【无线电能传导输送装置设计与应用15000字（论文）】

无线电能传导输送装置设计与应用目录TOC\o"1-3"\h\u1.前言 .前言1.1选题背景随着社会的高速发展和科学技术的飞速发展，人们的生活质量明显提高。笔记本电脑，手机，mp3，平板电脑和其他可充电便携式电子产品已经得到广泛应用。目前，这些电子设备通常采用传统的电能线传导输送方式进行充电，而电能传导输送是通过插座，充电器和数据线绑定的，给人们的生活带来极大的不便。另外，在水下作业，矿山，油田，医疗等特殊领​​域，传统的有线供电设备由于摩擦和机械磨损而存在与电火花相关的安全隐患。随着供电设备在供电质量，安全性，可靠性等方面的要求不断提高，传统的点对点线直接接触式已经不能满足人们的生产和生活需要。迫切需要找到一个没有电线连接的电源和电气设备。一种新型的电力传导输送方式，无线电力传导输送技术应运而生。1.2研究意义磁耦合谐振无线电能量传导输送是电力工程领域最受欢迎的研究领域之一。这是一门结合基础与应用研究的前沿课题，学术界是对国内外医学界和工业新领域的综合研究和探索。电力系统，电力电子，电磁场，控制技术，信息技术，材料科学，物理学等诸多领域的综合利用技术。目前，谐振无线电力传导输送的磁耦合仍处于起步阶段。影响技术分析的许多因素仍然不足，整个系统的性能需要改进。如果以后可以开发出更高效率，更高功率，更长距离，安全传导输送的技术，将来能有不错的前景和使用价值，不只是能够应用到电动车的传导输送电能系统，无线传感器，RFID等。同时也能够应用在家用的电器上，小型移动的需要电能的工具，例如工业的机器操作，运输使用的车辆和航空航天，医疗所需的设计，矿产及水下工作等。除此之外，对于充电的有关技术与电磁理论发展也有极大的作用。1.3国内发展现状及趋势近年来，中国无线传导输送技术的研究呈现出蓬勃的发展态势。浙江大学徐晔研究了电压无触点功率变换器。小型无线电设备的周文琦具有可启动分析装置，提出了一种基于功率因数补偿多谐振的通用设计方法，该方法可以在有效补偿系统上进行，使得不同负载下的系统具有较高的功率因数。非接触供电系统在运动器材中的耦合特性由中国科学院电工研究所吴莹，阎鲁光和徐善刚分析。西安交通大学电气学院王兆安，韩腾，方芳等人研究了小型无线传导输送设备分岔的频率。南京航空航天大学的王惠珍等数位专业人员研究了小型无线传导输送设备的全桥谐振变换器。部分专家获得国家自然科学基金资助，例如朱春波教授的研究团队为电动汽车和无线传感器网络的应用进行了建模，仿真，实验研究和设备开发。李云辉教授主要研究基于特殊材料的无线电无线电传导输送;陈千红教授主要研究无线传导输送功率的高效率和高可靠性。哈尔滨工业大学朱春波教授使用直径50厘米的螺旋铜线圈和外部级联电容器，以0.7米的传导输送距离传导输送23瓦的功率。在55厘米的传导输送距离处接收功率以获得最大值。效率接近50％。华南理工大学张波教授利用互感耦合模型分析了传导输送效率，负载电阻和线圈尺寸之间的关系。经过测试，振荡电路和低功率放大电路可以建立无线传导输送来验证该方法的实验系统。在谐振频率同步跟踪补偿中，采用相位补偿和锁相环同步的方法，研究了谐振腔内谐振频率对传导输送效率的影响，得到了最大传导输送效率的分析方法防止系统不匹配。2012年，以东南大学黄学良教授为首的研究团队研究了电动汽车无线充电技术及其与电网技术的互动，反映了“电动汽车作为电网，电动汽车和良性互动的高峰分隔和作用”网格。目前的研究主要是构建无线传导输送的原本理论和运用，如系统模型，拓扑结构，距离，效率特性，频率匹配等，并积极探索超声波能量耦合传导输送的机理和电场。此外，中国科学院刘国强教授，南京理工大学丁立波教授，清华大学教授于格杰，天津大学李兴飞教授，上海交通大学阎国政教授，武汉大学，重庆大学孙渝教授和苏玉刚教授等对磁耦合谐振无线电力传导输送各方面进行了卓有成效的研究。但与国外研究水平相比，国内技术相对落后，还有很多地方需要探索。1.4国外发展现状及趋势在20世纪80年代，E.Abel和S.M.Third创造了无需接触形式的功率传导输送的有关概念，使用无需直接接触形式传导输送来代替引线和金属片相互接触的方式。90年代以后，新西兰，美国，日本等技术专家学者做了大量的研究。新西兰奥克兰大学电力电子研究中心。约翰博伊斯教授领导的一个研究小组已经选择研究轨道车辆的使用，例如电动车的电车，运输车和感应充电装置。它已经出版。数百篇与无线电力传导输送技术相关的文章。关于直接电感耦合无线电力传导输送技术，以纽西兰奥克兰大学JohnT.boys教授为首的研究小组在20世纪90年代率先开展了研究工作。理论研究和工程应用技术团队已经做了大量卓有成效的工作。理论体系和实用技术体系，率先开发实际装置批量生产。技术原理，系统频率分析和稳定性，功率控制，不同补偿电路系统特性分析，能量和信号同步传导输送，系统稳定性等方面均取得了很好的技术研究成果。例如用于单轨车辆，有轨电车和轨道交通设备的电源，例如卡车电感耦合生物统计访问，植入式设备和用于电动车辆的感应耦合电源系统等。Halo1PT于2010年11月在伦敦成立，通过感应技术成功完成电动车辆的充电。只需将电动接收器定位在电动车辆的底盘下。电动汽车进入电力变送器时，可以直接充电。2011年7月，HaIoIPT宣布与德雷赛车技术公司建立新的战略合作伙伴关系，旨在引领零排放电动汽车充电技术的发展。后来高通将所有HaIoTPT收购，高通作为这一领域的新领域，主要业务涉及高功率无线充电技术和相应产品的开发与开发。关于磁耦合谐振无线电力传导输送技术，如图1-4所示，2007年7月，由麻省理工学院（MIT）的MarinSoljacic教授领导的研究小组负责人在科学杂志上发表了一篇论文。据研究，一种新型的远距离无线传导输送模式，称为磁耦合谐振无线传导输送模式，两者具有相同频率的谐振电路互感互感强，线圈2米距离成功前后点亮60W灯壳，传导输送效率高达40％，目前1米距离内能量转换效率水平为90％。研究发现，该系统的电磁辐射低于国际安全标准，对人体健康无害。其辐射类似于高端核磁共振（NMR），在安全区域。这一发现增加了电能的无线传导输送距离，从而将无线传导输送技术推向了一个新的阶段。2008年，英特尔公司基于磁耦合谐振技术的J.R.Smith研究表明，75％的系统效率超过60W的功率，后来增加了新功能，同时启用语音信息。2009年消费电子展在美国，在会议开始之前，以色列的Powermat公司展示了该公司的无线充电系统，其功率转换效率提高了93％，并为系统感知接收器增加了RFID功能。2009年10月，索尼开发了一种基于磁耦合谐振的技术，可用于无线传导输送距离扩展技术，该技术是在中继设备之后添加的，在80％传导输送效率的情况下，约为传导输送距离的1.7倍，特别是排放。接收时距离太远，效果更明显。在日本东京大学，进行了三维实验来研究非对称谐振器的相对位置与传导输送效率之间的关系。实验进行了。对kHz频段，MHz频段和GHz频段的理论分析和演示证明了传导输送效率。另一方面，东京大学采用阻抗匹配方法来提高整个系统的效率，并证明收音机能够在从kHz到GHz的频段内传导输送。2010年10月Witricity首次使用大功率电器进行无线传导输送，将其功率提高了几千瓦，为未来高功率无线电力传导输送设备的研究打开了大门。卡内基梅隆大学教授通过对研究多个接收机的无线电能量传导输送设备进行实验，分析了传导输送过程中的频率分裂现象。这说明国外无线电能量传导输送技术的基本设计原理和设计方法，团队磁场耦合机制的设计，功率，频率和效率的分析不断深入，许多新的方法并提出了新的概念。随着国家政策的倾斜和科学技术的不断进步，磁耦合共振无线传导输送技术的快速发展和展示了广阔的前景。在未来的几年里磁耦合的谐振无线传导输送技术中的主要研究方向是如下：（1）磁耦合谐振线圈可以进行无线电传导输送系统的优化设计：磁耦合谐振无线电传导输送系统是线圈中最重要的部分，其线圈的适用性和不适宜的质量直接关系到无线电传导输送系统的性能好坏。因此，系统效率可以通过使用新材料，提高的品质因数或线圈的耦合系数和设计新的线圈结构得到改善。（2）磁耦合谐振可以用无线电传导输送系统，根据不同的情况和需要优化结构设计，并通过继电器谐振线圈和发射机/接收机的结构设计，以及新材料的方法来增加传导输送距离，提高传导输送效率和功率，让它能在传导输送性能上进一步提升。（3）磁耦合谐振无线传导输送系统的电磁环境及其对生物体的影响：磁耦合谐振收音机内部可传导输送及其工作环境，存在各种电子器件，在大功率高频电磁场中，它们易感干涉。与传统的无需直接接触形式功率传导输送方式相比，磁耦合谐振式无线电可以传导输送很多对高频电磁场敏感的参数，等效负载，可以由系统的最佳传导输送频率漂移引起。国内外学者开展电磁环境对电磁兼容问题，影响传导输送性能，传导输送和安全性的相关研究，但大部分研究尚处于起步阶段，进一步探索磁耦合谐振可以高频电磁场无线电传导输送系统对人体健康和自然环境的影响是今后的研究方向。（4）动态频率跟踪技术：在磁耦合谐振无线电传导输送系统中，分频和频率漂移频繁发生。频率分裂现象是磁耦合谐振无线电传导输送系统中的发射器和接收器之间的耦合系数的现象。频率漂移现象是系统受外部干扰的干扰或温度干扰的现象。分频和频率漂移面临着巨大的问题制约了系统的控制策略，而且很难快速找到全频率的最佳传导输送频率，因为系统的最优工作点已经在同一时间，状态很难稳定。然而，操作频率的选择和调节对提高整体传导输送效率起着决定性的作用。为了有效解决磁耦合谐振无线电传导输送系统稳定性差的问题，探索实时频率跟踪技术是一个重要的研究项目。（5）均匀磁场技术：当向运动物体充电时，发射线圈和接收线圈会产生偏差，导致磁场变化，这会影响输出电压和输出电流的变化，系统的稳定性也会影响。当前的解决方案是在系统的接收端添加一个调节器，以稳定输出电压或电流，并且确保系统正常工作。一旦移动物体的速度太快，现有的调节方法难以满足实际要求，并且它是一个重要的探索均匀磁场的技术研究方向。2.无线电能传输装置设计所运用到的原理2.1常用磁性材料的特性（1）磁粉芯磁粉芯是一种由铁磁粉和绝缘介质组成的软磁材料。由于铁磁性颗粒非常小（0.5至5微米的高频），它们被非磁性绝缘薄膜的材料分开。因此，一方面可以分离涡流并且材料适合于高频。另一方面，由于颗粒之间的间隙的影响，材料具有低导磁率和恒定的磁性。由于颗粒的尺寸小，皮肤收集的现象基本上不存在，并且磁导率和频率的变化是稳定的。主要用于高频电感。粉末磁芯的磁性主要是根据磁导率，粉末的尺寸和形状，填充系数，电介质，成型压力和热处理工艺的内容。有三种常见的粉芯：铁粉芯，Pomero合金粉芯和硅铁粉芯。铁粉芯：普通铁粉芯由碳基铁磁粉和树脂碳基铁磁粉组成。核心价格最低。饱和磁感应强度约为1.4T;磁导率范围从10到100;初始渗透率mi随频率而变化;直流叠加性能好;但高频损失很高。坡莫合金粉芯：坡莫合金粉芯主要由钼坡缕石粉（MPP）和高通量芯（HighFlux）组成。MPP的主要特点是：饱和磁感应强度约为7500Gs;渗透率范围从14到550;粉芯的损耗最低;出色的温度稳定性，广泛应用于航空航天设备，户外装备。磁致伸缩系数接近零，工作在不同频率下不会产生噪声。主要用于低于300KHZ的高品质因数Q滤波器，电感负载线圈，谐振电路，用于高温度稳定的常用LC电路，交流电路中的输出电感，功率因数校正电路等。最昂贵的。高磁通磁芯的主要特点是：饱和磁感应强度约为15000Gs;渗透率范围从14到160;它具有最高的磁感应强度和最高的直流偏置能力。核心很小。它主要用于电路滤波器，交流电感器，输出电感器，功率因数校正电路等。它常用于直流电路，高直流偏压，高直流电压和低交流电压。价格低于MPP。铁硅铝粉芯：硅铁粉芯可用于8KHz以上的频率;饱和磁感应强度约为1.05T;渗透性26〜125;磁致伸缩系数接近于零，并且在不同频率处没有噪声。比MPP更高的DC偏移量;它具有最佳的性能比。它主要用于交流电感器，输出电感器，线路滤波器，功率因数校正电路等，有时也可以用作带有气隙铁氧体的变压器铁芯。（2）软磁铁氧体(Ferritecore)软磁铁氧体磁芯Mn-Zn，Cu-Zn，Ni-Zn，Mg-Zn等类别，其中Mn-Zn铁氧体的生产量和用量最大，Mn-Zn铁氧体电阻率较低，一般在1〜10欧姆米以下100KHZ频率。Cu-Zn和Ni-Zn铁氧体的电阻率范围从102到104欧姆米，在100kHz到10MHz的无线电频带中有很小的损耗，主要用于无线电天线线圈，射频变压器和EMI。电信铁氧体渗透率从750到2300，具有低损耗系数，高品质因数Q，稳定的渗透率随温度/时间的变化，是工作下降速度最慢的，大约每10年减少3％〜4％。它广泛用于高Q滤波器，调谐滤波器，负载线圈，阻抗匹配变压器和接近传感器。宽带铁氧体通常分别被称为磁导率分别为5000,10000和15000的高磁导率铁氧体。它的特点是损耗因数低，高磁导率和高阻抗/频率特性。它广泛用于共模滤波器，饱和电感器，电流互感器，漏电保护器，绝缘变压器，信号和脉冲变压器，以及多功能宽带变压器和EMI。功率铁氧体具有较高的饱和磁通密度，4000〜5000Gs。还有低损耗/频率关系和低损耗/温度关系。换句话说，随着频率的增加，损失不会增加;随着温度的升高，损失不是很大。它广泛应用于功率扼流圈，并联滤波器，开关电源变压器，开关功率电感器，功率因数校正电路等。2.2无线电能传导输送装置能量接入机构线圈绕组的特性（1）涡流效应根据电磁感应原理，已知通过将线圈缠绕在导体外部并通过交流电流，线圈可以变成交变磁场。可以在磁场中形成以导体为中心的圆形电路。因此，导体的外围将对应于感应电动势和感应电流。导体周围的电流沿圆周方向循环。这种现象被称为涡流现象，这是由整个导体中的电磁感应引起的。涡流的大小随着导体的外部磁场的频率的增加而增加。涡流也会造成损耗，特别是当导体电阻较小时，涡流的热效应更为明显。在具有涡流损耗的时变电磁场导体中。根据右旋螺旋线的规律，可以确定垂直于时变磁场的感应电流。在涡流检测导体上使用涡流效应。根据文献[38]，由于金属导体的位移电流非常小，真空绝对介电常数为8.8510Fm-120ε=×，电导率为10sm7σ=107s/米：（2-1）其中，符号▽2代表拉普拉斯算子。类似地，可以导出涡旋系统的其他两个方程（2-2）和（2-3）。它们也是检测涡流问题和理论分析的重要基本方程。（2-2）（2-3）（2）邻近效应在高频时，变压器绕组受涡流效应影响，而邻近效应也被考虑在内。当高频电流流入相邻导线时，会产生变化的磁场，并且由于电磁侧特性，导线电流被称为“邻近效应”。当一些导线变成一个导线或一层导线的转动结构时，磁通势与匝数相关并且基本上线性地成比例，涡流之间的流动的邻近效应指数，在线或绕组线圈呈指数规律地随缠绕层增加而增大。最危险的情况是绕组之间发生的邻近效应。在磁力最大的区域，邻近效应最为明显。接近效应会减少有效的导体流动面积，增加传导输送过程中的电流损耗，并降低导体传导输送电流的能力。因此，为了削弱邻近效应，需要减小最大磁通势。初级绕组和次级绕组的正确布置是降低有效措施的最大磁动量，以减少邻近效应的影响。对于变压器绕组，这种影响是基于相邻的绕组或铁芯，以及影响高频电流绕组的其他配置。邻近效应与相邻导体的布置不可分离，并且当布置不太紧时可以忽略。取而代之的是，导体需要细分为长丝和使用等效电路方法（PEEC）提取的参数。（3）集肤效应在高频率时需要考虑的另一个影响是趋肤效应。趋肤效应也称为“集肤效应”，意味着当交流电流通过导体时，由于电磁感应，导体电流在横截面上分布，并且导体表面越接近，电流密度越大。另外，导体中的电流将集中在导体的表面上，导体中的电流密度将随着与导体表面的距离增加而呈指数下降。趋肤效应是变压器绕组效应的高频效应之一。趋肤效应的原理对实际应用具有重要意义。例如，在高频电路中，可以使用中空铜导体来节省铜材料，而不是固体铜导体。架空输电线路的中心部分转换为较高的电阻率，但不影响导线的传导输送性能和抗拉强度。接下来针对集肤效应对于变压器绕组参数的数值影响进行分析，在皮肤效应对电缆和变压器阻抗的影响到目前为止，已经做了很多研究。早在1972年，D.R.Holt和N.S.Nahman就提出了同轴电缆集肤效应的研究，并采用了函数A+Bs来近似集肤效应下电缆的阻抗。文献通过三个常见的电缆实验来验证结果。如果使用参数Z（s）包含导体损失，则表单为（2-4）通过实验可以证实，当达到高频极限时，A=0，B=K，其中K是常数，则（2-5）在低频极限下，则A=R，B=0（2-6）当穿透深度远小于圆柱形导体的半径时，Ks是单位面积的趋肤效应，R是每单位长度同轴电缆的直流阻抗。因此，最终阻抗可近似表示为：（2-7）在分析实验结果后，我们可以发现趋肤效应A+Bs的近似表达式的近似效应。在给定的情况下，可以使用表达式A+Bs，并且可以使用适当的值来代替趋肤效应时的时域响应中的电缆导体的阻抗。从表面效应对导线阻抗的影响的实验观点分析上述情况，现在从集肤效应方程本身进行分析。。图2-1一对无限宽平行金属板断面如图2-1所示，对于无限宽的平行板，如果所有电流都沿Z方向流动，则导体内部的电流也必须是Z方向。但是，电场只能在Y方向上。这时，皮肤效应方程：（2-8）使用安培法则，可以看出Z方向电流产生的电场可以用（）zEy表示，即电场方向为Y方向。然后（2-8）可以写成下面的形式：（2-9）式中（2-10）这里定义集肤深度（2-11）方程（2-11）的通解为（2-12）对于图2-1，仅考虑上部导体，因为此导体的电流必须反映下部导体的电流。但是，考虑到传导输送线每单位长度的总损耗，它是上部导体损耗的两倍。而且，上导体应该具有任何厚度，即从y=0到y=∞。此时（2-12）类型的边界条件（2-13）边界条件代入（2-9）：因此（2-14）单位宽度的总电流（即单位x）是所有y的JZ（y）的积分，即，（2-15）其中W是导体的单位宽度。表面电场EZ（即，y=0的电场）可以从欧姆定律获得（2-16）我们将导体的表面电场与流入导体的每单位宽度的总电流之比定义为皮肤阻抗Zs。从公式得到（2-17）Ls称为传导输送线的内部电感，符号Rs代表传导输送线的表皮电阻。从公式（2-19）可以看出，表面电阻和内部电感在数值上是相等的,都等于。在计算Rs时得到（2-18）通过以上不难发现，频率变化阻力与屁女人正常成正比，频率越高，相应频率变化阻值越高。通过以上研究，发现上述这些频率的不同影响对于高频变压器绕组模型的研究具有重要意义。这些频率变化的影响会给变压器的正常运行带来不同程度的损失。发现当频率增加时，趋肤效应对参数有更显着的影响。趋肤效应频率参数是平方根相关的数学函数。因此，通过讨论变频效应，特别是集肤效应，可以找到相应的逆变器绕组模型，这使得变压器的工作特性更加准确和直观。2.3能量接入机构中的互感M和互感系数K之间的关系磁场耦合无线电传导输送包含电磁感应和磁耦合谐振，两者都使用电磁效应来影响无线能量传导输送。磁耦合谐振无线电力传导输送是可以无线传导输送的磁场耦合的特殊情况。与电磁感应类型的区别在于两个固有频率收发线圈的系统是相同的。当驱动信号的频率与固有频率相位线圈的频率相同时，在发送和接收线圈之间发生谐振，谐振耦合电路的阻抗被最小化，并且由谐振耦合最大辐射的能量被传导输送到负载。图2-2磁耦合谐振式无线电能传导输送示意图图2-2显示了磁耦合谐振无线电传导输送的示意图。系统能量转换过程是电磁场的电场。高频电场在发射线圈的电磁谐振电容改变后，从高频电源端产生相应的输入信号。借助高频磁场，发送和接收线圈产生谐振。最后，接收线圈磁电转换谐振电路被用作为无线传导输送供电的负载。具体而言，该系统是在高频电源侧生成的高频输入信号的基本思想。当输入信号频率和固有频率的谐振频率的发送线圈LS和电容器CS谐振时，电能的供电被转换成磁场电路的谐振，电场可以被发射并存储在线圈的电感和电容分别和大小相同，线圈电感LS和补偿电容CS的能量工作频率振荡两倍。此时，如果LSCS的磁场区域附近的共振体放置具有相同固有频率的接收共振LdCd体，则发送和接收线圈与感应电流的频率接收线圈互感耦合，这对应于相同的自然频率谐振器增加了激励源功能并产生谐振，从而实现了磁场与周围空间电场之间的振荡交换。可以看出，整个输电系统具有三个能量交换：两个谐振线圈电路之间的磁能交换;发射线圈的谐振电路的磁场能量和电场能量的交换;接收线圈的谐振电路的磁能量和电场能量的交换。总之，磁耦合和谐振是磁耦合谐振无线电传导输送的两个关键条件。。图2-3（a）是包含电源，线圈（S），发射线圈（Tx），接收线圈（Rx），负载线圈（L）和负载阻抗分析的磁耦合谐振无线电能量传导输送系统的总体视图，纯电阻Rw）。D代表发射线圈和接收线圈之间的直线距离。图2-3（b）是磁耦合谐振无线电传导输送系统的等效电路模型。线圈在磁场中相互耦合，并且源线圈直接将能量传导输送到传导输送线圈。类似地，接收线圈通过直接耦合将能量传导输送到负载线圈。线圈发送和接收线圈通过空间磁共振耦合。无线传导输送电力。非相邻线圈之间的耦合系数小于相邻线圈之间的耦合系数。在本章中，不相邻线圈之间的耦合系数被忽略。（a）无线电能传导输送的系统框图（b）无线电能传导输送的等效电路图图2-3磁耦合谐振式无线电能传导输送的系统到现在为止，磁耦合谐振无线电传导输送的理论分析模型有两种：耦合模理论和等效电路理论。与等效电路理论相比，耦合模理论对谐振无线电传导输送系统的分析更加直观和简单。利用耦合模理论，磁耦合谐振无线电能量传导输送系统的模型如式（2.1）所示。（2.19）（2.20）式中：I——（i=1,2,3,4）其中1表示S，2表示Tx，3表示Rx，并且4表示L;Ri-第i个线圈的等效电阻（包含线圈的电阻和外部谐振电容的寄生电阻）;Rs--功率放大装置的内部阻抗;Rw-负载电阻;Ci-外部谐振电容的第i个线圈;第i个线圈的Li自感;Mij-i和j线圈之间的互感（i，j=1,2,3,4;i≠j）;Kij=i和j线圈之间的耦合系数，Ai（t）-第i个线圈的能量模式振幅的正频率分量;Ωi-第i个线圈的谐振频率;Гi-第i个线圈的固有损耗率Гw-负载消耗率（Гw=Rw/（2L4））;Гs--功率放大装置损耗率（Гs=Rs/（2L1））;Гs--功率放大装置损耗率（Гs=Rs/（2L1））;F（t）-系统驱动信号;为了简化分析，假设每个线圈的固有谐振频率等于ω0并且电源角频率等于ω，则每个线圈的能量模态振幅的正频率分量ai（t）可以表示为ai（t）=Aie-jωt，驱动信号可表示为F（t）=Fe-jωt，第i个线圈的损耗功率为Pi=2πi|Ai|2，系统传递给负载电阻的功率为Pw=2Гw|A4|2。方程（2.22）可以通过求解方程（2.19）。（2.22）式中：，，，系统的效率可以表示为（2.3）。（2.23）通过组合（2.22）和（2.23）可以获得完整的效率表达式（2.24）。（2.24）如图2.2（a）所示，两个同轴单圈圆形线圈之间的互感计算如下：（2.25）（2.26）其中：RP，RS是两个单圈圆形线圈的半径;h是两个同轴单圈圆形线圈之间的轴向距离;K（b）是第一类完全椭圆积分;E（b）是第二类完全椭圆积分;μ0=4π×10-7H/m。对于两个螺旋线圈，如果铜线的半径远小于线圈的半径，则两个螺旋线圈之间的互感可以使用公式（2.22）。（2.27）其中：N1和N2分别是两个螺旋线圈的圈数;Mpq是第一螺旋线圈的第p圈与第二螺旋线圈的第q圈之间的互感，Mpq可以使用公式（2.25）和公式（2.26）计算。图2-4所示的两个非同轴单圈圆形线圈模型（b-d）。定义：半径为RP的单圈圆形线圈的中心点为（0,0,0）;一个半径为RS的单圈圆形线圈的中心点为（xC，yC，zC），单圈圆形线圈的平面为λ≡ax+by+cz=0。两个单圈圆形线圈的水平偏移量为d，角度偏移量为θ。图2-4单匝圆形线圈模型两个非同轴单圈圆形线圈之间的互感公式如下：（2.28）式中：3.无线电能传输装置的分类3.1电磁感应式电磁感应无线电力传导输送是一项相对成熟的无线电力传导输送技术，国内外都对这项技术进行了具体研究。2005年英国Splashpower公司推出了一种电磁感应无线充电装置。由重庆大学孙悦教授领导的研究团队在诱导无线传导输送研究和大功率产品开发方面做了大量工作。但是，由于传导输送距离非常近，电磁感应无线电不能广泛使用。图3-1电磁感应式无线电能传导输送示意图3.2磁耦合谐振式磁耦合谐振无线电能量传导输送技术的主要特点是发射端和接收端是两个频率相同的谐振电路，两个谐振电路通过交变电磁场建立紧密连接。这是与电磁感应无线电能量传导输送技术最大的区别。正是由于这一特点才实现了中长距离无线电能量传导输送的目的。由于具有相同共振频率的物体将接收能量，因此使用此技术传导输送能量。选择性好，有利于避免器件上具有不同谐振频率的异物干扰，也可达到信号和能量双通道传导输送的目的。图3-2MIT磁耦合谐振式无线电能传导输送示意图3.3微波辐射式微波辐射无线电力传导输送技术属于远程无线电力传导输送技术。其主要原理是将电能转换成可通过微波转换装置由天线发射和接收的微波，然后由接收端将接收天线接收到的微波能量转换为负载可用的电能微波转换装置。微波辐射无线电传导输送示意图如图3-3所示。。图3-3微波辐射式无线电能传导输送示意图微波辐射式无线电力传导输送技术具有传导输送功率大，传导输送距离长的特点，但传导输送过程中能量损失严重，传导输送效率极低。同时，发射天线和接收天线需要在能量传导输送过程中对准和对准。传播方向受到限制，微波辐射对人体健康构成一定危害。因此，这种无线电能量传导输送技术不适合民用应用。它通常应用于太阳能发电站，低轨道军用卫星和航天飞机等特殊领域。不同的无线电力传导输送技术具有不同的结构特征，但也具有不同的应用领域。现有主要无线电力传导输送技术总结，其传导输送距离，传导输送功率和传导输送效率因传导输送原理不同而不同。能量传导输送距离作为标准大致可以分为三类：短程，远程和远程无线电力传导输送。能量传递的原理可分为无线能量传导输送技术的三种主要类型：电磁感应耦合，磁共振和微波辐射传导输送技术。表1-1比较了三种传导输送模式的能量传导输送原理和特性。另外，还有其他的无线传导输送方法在本文中没有详细描述，例如：通过激光，超声波，电场等作为传导输送介质的无线电能传导输送。表3-1三类无线电能传导输送方式的对比类别电磁感应耦合式磁耦合谐振式微波辐射式传导输送原理电磁感应原理谐振线圈之间的磁场共振通过天线发送接收转换电磁波传导输送功率大较高大传导输送效率高中高低传导输送距离几毫米几十厘米至几米上百公里应用场合便携电子设备充电、电动汽车、交通轨道供电等家用电器供电、便携电子产品充电、电动汽车充电、医疗产品体外充电等太阳能电站、低轨道军用卫星、航天飞机等4.设计4.1变换器的设计变频器可分为电压型逆变器和电流型逆变器两种。电压型逆变器：指直流侧为电压源，直流侧电容量大，直流电路呈现低阻抗特性。电流模式转换器：直流侧是电流源，直流侧连接大电感，直流电路呈现高阻抗特性。由于电流变换器的直流侧具有大的电感，因此考虑小型无线电传导输送设备的尺寸，重量，成本和系统转换效率。本文设计的逆变器采用电压单相全桥逆变器。如图4-1所示。图4-1全桥式逆变器4.2补偿拓扑的设计磁耦合谐振无线电传导输送系统主要由三部分组成：高频电源，谐振耦合电路和负载接收端子。忽略高频功率，直接研究谐振耦合电路。谐振耦合回路中两个线圈之间的间隙使系统具有较大的漏感。为了增加系统的有功功率，经常使用补偿电容平衡电路中的电感。根据励磁线圈和接收线圈补偿结构的不同，SS，SP，PS和PP四种拓扑结构分为四种拓扑结构，其中P代表并联补偿，S代表串联补偿。图4-2可以等效地简化为谐振系统的励磁线圈和接收线圈。其中，Cs和Cd是补偿电容，Ls和Ld是发送和接收线圈电感，Id，励磁线圈电流和负载电流，R是限流电阻，Rs，Rd是线圈电阻，Rw是负载电阻，M是互感。线圈，Ui-V是由电压型逆变器电路输出的系统的电压值，Ui-C​​是由电流型逆变器电路输出的系统的电压值。图4-2四种基本拓扑结构图在图3-11中，（a）和（b）中发射电路的串联等效阻抗为：图(c)、(d)发射回路的并联等效阻抗为系统谐振即时，串联谐振谐振电路的阻抗相当于线圈阻抗近似为0，等效阻抗为并联谐振无限大。因此，当负载很小时，变送器使用串联补偿更为合适。在图3-11中，图(a)、(c)接收回路的串联等效阻抗为：图(b)、(d)接收回路的并联等效阻抗为：用Zr、Zd分别表示次级对初级的反射阻抗和接收回路阻抗，则，谐振发生时，图(a)、(c)接收回路串联谐振的反射阻抗等效为：图(b)、(d)接收回路并联谐振的反射阻抗等效为：反射阻抗由反射电阻和反射电阻组成。反射电抗是反射阻抗的虚部，这会导致线圈谐振频率的小偏差。反射电阻是反射阻抗的实际部分，其代表从初级到次级的传导输送效应。从上面的两个公式，反射电阻是：反射电阻越大，能量传导输送效果相对就越好。比较Zr1，Zr1'可知，与有关，且越大越大，而与无关。当其相等时解得，次频率值就是决定接收端选择串联、并联拓扑的分界值。所以当系统接收端采用串联补偿较好，反之接收端采用并联补偿较好。根据上述研究，当负载较小时，发送回路采用串联补偿较好，发送回路并行补偿较好。当谐振频率较大时，接收电路串联补偿效果较好，接收电路并联补偿较好。4.3驱动电路的设计选择MOSFET驱动器时，请考虑以下要求。MOSFET的栅极和源极之间有一个大约1300pF的输入电容。为了加快驱动电压的设置，要求驱动电路具有小的内部电阻，并且电网控制电压的前沿和后沿足够陡峭。驱动电源的电力源头的电压应足够高，以确保在MOSFET导通后MOSFET的功率输出将达到饱和，从而使MOSFET开关可靠并防止导通期间发生饱和故障。为了提供适当的正向驱动电压，高栅极源之间的电压将增加功率MOSFET开关的充电和放电时间，从而降低开关速度。另外，栅极源之间的电压不能超过MOSFET本身的标称值（通常为20V），正常栅极源之间的驱动电压为10〜11V，此选择约为12V。为避免误导，最好在MOSFET关闭时提供负栅极电力源头的电压。除了自身强大的抗干扰能力之外，必须保证电压型逆变器和下臂的驱动信号产生死区时间。为了满足MOSFET开关管的驱动需求，需要对驱动芯片进行研究。本文选用驱动芯片HIP2101如图4-3所示，HIP2101是一个半桥驱动器，驱动电路简单，可驱动桥臂上下驱动，具有独立的低端和高端输入通道：自举电路，设计提高了驱动芯片的可靠性，主要特点如下：通过自举高端暂停通道可工作在114v，完全满足电压要求;高端和低端驱动器峰值输出/吸收驱动能力为2A。该芯片与一个1欧姆自升压二极管集成在一起;4）芯片也有很快的可控时间。在驱动1000pF负载时，典型的上升和下降时间仅为10ns。该芯片与TTL/CMOS输入电平模式兼容，以增加灵活性和抗干扰性。由于HS缓冲器的较高dv/dt值，输出不受功率波动的影响。还具有低功耗，宽电力源头的电压范围，3Ω输出阻抗和电压闭锁功能;工作环境温度范围为-40℃〜125℃。图4-3控制芯片HIP2101驱动芯片的电力源头的电压VDD最低为9V，最大值为14V，本文特意选择12V电源供电，因为在芯片上HS电压的最大值为100V，所以本文中VCC只要不能超过100V，本文中实际最大电压仅为40V，通过实验测试充分满足实际需要。4.4保护电路（1）过压保护由于电路中存在电感性负载，当开关关断时，漏极电流会产生非常高的漏极电压过冲，导致管损坏，因此需要设置开关关闭RCD缓冲吸收电路来实现过压保护，电压保护，如图4-4所示。图4-4开关管RCD关断缓冲电路根据下式计算RC吸收电路参数（tr是接通上升时间，tf是下降时间，ton开放时间），其中：缓冲电容：缓冲电阻：（2）过流保护如果同一个桥臂通过开关，电流会很大，则必须采取过电流保护措施：主回路串联霍尔传感器时，流过霍尔传感器的电流与电压成线性关系k=0.6V/A，电压信号送至比较器，与基准电压比较，形成逻辑电平控制芯片，当回路过流控制芯片产生动作，关闭开关。过流保护电路如图4-5所示。图4-5过流保护电路②驱动脉冲设定一个合理的死区时间，可以防止同一个桥臂开关管同时导通，同时结合本系统，系统初始阶段单片机以主电路启动振荡软件设定死区时间，系统软启动开关部分使用硬件电路实现死区时间的设置，死区时间的设置与开关的开关延时密切相关，如图4-6所示。图4-7死区时序图4.5控制电路设计传统无线电能量传导输送系统控制部分的主要功能是：PWM频率输出调节，过压，过流保护等功能，但只有单向能量传导输送，不能将接收端的工作状态传导输送到发送端进行分析和调整。闭环控制未实现。本项目设计的无线电能量传导输送系统不仅实现了变送器的频率输出，过压和过流保护功能，还实现了接收机工作状态信息的返回，完成了前后台的通信。特征。由于本实验的功放部分采用传统的H桥电路，发射端的工作频率不能太大，一般为100KHz-1MHz，选择普通的ARM芯片作为发射端的主控芯片，而STM32系列主控的晶振频率一般在72MHz以上，完全可以满足1M高频方波输出，接收器不需要工作频率，选择STM8S系列单片机进行数据采集，处理和发送。发射器选择ST的非常强大的STM32103RBT6处理器，该处理器使用高达72MHz的工作频率。两个高级外设总线（APB），一个APB（高达CPU的工作频率），连接到总线的外设可以以更高的速度运行。出色的功率控制，内置电源监控器，减少对外部设备的需求，包含上电复位，低电压检测，掉电检测和带时钟的看门狗定时器，并且附带STM32固件库，稳定可靠，易于使用操作，缩短开发周期。接收端还选择意法半导体高性价比的STM8S003作为处理器，先进的STMBS核心，三级流水线哈佛架构，高达24MHz的CPU，灵活的时钟和电源管理以及丰富的外设接口。，具有高达400Kbps的IIC接口速率，10MbpsSPI接口，UART接口，CAN2.0接口等一系列优点。主题设计使用STM32定时器功能，其中包含高级定时器TIM1的可编程互补输出，捕捉比较和死区时间，通过改变计数器的值，以实现具有可调整死区时间的PWM互补输出。双路互补PWM连接到逆变器驱动ICIR2110，驱动逆变器实现功率逆变放大。STM32最小系统如图4-8所示。图4-8STM32最小系统原理图该接收器还选择意法半导体高性价比的STM8S003作为处理器，先进的STM8S内核，三级流水线式哈佛架构，高达24MHz的CPU，灵活的时钟和电源管理以及丰富的外设接口。速率高达400Kbps的IIC接口，10MbpsSPI接口，UART接口，CAN2.0接口等一系列优点。STMBS的最小系统框图如图4-9所示。它配备了一个12位分辨率ADC模数转换器，可将所收集电池的充电电压转换为数字值。经过编码过程，判断过程，然后控制开关控制开关工作，形成负载电容调制模式，将信号磁耦合传导输送到变送器的主控制器，之中的单片机有着HSE.HSI.LSI这三种情况可以进行选取，在这类设计之中，选取高速内部RC振荡器HSI，它的频率达到了16MHz。图4-9STM8S003F3U6TR最小系统图4.6耦合谐振参数设计E类形式的功率增大装置的电力源头的电压Vcc是根据晶体管能够承载的最大电压值。一旦E类功率增大装置运行的时候，晶体管两处的最大值的电压中的电流和运行电压的电流两者之间的关系满足下面的式子：：顾忌到110V的晶体管击穿电压和电路裕量，工作电压Vcc的设计选择为20V。为了找到负载网络中并联电容电感器C1，L1的值，首先引入负载阻抗RC1、L1的值可得：利用负载品质因素QL，负载网络的串联谐振C2、L2的值可以得到5.实验结果分析结合前面的设计，如图所示构建系统的仿真电路5-1：图5-1磁耦合谐振系统仿真电路仿真电路采用24V直流电压源，通过占空比为40％的矩形波脉冲信号驱动半桥中的MOS管，使得发送回路输入电压的有效值约为10V。通过将M1和M2的开关周期设置为666.6ns，系统的工作频率可以为1.5mhz，符合系数为0.2，负载为50.负载两端的电压波形可以通过仿真获得，并且可以获得流经负载的电流波形。系统中的输出功率和输电效率。系统仿真结果如图5-2所示:(a)系统输出电压、电流波形（b)系统输入功率与输出功率图5-2磁耦合谐振系统仿真波形仿真结果分析:（1）如图5-2（a）所示，负载电阻表示为流过R8和R8的负载电流的电压波形和波形。降压电路降压后，输出电压稳定在12.1V，负载电流约为4.75，输出波形平滑。（2）在图5-2（b）中，图形的消耗是R8电源V1的波形和功耗（如你可以从图V1的负