无线电能传输课程设计实验报告

1、实验报告1. 实验原理与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实现电能的无线传输是人类多年 的一个美好追求。无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）也称之 为非接触电能传输技术（Contactless PowerTransmission, CPT）,是一种借 于空间无形软介质（如电场、磁场、微波等）实现将电能由电源端传递至用电设 备的一种供电模式，该技术是集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应和耦合 模理论等多学科交叉的基础研究与应用研究，是能源传输和接入的一次革命性进 步。无线电能传输技术解决了传统导线直接接触供电的缺陷，是一种有效、安全、 便捷的电能传输方

2、法，因而它被美国技术评论杂志评选为未来十大科研方向 之一。该技术不仅在军事、航空航天、油田、矿井、水下作业、工业机器人、电 动汽车、无线传感器网络、医疗器械、家用电器、RFID识别等领域具有重要的应 用价值，而且对电磁理论的发展亦具有重要科学研究价值和实际意义。在中国科 协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输技术被列为"10项引领未来 的科学技术”之一。到目前为止，根据电能传输原理，无线电能传输大致可以分为三类：感应耦 合式、微波辐射式、磁耦合谐振式。作为一个新的无线电能传输技术，磁耦合谐 振式是基于近场强耦合的概念，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可 以实现高效的能量

3、交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱。磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于前两者之间，因此也被称之为中 尺度（mid-range）能量传输技术，其尺度为几倍的接收设备尺寸（可扩展到几 米到几十米）。除了较大的传输距离，还存在以下优势：由于利用了强耦合谐振技术，可以 实现较高的功率（可达到kW）和效率；系统采用磁场耦合（而非电场，电场会发 生危险）和非辐射技术，使其对人体没有伤害；良好的穿透性，不受非金属障碍 物的影响。因此该技术已经成为无线电能传输技术新的发展方向。基于磁耦合谐振技术的无线电能传输技术主要利用的是近场磁耦合共振技 术，共振系统由多个具有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中

4、的物体间传 递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到 最大。基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统一般由髙频发射源、发射系统、接 收系统、负载等部分组成，其中发射系统和电磁接收系统，是无线电能传输系统 的关键部分。其典型模型如下图所示。由下图可知发射系统包括励磁线圈和发射线圈，它 们之间是通过直接耦合关系把能量从励磁线圈传到发射线圈，励磁线圈所需能量 直接从髙频电源处获得。电磁接收系统包括接收线圈和负载线圈，它们之间也是 通过直接耦合关系把能量从接收线圈传到负载线圈。发射线圈与接收线圈之间通 过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输。发射淞播收恥励餓圈(O)(OW负般

5、镰目前国外的学者多利用“耦合模”理论对磁耦合谐振技术的无线电能传输技 术进行分析，并得到能量高效传输的必要条件13：发射线圈和接收线圈的固有谐振频率相同，并具有较高的品质因数；虽然“耦合模”理论对无线电能传输技术基本原理进行了解释，但是在涉及 具体电路及其参数的设计问题上“耦合模”理论也有一定的局限性，因此本文利 用互感理论来进一步分析问题，尤其是利用该方法在参数设计方面进行探索。基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统的等效电路模型如下图所示，励 磁线圈由激励源(高频功放)氏和单匝线圈组成，负载线圈由单匝线圈和负载组 成，发射和接收线圈均由具有相同谐振频率的多匝线圈组成。在系统设计时为了 降低设

6、计的复杂性，将发射和接收线圈设计成相同的尺寸和机械结构，因此，两线圈的等效参数可认为是一致的。上图中激励源阻为届，负载电阻为凡；厶1、厶2、£3、丛分别为励磁线圈射线 圈、接收线圈和负载线圈的等效电感；0、62、©、G分别为励磁线圈、发射线 圈、接收线圈和负载线圈的等效电容；丹1、用2、丹3和肝4分别为励磁圈、发射 线圈、接收线圈和负载线圈由于趋肤效应等因素产生的损耗电阻；仓adl、金ad2、 用ad3、届ad4分别为励磁线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的辐射等效电阻。 将励磁线圈的电路反射到发射线圈，相当于发射线圈中加入一个感应电动势；而 将负载线圈反射到接收线圈相当于

7、接收线圈增加了一个反射阻抗，其等效电路如 下图所示。设流过发射线圈和接收线圈的电流分别为/ 1、72,方向如下图所 示。根据基尔霍夫电压定律（KVL）,发射系统接收系统上图为无线电能传输系统的简化电路。由此图可推导岀:匸$ = R + 说？ + hi _ jeA/?3厶l jg 丿 0= R3+Ra +jcoL3 + Z9 -jcdMIy、'jg 厂进一步推导得到接收线圈归一化电压为Ua = 匚max2（1+2）2十2（1_2）孑十/(2)式中，K 皂色,0为品质因数，Q 旦二。丿R丄；为耦合因数，二空。关丁公式的推导 coqCRR过程请参考文献18和文献1902. 实验步骤a. 在印

8、刷电路板上绕制所需电感线圈（发射极）b. 测量所绕制的电感线圈的电感值Lc. 根据所测得的L值，初定角频率w,并计算出匹配电容的理论值C。d. 根据匹配电容的理论值C。匹配电容组合，并通过比对示波器上的电压 电流波形，确定匹配电容的实际值C。3. 实验过程及数据先将导线绕入印刷电路板，然后用透明胶粘好，使导线位置固定，然后除去两头导线的绝缘层，测量其电感值，如下图所示:得出所绕制的电感线圈的电感稳定值为1.61UH由w2CL=1 可知,定f=200KHz,所以w二1256.64 rad/s,所需匹配电容的值为：C0=393nF如上图，根据计算的理论电容值，匹配组合岀实际电容值，并通过对比电流、

9、电压波形，对实际的匹配电容值进行微调。微调直至匹配电容值相应的电流、电 压波形同相。根据示波器的波形，可以认定匹配电容值达到要求，实际值C.=357nF 根据接收端电路谐振理论电容，微调电容使接收端电路达到谐振状态。接收端线圈电感为1 uH,由上公式LO1可算得，接收端电容理论值为 C=633nFo实际微调至C=720nF时接收端电路电压电流同相，达到谐振状态。将匹配好的发射端电路连接至电源，接收端电路与负载相连。因为我们制作 的电感太小，导致耦合系数太小，而且实验条件有限，我们所做实验的负载为小 灯泡。当电源打开时，负载端的电压电流很小，只能观察到小灯泡及其微弱的亮 光。4. 实验感想1. 由于前期的理论准备不充分，和对课程设计的实验具体过程不熟悉，导致 实际进行实验操作时，很多所需实验数据都需要花费实验时间计算。2. 前期制作电感线圈所花费的时间很长，是因为我们的动手