸效率的影響線圈的線徑太小，會(huì)使線圈的電阻損耗增大，同時(shí)會(huì)使線圈的電感L變大，從而降低諧振頻率。由此可知增大電容會(huì)使系統(tǒng)的諧振頻率變大，使傳輸效率變高。除了電容參數(shù)不同，其他參數(shù)都相同。負(fù)載接50Ω的電阻，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表49：表49 不同線圈匝數(shù)效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線圈1傳輸距離（cm）輸入電壓（V）輸入電流（A）輸出電壓（V）輸出電流（A）傳輸效率（%）1015151520152515線圈2傳輸距離（cm）輸入電壓（V）輸入電流（A）輸出電壓（V）輸出電流（A）傳輸效率（%）1015151520152515線圈3傳輸距離（cm）輸入電壓（V）輸入電流（A）輸出電壓（V）輸出電流（A）傳輸效率（%）1015151520152515由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，傳輸效率隨著傳輸距離的增大下降的很快。M為線圈的耦合系數(shù)， [20] （44）D為傳輸距離，其他參數(shù)含義同式42。 傳輸效率特性實(shí)驗(yàn)傳輸效率的大小主要取決于線圈中損耗的能量以及傳輸?shù)截?fù)載的能量。由此可見，諧振頻率的大小并不能完全決定傳輸距離的大小，只能說明諧振頻率越高，傳輸距離特性曲線的衰減較為緩慢，但如果諧振的能量很小，傳輸距離也不會(huì)很遠(yuǎn)。 表47 線圈及電容參數(shù)線圈編號(hào)線圈線徑（mm）線圈直徑（cm）線圈匝數(shù)電感（μH）諧振電容（nF）諧振頻率（kHz）1403100240333073340333232當(dāng)負(fù)載接100歐姆的電阻，分別測量三組線圈在不同傳輸距離的接收端電壓，數(shù)據(jù)如下表48。這個(gè)數(shù)據(jù)再次證明了大線徑線圈能傳輸較遠(yuǎn)的距離。表46 不同線圈半徑距離特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線圈1線圈2線圈3傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V111333555101010151515根據(jù)以上數(shù)據(jù)，畫出曲線如圖46。 圖45 不同線圈直徑距離特性曲線 線圈線徑對(duì)傳輸距離的影響線圈的繞線電阻與線徑有直接關(guān)系，線徑越大，導(dǎo)線越粗，線圈的電阻就越小，相同情況下，諧振產(chǎn)生時(shí)流過線圈的電流也就越大，轉(zhuǎn)換的磁場能量也就越大，傳輸距離也就越遠(yuǎn)。從曲線上可以看出，當(dāng)諧振頻率近似相等的時(shí)候，傳輸距離相同的情況下，直徑大的線圈傳輸?shù)哪芰枯^大，且傳輸距離特性曲線變化較為緩慢。 線圈直徑對(duì)傳輸距離的影響線圈直徑也是影響傳輸距離的重要因素，從理論上分析，產(chǎn)生的磁場作用的范圍會(huì)隨著線圈直徑變大而變大，相應(yīng)的，能量傳輸?shù)木嚯x也會(huì)變遠(yuǎn)，本實(shí)驗(yàn)選用三組不同直徑的線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖44 不同線圈匝數(shù)距離特性曲線當(dāng)接收端負(fù)載接2只串聯(lián)LED燈（白色、1W），在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈。由曲線可以看出，三條曲線的變化趨勢大致相同，隨著傳輸距離的變大，接收端電壓先變大后變小。所以線圈匝數(shù)會(huì)大大影響參數(shù)L，從而影響傳輸距離?？梢钥吹街C振時(shí)線圈兩端是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。可以看到左側(cè)的小燈泡發(fā)出了耀眼的光。因此，本研究采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，分別研究發(fā)射及接收線圈參數(shù)相同時(shí)，傳輸距離與線圈匝數(shù)、線圈直徑、線圈線徑、電容大小之間的關(guān)系，以及傳輸效率與以上參數(shù)的關(guān)系。諧振頻率是非常重要的一個(gè)指標(biāo)。 本章小結(jié) 本章先闡述了磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，接著比較詳細(xì)的介紹了磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要有驅(qū)動(dòng)電路、接收整流電路、輔助電源電路、單片機(jī)控制回路。并通過液晶屏顯示當(dāng)前的工作頻率、輸入電流PWM波占空比等。輸入5V電壓，通過AMS1117芯片。右側(cè)連一個(gè)濾波電容后與負(fù)載相連，中間的開關(guān)可以切換用來選擇電阻和LED燈。它具有正向?qū)妷旱停ǎ箅娏鞒惺苣芰Φ忍攸c(diǎn)，最重要的是它有很高的開關(guān)速度，可以滿足此裝置的高頻要求。功率場效應(yīng)晶體管（power MOSFET）具有開關(guān)速度快、低導(dǎo)通阻抗、驅(qū)動(dòng)圖36 驅(qū)動(dòng)電路原理圖電路簡單和和所需驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，故選此作為開關(guān)管。該芯片輸出電流較大，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中分別采用了圓餅圓餅型、螺旋圓餅型、螺旋螺旋型三種不同線圈形式。 線圈設(shè)計(jì)在無線電能傳輸裝置中，線圈是一個(gè)非常重要的部分。所以該系統(tǒng)采用橋式全波整流。 整流接收模塊方案一：單向半波整流電路，半波整流是一種利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詠磉M(jìn)行整流的常見電路，除去半周、下半周的整流方法。圖34 發(fā)射電路原理圖電路中，加在開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為互補(bǔ)的方波，為防止兩管同時(shí)導(dǎo)通，兩方波之間加有死區(qū)時(shí)間。而且輸出功率也不會(huì)太低。圖33 D類串聯(lián)諧振電路原理圖 T1和T2為兩個(gè)參數(shù)相同的開關(guān)管，L和C為輸出端的串聯(lián)諧振回路。T1 和T4開關(guān)管由一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖控制，T2和T3開關(guān)管由另一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖來控制。圖31 系統(tǒng)整體框圖 發(fā)射模塊發(fā)射模塊主要功能是將輸入的直流電流進(jìn)行逆變，成為高頻交流電，再通過LC諧振將電能發(fā)射出去。怎樣選取諧振振頻率，使系統(tǒng)的傳輸能效達(dá)到最大，是磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)下一步需要解決的問題第3章 磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì) 傳輸裝置方案整體設(shè)計(jì) 整體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)由發(fā)射裝置電路、接收裝置電路、單片機(jī)控制部分、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路和整流電路組成，如圖31所示。且感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與穿過磁通量的變化率成正比。調(diào)整或改變他們的相互位置，可以改變耦合因數(shù)的大小；當(dāng)L1和L2一定，也就相應(yīng)改變了互感M的大小。能量傳輸?shù)男屎蛡鬏數(shù)木嚯x主要取決于耦合的效率。能量接收端有兩個(gè)線圈，分別是接收線圈和負(fù)載線圈。該系統(tǒng)主要是由能量發(fā)射端及能量接收端組成。第四章通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，研究了發(fā)射及接收線圈參數(shù)相同時(shí)，傳輸距離與線圈匝數(shù)、線圈直徑、線圈線徑徑、電容大小之間的關(guān)系，以及傳輸效率與以上參數(shù)的關(guān)系。 本文主要研究內(nèi)容本文介紹了重點(diǎn)研究的是無線電能傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)姆桨?，并?duì)它的優(yōu)化改進(jìn)做了詳細(xì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究。2009年四川大學(xué)使用平面天線和接收整流陣列，實(shí)現(xiàn)200m的長距離無線電能輸送實(shí)驗(yàn)[12]。2001年，西安石油學(xué)院的李宏發(fā)表了第一篇關(guān)于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)在感應(yīng)電機(jī)機(jī)車上應(yīng)用的可行性的文章。無線能量傳輸技術(shù)在國內(nèi)的起步較晚。2009年，TI和Fulton（eCoupled技術(shù)）公司合作開發(fā)用于控制非接觸式充電的電源芯片。1975年，在美國宇航員的支持下，開始了無線電能傳輸?shù)孛鎸?shí)驗(yàn)的5a計(jì)劃。20世紀(jì)60年代，雷聲公司（Raythheon）的布朗（）設(shè)計(jì)了一種半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，此天線效率高且結(jié)構(gòu)簡單，[1011]。19世紀(jì)90年代，被稱為無線電能傳輸之父的尼古拉這種傳輸方式的特點(diǎn)是：①傳輸距離遠(yuǎn)，頻率越高，傳播的能量越大。這種技術(shù)的關(guān)鍵，在于發(fā)射源、發(fā)射天線以及接收整流天線。這種傳輸方式的特點(diǎn)是：利用磁場通過近場傳輸，輻射小，具有方向性；中等距離傳輸，傳輸效率高；能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響；傳輸效果與頻率及天線尺寸關(guān)系密切。優(yōu)質(zhì)的可分離變壓器，必須具備漏感小，耦合系數(shù)高等特點(diǎn)[7]。通過高頻整流