无线电能传输装置设计报告样本

无线电能传播装置设计报告摘要磁耦合谐振式无线电能传播是众多短距离电能特殊传播技术之一，它因其便捷，节能环保而受到广泛关注。当前磁耦合谐振式无线电能传播距离已经可以达到米级范畴，甚至有些技术还能穿透障碍物，相信当无线传播距离问题解决后来该技术无疑对无线电能技术发展具备重大意义。该文重要讲述了运用磁耦合谐振无限能量传播原理设计制作小型无线电能传播设备。该设备重要涉及驱动发射线圈电路，磁耦合谐振传播电路，磁耦合谐振接受电路，整流滤波电路，以及显示电路模块等。当发射和接受端都达到谐振频率时即可实现能量最大传播。该设备在题目规定下可实现10cm以上，效率高达26%能量传播，并且可以实现点亮30cm以外2W灯泡。核心词磁耦合谐振无线电能传播发射距离接受效率一、设计任务设计并制作一种磁耦合谐振式无线电能传播装置，其构造框图如图1所示。

规定：（1）保持发射线圈与接受线圈间距离x

=10cm、输入直流电压U1=15V时，调节负载使接受端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8

V，尽量提高该无线电能传播装置效率η。

（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不不不大于1A，接受端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭条件下，尽量延长发射线圈与接受线圈间距离x。二、

方案论证

2.1驱动发射线圈电路方案一：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工艺，具备精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责解决该系统中无线电能传播功能，采用电磁能量转换原理并配合接受某些做能量转换及电路实时监控。其重要特点为：

1.自动适应供电电压调节功能使之可以在较宽电压下均能工作

2.自动频率锁定

3.

自动负检测负载

4.

自动功率控制

5.高速能量输电传送

6.高效电磁能量转换7.智能检测系统，免调试方案二：采用MOS管无稳态多谐振荡器，由两路MOS管，高频扼流圈和二极管构成对称振荡器电路，原理图如下所示：该方案电路简朴明了，元器件少，并且操作起来简朴。综上所述，咱们选取方案二。2.2

磁耦合谐振传播和接受电路

方案一：电磁感应式传播方式电能传播电路基本特性是原边与副边电路分离，通过磁场耦合感应联系。该电路长处涉及存在较大气隙，使得原副边无电接触，可实现无线传播，较大气隙存在使得系统构成耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相称，甚至比激磁高。缺陷涉及传播距离短，事实上多在mm级。电磁感应方式传播控制不好，在其范畴内金属都会产生电磁感应消耗电源能量，此外还会使设备线路感应发热，严重时会损坏设备。方案二：谐振耦合方式该方案是由麻省理工学院物理系，电子工程，计算机科学系，以及军事纳米技术研究所得研究人员提出。系统采用两个相似频率谐振物体产生很强互相耦合，能量在两物题间交互，运用线圈及放置两端平板电容器共同构成谐振电路，实现能量无线传播。该方式长处涉及。运用磁场通过近场传播，辐射小，具备方向性。中档距离传播，传播效率高。能量传播不受空间障碍物影响。传播效果与频率及天线尺寸密切。缺陷涉及谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好实现谐振耦合，需要传播频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难波段。

其原理图如下所示：图2-2

谐振耦合式电能传播原理图

方案三：无线电波式（辐射式）该方案类似于初期使用矿石收音机，重要由微波发射装置和微波接受装置构成，接受电路可以捕获到从墙壁弹回无线电波能量，在随负载做出调节同步保持稳定直流电压。但其缺陷有微波无线能量传播技术当前尚处在研发阶段，其技术长处是成本较低，技术瓶颈是效率太低，并且容易发热，损坏设备。综合本题目各项规定，规定功率传播效率较高，同步距离要尽量较大，咱们选取方案二，谐振耦合方式进行信号和能量传播。

2.3

整流滤波电路模块

方案一：半波整流电路半波整流是指运用二极管单向导电性进行整流，在输入为原则正弦波状况下，输出获得正弦波正半某些，负半某些则损失掉。其电路图如下所示半波整流电路虽然达到了整流目，但是负载电压及负载电流大小随时间变化，并且半波整流是以牺牲普通交流为代价而换取整流效果，电流运用率很低。

方案二：桥式整流电路桥式整流是对二极管半波整流一种改进，桥式整流运用四个二极管两两对接，输入正弦波正版某些得出正输出；输入正弦波负半某些时，另两只管导通，由于这两只管是反接，因此输出还是得到正弦波正半某些。桥式整流器对输入正弦波运用效率比半波整流高了一倍。因此咱们采用是桥式整流。其电路图如下所示.

2.3

整流滤波电路模块

方案一：半波整流电路半波整流是指运用二极管单向导电性进行整流，在输入为原则正弦波状况下，输出获得正弦波正半某些，负半某些则损失掉。其电路图如下所示图2-3

半波整流电路图半波整流电路虽然达到了整流目，但是负载电压及负载电流大小随时间变化，并且半波整流是以牺牲普通交流为代价而换取整流效果，电流运用率很低。方案二：桥式整流电路桥式整流是对二极管半波整流一种改进，桥式整流运用四个二极管两两对接，输入正弦波正版某些得出正输出；输入正弦波负半某些时，另两只管导通，由于这两只管是反接，因此输出还是得到正弦波正半某些。桥式整流器对输入正弦波运用效率比半波整流高了一倍。因此咱们采用是桥式整流。其电路图如下所示图2-4：桥式整流电路图

综合题目分析，咱们选取桥式整流电路，来提高效率目。

2.4整流稳压模块由于在接受过程中，会受到周边环境影响，因此如果直接运用单片机AD

采集模块进行数据采集，由于单片机采集数据速度较快，会使得显示数据不稳定，有很很大漂移。因此咱们在接受端添加了整流稳压电路，本次比赛咱们采用线性可调稳压器LM317进行稳压，使得输出电压得以稳定，便于显示。2.5显示控制模块方案一：选用AT89C51控制12864显示输出电压和电流，该方案有利之处该单片机使用相对成熟，网上有丰富关于该单片机资源，并且IO口操作简朴，价格便宜等。但是如果这样控制模块就会显得很庞大，并且IO口不多，功耗大。方案二：选用TI公司开发板msp430，该控制板执行速度和效率相对较高，并且功耗低，解决能力强，系统工作稳定，但是控制起来相对复杂。在本次比赛中，咱们选用方案二。三．理论分析与计算：

3.1系统整体模块

本系统整体采用磁耦合谐振式无线电能传播，重要方案选用了两个MOS管轮流导通，LC并联谐振，将直流电能转化成高频电磁波发射出去，接受端与发射端谐振匹配，最大限度接受高频电磁波，在通过后期整流稳压解决，通过单片机控制可以在12864液晶上显示出来。图3-1系统整体方案图3.2

发射端谐振驱动电路

原理分析：图中左半某些电位器R1实际是一种拨码开关，当开关合上时两个MOS管都被上拉电阻驱动，但此时工作状态是暂稳态，并且在接通电源瞬间，两个MOS并不是同步导通，总会有一种接通更快，另一种MOS管关闭。当导通MOS管栅极电压通过二极管驱动到零之后另一种MOS管被切断，谐振回路电压会上升，当电压上升到某点后促使导通二极管g极电压突变为0，然后MOS管由导通变为截止，同步另一路MOS管开始工作。如此重复就形成交变电压。此时高频厄流电感充当电流源，一旦通过它电压变成了交流，从而使电路中产生狡辩磁场。此时，电路电流将被限制到一种恒定值。右半某些由电容和发射线圈构成LC谐振电路，所谓磁耦合谐振式无限能量传播就是运用两个具备相似谐振频率线圈在相距一定距离时，由于磁场耦合产生谐振，进行能量传播。耦合效率决定了代数和，并且与施感电流呈线性关系，是各施感电流独立产生磁通链叠加成果。设发射线圈和接受线圈电压和电流分别为u1，i1和u2，i2，且都取关联参照方向，互感为M，则两耦合电感电压电流关系为：耦合因数用k表达，有大小与两个线圈构造和互相位置以及周边磁介质关于。变化或调节她们互相位置有也许变化耦合因数大小。3.3

接受端谐振电路

3.3.1电路如下图所示：图3-3

接受端谐振回路由上述分析可知发射与接受电路谐振频率是核心，另一方面就是发射与接受线圈品质因数，品质因数越高，能量损耗越小。需要注意是要考虑趋肤效应，趋肤效应本质上是衰减电磁波向导体内传播引起效应，当线圈固有频率较高时，粗导线线圈会受到趋肤效应影响而使导线运用率减少，因而必要考虑趋肤效应对传播距离影响。3.4重要元器件参数计算依照题目规定输入电压为15V，电流为1A左右，因此输入功率会不不大于15W，在综合考虑MOS管工作电压和电流，此处咱们采用是IRF640，依照电路参整流二极管选用1N4148即可满足，其她类似高速二极管也可满足。高频厄流电感采用是47uH,此处可依照电路做恰当调节。发射线圈选用高品质因数铜线绕成，这某些电路咱们是采用变化电容值来变化谐振频率从而达到发射功率最大。同样，接受端也是通过变化电容值来调节谐振频率，从而与前级达到匹配。线圈电感值大小可通过下面公式来计算：

为获得最大接受功率，接受端选用同样参数线圈和电容。在整个实验过程中，发射端与接受端电感与电容值选用是最重要，它们共同决定了传播电磁波频率，要想达到能量（功率）传播，咱们应当选用电磁波频率较低某些进行传播，但是要想令电磁波传播一定距离，则需要电磁波频率达到较高某些进行传播，因此本次实验就需要咱们自己依照题目规定来选用适当电磁波频率即可。

图3-4

稳压模块原理图1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器输出性能，R1应不大于240欧姆。变化R2阻值即可调节稳压电压值。D1，D2用于保护LM317。计算公式为：Uo=(1+R2/R1)*1.25四.测试成果与误差分析：

4.1

硬件测试

通过上述理论分析与计算，按照设计出原理图进行硬件焊接，并对电路进行一系列调试。上电测试，运用直流稳压电源输出15V，加到发送端上，刚上电时，由于咱们没故意识到，要想让自激式振荡电路起振，必要让电源同步瞬时加到电路中，才干让电路正常工作，胆怯电路一瞬间加太大电压会引起瞬间大电流脉冲，烧坏MOS管，加电时直接接上电源较低电压，再慢慢往上升，可是，MOS管总会浮现一种管子很热，另一种不工作状态。日后通过测试，总结，咱们决定在MOS管前加一种拨码开关，来控制这个自激振荡电路可以起振，正常工作。在通过这个改正后咱们将输出接在示波器上观测振荡波形。并通过LC谐振网络预计其振荡频率与实际输出波形振荡频率相比较，发现两者基本相近。

但是要想达到题目所给规定，必要满足传播效率要较高，因此要达到发射与接受匹配，在本次比赛中，咱们为了要达到匹配，咱们令发射某些与接受某些采用相似材质漆包线绕制20cm直径发射接受线圈，为了达到题目对接受端电压，电流，功率规定，咱们通过多次绕制，按照一定顺序，改进这电感值和品质因数，用1mm漆包线绕制10圈，用1mm漆包线绕制5圈，用1mm漆包线两匝并饶绕制2圈等各种线圈。最后，咱们发现用无氧铜2mm漆包线绕制20cm直径发射接受线圈，且用两股并绕两圈方式（此时其电感量经测量大概在2uH—3uH之间，品质因数在3左右），可以达到较好效果。但是在之前分析中咱们懂得，要想让振荡电路发射端发射功率达到最大，咱们需要将谐振频率，调谐在电路固有频率上，通过多次变化与线圈并联电容值，咱们最后得到了发射端谐振频率与自激振荡固有频率，与接受端谐振频率基本谐振在同一种谐振频率上，使得接受端接受得到较平滑正弦波，幅度也较大，满足题目规定，通过整流后，在滑动变阻器做负载状况下，可得到超过8V电压，电流基本可达到0.5V，满足题目（1）规定。同步当负载换成两个串联1W

LED灯时候，距离可达到35cm左右距离，满足题目（2）规定。4.3实物照片整体电路实物图：发射接受线圈：直流稳压模块：整流模块：五、结论、心得体会通过几十天日夜奋斗，小构成员互相协作，团结互助，完毕了