天津工业大学
毕业论文
磁耦合谐振式无线电能传输的
基本特性研究
学院电气工程与自动化
专业电气工程及其自动化
附表1
天津工业大学毕业设计（论文）任务书论文题目磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
学生姓名学院名
称
电气学院专业班级电气094班
课题类型论文类
课题意义
在无线数据传输技术日益普及之时，无线电能传输也使在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线成为可能，并且它对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义。
无线电能传输主要应用于生物医学、交通运输、机器人的驱动、电池充电等，如果能研发出大功率、远距离的无线能量传输装置，将有可能引起能源领域一场变革。
本课题主要基于磁耦合谐振的最新无线电能传输技术的基本特性研究，包括频率特性、距离特性、方向特性等。通过对该技术的基本特性分析与研究，掌握其传输的规律，力图使电能具有较大的传输容量和较远的传输距离。为该技术的产业化提供支撑。
任务与进度要求1、课题调研，实习，查中、英文资料；（1~3周）
2、学习无线输电技术，电磁耦合等相关知识；（4~6周）
3、频率特性研究；(7~8周）
4、距离特性研究；（9~10周）
5、方向特性研究；(11~12周）
6、撰写毕业设计论文；（13~14周）
7、答辩。（15周）
主要参考文献[1] 杨庆新，陈海燕，李建贵.基于无接触电能传输系统的可分离变压器传输
性研究[J].电工技术学报,2007，22（Sup.1):107-110.
起止日期2013年2月25日至2013年6月7日
备注
院长教研室主任指导教师附表2
毕业设计（论文）开题报告表
姓名童芳林学院电自学院专业电气工程及其
自动化
班级电气094
题目磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究指导
教师
李阳
一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：
有线电能传输由于存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，甚至引起爆炸，造成重大事故等弊端，因此一种安全、方便的无线电能传输技术便成为科学家们最迫切的追求。无线电能传输技术始于1889年的美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉的研究，并且在无限探求下，2007年MIT的科学家提出了磁耦合谐振式的无线电能传输原理并成功利用该理论在2m 范围内点亮一个60W的灯泡。于是，电磁耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响。
本课题将对磁耦合谐振式无线电能传输的频率、距离和方向这三个基本特性对电能传输的功率和效率的影响进行研究，此研究将对该技术今后在电动汽车、航空航天、油田矿井、水下作业、电器、医疗器械等领域打下坚实基础，具有重要的科学意义。
二、进度及预期结果：
起止日期主要内容预期结果
2013.3.11-2013.3.24 2013.3.25-2013.3.31 2013.4.1-2013.4.14 2013.4.15-2013.4.28 2013.4.29-2013.5.12 2013.5.13-2013.6.7
2013.6.8
查阅期刊文献，收集资料。
学习频率特性。
学习距离特性。
学习方向特性。
实验测试与证明，并获取数据。
撰写论文、修改论文。
答辩。
了解课题；
掌握频率特性；
掌握距离特性；
掌握方向特性；
结果与理论一致
完成论文。
完成答辩。
完成课题的现有条件磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验装备。
审查意见
指导教师：年月日学院意见
主管领导：年月日附表3
天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表
（论文类）
题目磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
学生姓名童芳林学生班级电气094班指导教师姓名李阳
评审项目指标满分评分
选题能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。题目大小、
难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。
10 题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10
课题调研、文献检索能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课
题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新
知识的能力。
15
论文撰写
结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。10
文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书
写格式符合规范。
10
外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。 5
论文水平论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，
论证过程有说服力。
15 有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结
论有可验性。
15 论文有独到见解或有一定实用价值。10
合计100
意见及建议：
评阅人签名：年月日
附表4：
天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表
学生姓名童芳林学院名称电气工程与自动化专业班级电气094班题目磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：
指导教师签字：年月日2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：
答辩主席（或组长）签字：年月日3．毕业设计（论文）总成绩：
a.指导教师给定成绩
b.评阅教师
给定成绩
c.毕业答辩成绩
总成绩
(a×0.5+b×0.2+c×0.3)
成绩：成绩：
摘要
近些年，无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。作为一种新型的无线电能传输方式，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输功率大、传输距离远、能量传输效率高、穿透性强，以及无方向性等特点。
目前，磁耦合谐振式无线电能传输距离为几十厘米，传输效率可以达到90%，传输功率可以达到瓦级。通过对磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性的深入研究，可扩大传输范围、增强传输效率，具有重要的研究价值和实用价值。
本文首先利用耦合模理论分析了磁耦合谐振式无线传能的机理，然后建立等效模型，在理论上研究了系统的频率特性并得到了频率分裂现象的规律，接着由频率特性进一步推导得到了系统的距离（包括轴向和径向距离）特性和方向特性。为了进一步验证理论分析的正确性，本文设计了磁耦合谐振式无线传能的实验系统，具体包括：信号源、功率放大器、发射与接收系统以及整流调压电路等。利用实验电路对本文所提理论进行实验验证，包括频率、距离、方向等特性实验，实验结果与理论分析具有较好的一致性，证明了设计方案的有效性。
关键词：无线电能传输；磁耦合谐振；频率特性；距离特性；方向特性
ABSTRACT
In recent years, more and more widely attention has been paid to wireless power transmission technology. As a new type of wireless power transmission technology, wireless power transfer technology via magnetic resonance coupling has the characteristics of a higher transfer power, a longer transfer distance and a very higher efficiency, and which can be nearly non-directional and be able to go through various non-metallic objects.
At present, magnetic coupling resonant wireless power transmission distance can be from scores of centimeters to several meters, transmission efficiency can reach 90%, and transmission power can reach watt grade. Via the in-depth study on the basic characteristic of the magnetic coupled resonant wireless power transfer, we can expand the scope of transport, and enhance the transport efficiency, which has important research value and practical value.
Firstly this paper had been studied the mechanism of wireless power transfer via magnetic resonance coupling by using the coupled mode theory, then it was theoretical studied the frequency characteristics of the system and the frequency splitting phenomena via establishing the equivalent model. Followed by the frequency characteristics were the system's distance (including the axial and radial distance) characteristics and direction characteristics. In order to verify the correctness of theoretical analysis, this paper had also been designed the experiment system of magnetic coupling resonant wireless energy transfer, it specifically included: signal source, power amplifier, transmitting and receiving system, and a rectifying voltage regulating circuit. The theory proposed on this paper was verified by experiments on the circuits of the above design, which including frequency, distance, direction and other characteristic experiments. The experimental results were in good agreement with the theoretical analysis, which proved the validity of the design.
Keywords:wireless power transfer；magnetic resonance coupling; characteristic of frequency; characteristic of distance; characteristic of direction
目录
前言
第一章绪论 (1)
1.1无线电能传输方式分类 (1)
1.1.1电磁波辐射式无线电能传输 (1)
1.1.2感应耦合式无线电能传输 (2)
1.1.3磁耦合谐振式无线电能传输 (3)
1.2磁耦合谐振式无线传能的国内外现状 (4)
1.3课题背景以及研究的目的和意义 (7)
1.4本文主要研究内容 (7)
第二章磁耦合谐振式无线电能传输的原理 (8)
2.1磁耦合谐振 (8)
2.2耦合模原理 (9)
2.3磁耦合谐振式无线电能传输模型 (11)
2.4本章小结 (12)
第三章磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究 (13)
3.1频率特性的研究 (13)
3.2距离特性的研究 (16)
3.2.1轴向距离的研究 (16)
3.2.2径向距离的研究 (18)
3.3方向特性的研究 (19)
3.4本章小结 (20)
第四章磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计 (21)
4.1系统总体框架设计 (21)
4.2信号源的设计 (21)
4.3功率放大器的设计 (23)
4.4发射与接收系统的设计 (25)
4.5高频整流调压系统的设计 (27)
4.6本章小结 (29)
第五章磁耦合谐振式无线电能传输的实验研究 (30)
5.1频率特性的实验研究 (30)
5.2距离特性的实验研究 (32)
5.3方向特性的实验研究 (34)
5.4本章小结 (37)
第六章结论与展望 (38)
参考文献 (39)
附录 (42)
谢辞 (51)
前言
无线电能传输是指利用一种特殊设备将电源的电能转变为可无线传播的能量，在接受端又将此能量转变回电能，从而到达对用电器的无线供电。这种传输方式可以解决有线传能方式带来的许多不便甚至弊端，例如：美化城市环境、扩大室内可利用空间、减小摩擦起火甚至爆炸的潜在危险等。因此作为一种更为灵活方便的能量传输方式——无线传能技术便成为人类一个追求，多年来国内外的科学家们执着的对此开展了很多探索研究工作。
最初在1831年，迈克尔·法拉第发现了周围磁场的变化将在电线中产生电流，这奠定了无线传能的基础理论。接着在1890年，尼古拉·特斯拉提出了把地球作为内导体、距离地面约60km的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球表面的电磁波来远距离传输电力，他想象电能像广播一样传遍全球，并在1899年,Nikola Tesla在Wardenclyffe进行的无线功率传输实验就证明了,可以在没有导线的情况下点亮25英里以外的氖气照明灯。至此正式拉开了无线传能技术的大门。
磁耦合谐振式无线电能传输技术于2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上首次被提出，研究人员理论性的分析了在非辐射场通过谐振耦合的方式实现中距离能量传输的可能性。2007年，MIT的研究人员取得重大进展，他们采用高频电磁谐振耦合方式实现了电能的中距离无线传输。2008年8月，Intel西雅图实验室的Joshua R. Smith研究小组基于MIT磁谐振技术开发出可为笔记本或PDA等电器充电的传能装置，能够在1m距离内无线传输60W的电力，效率可达75%。对传输距离、功率以及效率增加等方面的研究仍在不断深入。
本文将建立磁耦合谐振式无线电能传输系统的模型，并设计具体实验电路，该实验装置包括信号发生源、功率放大器、谐振发射电路、谐振接收电路和负载部分，将对磁耦合谐振式无线传能方式的基本特性进行研究分析。本文将采取理论与实验相结合的方法，通过对比实验验证理论分析，最终得到系统基本特性对传输效率的影响。
天津工业大学2013届本科生毕业设计（论文）
第一章绪论
1.1无线电能传输方式分类
无线传能技术是一种利用特殊设备将电能以无线形式进行传输，从而在无需电线连接的情况下直接传输能量的技术。自1840年电磁感应定律被发现以来,人们便开始了对无线技术的研究，随着能源问题的突出、小型无线设备的大量出现以及电力电子技术的发展，无线传能技术逐渐成为能量研究领域的一大热点。根据无线能量传输原理的不同，可将目前为止已面世的无线能量传输方式分为三类：电磁波辐射式无线电能传输技术、感应式无线电能传输技术、磁耦合谐振式无线电能传输技术。下文将详细介绍这几种无线电能传输方式的原理、特点、优势、难点及当前国内外发展研究的情况。
1.1.1电磁波辐射式无线电能传输
电磁波辐射式无线电能传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理,例如微波无线能量传输技术[1,2]，就是利用微波转换装置把直流电转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经过微波整流器后重新转变为直流电。它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。作为一种点对点的能量传输方式，采用微波技术传输电能具有以下特点：（1）能量以光速进行传送，可迅速变换传输方向。（2）在真空中传递能量无损耗，波长较长时在大气中能量传递损耗很小，能景传输不受地球引力差的影响。（3）微波电能传输的距离远．频率越高传播的能量越大。
故而微波技术被普遍应用于远距离大功率无线输电上。1964年美国WC Brown 成功演示了工作在245GHz频率上的直升飞机，该飞机从天线中获得了200W的功率。在这之后1969到1975年Brown将30kW的微波能量束传播到一英里远的接收站上。效率高达84%[3]。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划——建立“SPS太阳能卫星基准系统”。如图1-1。到了九十年代，日本以经都大学为主也加入了无线能量传输技术研究的竞争阵营，并计划2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。2003年时欧盟就利用微波输电技术在非洲的留尼汪岛建造了一座10千瓦的实验型微波输电站，而整流天线的研究也在不断的深入，整流天线的研究越来越向高频率、高集成化方面发展。
虽然该技术可以实现极高功率的无线传输，但是在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，能量传输受方向限制，并且不能绕过或穿过障碍物，微波在空
气中的损耗也大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害，所以该技术一般应用于特殊场合，如低轨道军用卫星、天基定向能武器、微波飞机、卫星太阳能电站等许多新的、意义重大的科技领域，具有美好的发展前景。
图1-1 太阳能发电微波无线能量传输示意图
1.1.2感应耦合式无线电能传输
感应耦合式无线能量传输技术[4-8](InductiVe Power Transfer简称IPT)主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器[9-12]或者可分离变压器[13-15]方式实现功率无线传输。该技术是将两个线圈放置在邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量为媒介，导致另一个线圈之中也产生电动势。采用这种能量传输方式的特点有：（1）能量接收端与次级线圈相连，具有可灵活移动的特点；（2）原理简单，易于实现，可用于对距离要求不高但又不需要机械和电器设备相连接的场合。
以松耦合变压器为中心的开环感应式无线能量传输的原理如下：输入的能量经整流滤波变成直流电压输出，再经高频逆变成交流电压信号加载到补偿后的松耦合变压器的一次侧线圈，按照一次侧原边线圈匝数比，二次侧副边线圈感应原边能量，经副边补偿和整流滤波得到我们所需要的直流电。松耦合变压器的气隙宽度即能量传输距离，该气隙宽度直接影响变压器的能量转换效率，一般是气隙宽度越小，变压器效率越高，因此，这也就决定了感应式无线能量传输技术的传输距离非常近，约为几个毫米。系统框架图如下1-2所示：
交流电源
整
流
滤
波
高
频
逆
变
器
原
边
补
偿
一次侧
线圈
二次侧
线圈
副
边
补
偿
M
功
率
调
节
等
效
负
载
松耦合变压器
图1-2基于分离式变压器的无线供电电路示意图
目前，这种技术已经在部分领域中得到应用，包括电动牙刷、电动剃须刀、无线电话、净水器等。如图1-3为英国SplashPower公司2005年上市的无线充电器splashpads，就是利用了变压器原理，在塑胶薄膜里面装有产生磁场的小线圈阵列(变压器原边)，以及由磁性合金绕以电线制成的口香糖大小的接收线圈(变压器副边），可以贴在电子设备上。由于该技术的传输距离[16]太近，并不能把人们从电线的束缚中解放出来，给人们生活带来方便，所以这种为小功率型移动设备如手机、MP3等充电的无线充电器到目前并不普及，该技术主要用于恶劣环境下为大型功率设备供电，如电动汽车，起重机、电梯、牵引式电力机车、运货行车及井下、水下设备，如图1-4所示为日本设计的感应式充电电动汽车。
图1-3无线充电器splashpads图1-4日本感应式充电电动汽车
1.1.3磁耦合谐振式无线电能传输
磁耦合谐振式能量传输方式是指非辐射电磁能谐振效应，又称作“Witricity”无线供电技术。该种技术的原理是利用两个具有相同的特定谐振频率的电磁系统，在相距一定的距离时，由于电磁耦合产生谐振，进行能量传递。一般来说，两个有一定距离的电磁系统，相互之间是弱耦合，但若两个系统的固有谐振频率相同，则会产生强磁谐振，如果一方不断为系统提供能量，而另一方消耗能量，则实现了能量的传输。如图1-5所示为谐振式能量传输系统示意图，能量接收器与发射源采用具有相同谐振频率的感应线圈，发射源由振荡电路激发感应线圈产生交变磁场，当具有相同谐振频率的接收端感应线圈进入磁场时，在接收线圈上产生磁谐振，在接收装置中不断集聚能量，提供给负载使用，从而实现能量传递。理论上发射源可以同时给多个在有效区域内的接收装置供电，而其它非此特定谐振频率的系统则不受影响或影响很微弱。
采用磁耦合谐振式无线电能传输方式的特点是：（1）电磁辐射水平低。和核磁共振仪的辐射程度相差无几，可以有效的避免电磁辐射对人体的危害。（2）系统只对能与其产生频率共振的设备进行电能的传输，合理设置共振参数可避免对其他电子设备的影响，从而使电能有效的传输。也可以同时给几个不同的电子设
备提供能量。
图1-5磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图
与以往提出的无线电能传输技术有根本的不同，磁耦合谐振式无线能量传输技术是一项在非辐射场区通过磁谐振耦合的方式实现无线中距离能量传输的新技术。它着重研究近场区磁谐振空间耦合机制和谐振耦合能量传输机理，以实现无线中距离能量传输。
该技术有一个重要特点是它的非辐射性，与通信用的无线发射机有着本质区别，他要求通过适当的设计与控制使系统不向外辐射电磁波，以免能量消耗在空间中，可以理解为利用的是电磁波的近场特性。如果系统中只有发射源而无接收端，则系统的损耗就是发射源自身的热损耗和极少量的空间损耗，一旦在有效范围内有接收端，则开始传输能量；空间进行能量交换的媒介是交变磁场对环境影响较小（电场则会发生危险）；无严格的方向性，采用适当的设计，甚至可以做到无方向性。良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。它与感应式无线能量传输技术不同之处在于该技术融合了共振技术，不仅提高了能量的传输距离，而且提高了能量的传输效率。另外，该技术不像微波对人体产生危害，由于人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何影响，再则，该技术实现能量传输的基本原理是共振，只有谐振频率相同的谐振体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及周围物体产生危害。
1.2磁耦合谐振式无线传能的国内外现状
本文所研究的电磁耦合谐振式无线电能传输技术是国内外学术界和工业界开始探索的一个新领域。2006年11月，在美国物理学会工业物理论坛上,麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic首次提出了该技术[17]。MIT的研究者认为，具有相同谐振频率的物体组成耦合谐振系统(如声音、电磁场、核子等)，可高效率的交换能量。相对于其他介质，磁场更安全更适合于生活应用，提出了以时变磁
场为耦合媒质的电磁谐振实现无线能量传输[18]。并作出实验成功点亮7英尺(约2.1m)远的60W电灯泡，能量效率可达到40％。验证了所提出的无线能量传输方式的可行性，实验装置如图1-6所示。
图1-6 MIT无线能量传输装置
继成功实现磁耦合谐振无线能量传输后，麻省理工学院的研究人员又提出两种提高传输效率的谐振体结构：随时间周期性变化的耦合传输结构[19]，和多接收端能量传输方式[20]，其数学模型都是耦合模理论的延伸。多接收端能量传输方式，一个大的源线圈向多个具有相同谐振频率的小线圈传输能量。其总的工作效率高于向其中任意一个小线圈传输能量的效率。
美国内华达州雷电实验室的G.E.Leyh等继承Tesla衣钵，成功研制电场耦合谐振无线能量传输实验装置如图1-7所示，图中两个空心变压器作为无线能量传输的发射与接收端，变压器与电极连接，成功的将800W电力用无线的方式传输到5米远的距离[21]。
图1-7 美国内华达州雷电实验室的无线电力传输装置
G.E.Leyh首先提出三种可能的耦合机理：(1)通过大地电流耦合传输能量，通过独立接地实验和Ansoft有限元仿真否定了该传输机理；(2)电极之间的电场
耦合传输能量；(3)变压器线圈之间的磁场耦合传输能量。通过建立仿真电路和实验结果分析，图1-7所示的无线能量传输的耦合机理为电场耦合,仿真计算与实际测量对比如图1-8所示。
图1-8 仿真计算与实验测量数据（距离-传输功率）
G .E.Leyh 验证了电场耦合的无线能量传输的可行性，无论是传输功率还是传输距离，都相对较高，但是电场耦合无线能量传输易受静电干扰。
东京大学的Takehiro Imura 等研究者提出，将磁耦合谐振无线能量传输技术应用于电动汽车充电系统[22],如图1-9所示。然后在2010年9月，Witricity 公司宣布与德尔福汽车系统公司合作开发为电动汽车充电的无线能量传输系统。下一步并将与Delphi 公司共同致力于基于电磁耦合谐振技术的电动汽车的研发。 整流电路
电池储能器
高频功率源接收线圈
发射线圈
图1-9 磁耦合谐振无线充电技术应用于电动汽车
国内，清华大学、中科院电工所、南京航空航天大学、南京理工大学、重 庆大学、西安交通大学、湖南大学、大连理工大学等也在对这一领域开展相关研究工作。但起步较晚，香港城市大学的S.Y .Hui 、H.Chung 和S.C.Tang 等人研究了无线电能接入技术及微型化应用，如手机充电器等。重庆大学自动化学院孙跃教授也对无线电能传输系统进行了研究，并对系统的方向性进行了分析[23-25]。西安交通大学的王兆安教授和卓放教授等人对系统频率分裂现象、负载电压控制等
进行了研究[26]。
1.3课题背景以及研究的目的和意义
无线电能传输技术是一项新的让人充满期待和憧憬的应用型能量传输技术。由于电能的传输与设备的充电接口无关，所以如果这一技术一旦得到普及，不仅将使得电子产品不受插座和线缆束缚，充电更方便，而且将使不同品牌、不同接口的充电器不兼容的问题得到解决；同时没有了电线和充电接口就增大了可利用空间，对环境起到了美化的效果；更为重要的是在易燃易爆环境和水下操作、油田井下等特殊场合时，该技术避免了有线时会出现的种种危险情况，有效的保证了人身财产安全。因而无线电能传输技术的应用范围将十分广阔，不仅在电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、油田矿井、水下作业、无线传感器网络等领域具有重要的应用价值，而且在家用电器、医疗器械等民用领域也具有广泛的应用前景，对电磁理论和充电技术的发展同样具有重要的科学意义。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线电能传输技术还被列为“10项领域未来的科学技术”之一。
本课题针对磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本特性进行深入研究，在对其传输机理的研究的基础上，建立磁耦合谐振式无线电能传输的系统模型以及设计具体的传输系统电路，展开实验，主要研究其频率、距离以及方向特性，明确系统的这几种基本特性。
本课题的研究将为该技术在今后各个领域的应用打下坚实的基础。随着传输距离、功率、效率的提高，在更多领域都将有实用价值。有朝一日，我们的家用电器、移动设备、医疗器械以及其他电子产品都将实现无线充电，我们不用再担心没带充电器，家里再也不用看见密密麻麻的插头，不仅方便而且节省资源。尤其在生物医学领域，比如心脏移植的患者，不用定期做手术取出电池，更加安全、快捷、方便。
1.4本文主要研究内容
本课题进行对磁耦合谐振式无线电能传输系统的基本特性的研究，主要内容包括以下几个方面：
1.分析基于磁耦合谐振的无线能量传输的机理，研究该无线能量传输技术的内在规律；
2.设计能量传输的系统模型，理论性的研究传输系统的几个基本特性，如：距离、频率以及方向特性等对系统传能效率的影响；
3.设计磁耦合谐振式无线传能系统电路，分析各功能模块在系统中发挥的作用；
4.构建磁耦合谐振式无线能量传输系统的具体实验电路，设计具体实验步骤验证本文所提理论的正确性。
第二章磁耦合谐振式无线电能传输的原理
2.1磁耦合谐振
谐振也就是指共振现象广泛的存在于自然界中，如：乐器的音响共振击碎玻璃杯，动物耳中基底膜的共振，电路的共振等等。谐振现象均可形象的转化为LC振荡电路来表述。
磁耦合是载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象。在近场区[27,28],电磁场能量在辐射源内部及辐射源周围空间之间周期性地来回流动，不向外辐射，即非辐射性磁耦合。在某一个确定频率下，具有相同谐振频率的谐振物体间产生强耦合，从而有效地进行能量转移。
导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。
两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。
磁耦合谐振式无线电能传输技术，就是利用磁耦合和谐振技术来实现电能的无线传输。其理论基础是耦合模式理论[28](CMT)，其主要思想是系统中具有相同谐振频率的物体之间通过强耦合从而进行高效率的能量交换，而偏离谐振频率的物体之间相互作用则较弱。
谐振耦合电能无线传输装置如图2-1所示，一个完整的谐振耦合无线输电系统，除2个发生自谐振的线圈外，还必须有发射功率源和接收功率设备。
高频振荡电路高频
功率
放大
电路
R1
L1L S L D L W R L
M
D
图2-1 磁耦合谐振式无线传能装置图
上述图2-1中，高频振荡电路和高频功率放大电路用于产生高频功率源；隔空传递能量的两空心线圈分别是L S、L D(其中S代表发射线圈，D代表接收线圈)；
所有四个线圈L 1、L S 、L D 、L W 均被设计成具有相同的谐振频率，在磁场的作用下产生谐振，但由于功能不同，各个线圈的其它参数不完全相同，比如品质因数、外形尺寸等。在此结构中，L 1与L S 之间和L D 与L W 之间都是近距离耦合，L S 与L D 之间是远距离耦合。空心线圈L 1将能量感应到与它相邻的发射线圈L S 上；电阻R 1用于测量电流；L W 、R L 为负载回路，为减少负载回路电抗对接收线圈L D 自谐振频率的影响，L W 做成单匝线圈，这样负载回路感抗极小，也不存在高频线圈匝与匝之间的杂散电容，容抗可忽略为0，故可认为负载回路为纯电阻回路，它反射到线圈L D 的阻抗即为纯电阻，单匝线圈L W 从线圈L D 上感应到的能量给负载R L 供电，从而完成整个能量的无线传输。
2.2耦合模理论
耦合模公式体系是普遍适用的，可用于处理多种谐振模式或者传输模式的物理系统[16]。应用耦合模公式建立磁耦合谐振式无线能量传输系统中，谐振体之间的耦合关系。
磁耦合谐振式无线能量传输系统中，单个谐振线圈可等效为一个LC 振荡电路：
C L i(t)
+
-
u (t)
图2-2 谐振线圈等效电路图
在上图LC 电路中，电感周围磁场中存储的能量是磁能的形式ωm =1/2Ci 2,而在电容器中存储的是电能形式ωe =1/2Cu 2。系统中的能量周期性的在电感L 和电容C 中间转换。
根据欧姆定律得到电路中各元件的电压、电流关系如下：
dt
du C i = （2-1） dt
di L u -= （2-2） 式中i ——谐振电路的电流，方向如图2-2；
u ——电路中电感两端电压，方向如图2-2。
对式（2-1）以及（2-2）进行化简，将式（2-2）两边同时乘以常数X=±jω=±j1/(LC)，然后与式（2-1）相加可得下式（2-3）：
磁耦合谐振式无线电能传输 DOI：10.16640/jki.37-1222/t.2016.12.137 1磁耦合谐振式无线电能传输 （1）无线电能传输。无线电能传输，简称WP■技术，是根据能量传输过程中中继能量形式的不同，在不使用导线连接的情况下通过电场等进行进行传输的新型技术。其主要包括：磁（场） 耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式（如太阳辐射）、机械波耦合式（超声）。其中，磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。这项技术开创了人类通信的新纪元，基于能源供给而产生的无线电技术将会创造出人类能源史的新里程，其给大众带来的意义与影响也非同凡响。这项技术的使用具有以下的特点： 1 ）通用性电波的传输不需要导线进行连接一旦普及，将会使电子产品从导线的束缚中解脱出来，电器接口、兼容性的问题将得到解决，供电更方便，便捷人们的生活，提高人们的生活水平，提高人们的生活质量。 2）便携性、实用性目前的生活状况下实现无线电能传输依旧面临这挑战，但这项技术的推广，将会极大的提高传输的速度、传输
的量，对彻底解决人民生活中电力的供给问题提供有力的帮助，方便生活，提高效率。同时，对于目前很多缺乏或者无法布置电线造成的供电困难现象，无线电能传输的普及将会使这难题得到解决，紧急情况下快速地供电模式也是未来发展的必然趋势，例如加拿大等国开始尝试使用辐射式供电驱动的无人飞机作为电视转播台。 3）美观性不以导线连接的无线电能传输，将会推动电子设备的体积进一步的减小，电子设备的数据线将不再需要，便捷人们生活的同时，营造一种美观性。在能效转化效率、电磁人体辐射安全的情况下，无线供电时代的普及，将能够有效解决家庭布线、家电固定化等破坏问题，节省铜、塑料等资源。 4）安全性无线电能传输技术的普及，将会消除电子设备接触产生的电火花、电火花可能引起的爆炸、插头损坏和接触不良等安全隐患。如使用无线充电技术的电动牙刷和电动剃须刀的防水性将进一步得到提高。 5）绿色性、永久性若空间太阳能发电实现真正的商业运作化，人类将能从太阳能得到巨大的能量，在能源不缺乏的基础上，无线电能传输将而真正解决能源问题，实现绿色能源，提高能源供给，解决能源危机，造福后代。 （2）磁耦合谐振式磁耦合谐振式，作为新的无线电能传输方式，主要工作原理是利用物理学的"谐振" 原理，两个振动频率相同的物体能高效传输能量。基于磁场谐振耦合的无线电力传输，实际上是将磁场作为传输的介质，当电源发送端的振荡磁场频率和接收端
本科毕业设计论文 开题报告 题目：电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名 指导教师 专业班级 学院信息工程学院 提交日期
电能无线传输装置的硬件设计 姓名：专业班级： 1 课题研究背景及意义 人类社会自第二次工业革命以来，便进入了电气化时代。大至遍布世界各地的高压线、电网，小至各种各样的家用电气设备，传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中将不可避免的产生一些问题。例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性[1]，且会缩短设备的寿命。在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，导线直接接触供电还有电击的危险[2-4]。这一系列的问题都在呼唤着一种摆脱金属电缆的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输（WPT）是一种有效的新型电能传输方法，通过无线电能传输，不需要使用电缆或其他实物就能进行电能的传输，电能可以通过短距离耦合，中等范围的谐振感应和电磁波感应传输，在很难使用传统电缆的地方也可以实现电能传输[5]。实现无线电能传输，将使人类在电能方面的应用更加宽广和灵活。电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代,给大众带来非同凡响的意义和影响根据传输原理的不同。 无线电能传输方式按传输原理的不同可分为电磁感应式、电磁共振式以及电磁波辐射式三种。作为无线电能传输的三种主流方式，它们都有各自的优势与不足。一般来说，电磁感应技术比较具有实现性，且已应用于当前各种电子产品，它的优点是能量的传输效率较高，但存在传输距离短，发热大，线圈对准困难等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振无线电能传输中和了上述两种传输方式，具有中中等距离传输和较高效率的特点，因而受到的关注较多。
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。
目录 1系统方案 (2) 1.1系统总体思路 (2) 1.2系统方案论证与选择 (2) 1.2.1 电源模块论证与选择 (2) 1.2.2驱动模块论证与选择 (2) 1.2.3线圈的论证与选择 (2) 1.2.4整流电路的论证与选择 (2) 1.3系统总体方案设计 (3) 2理论分析与计算 (3) 2.1 TL494应用原理 (3) 2.2 IR2110原理 (3) 2.3 无线传输原理 (4) 2.4 计算公式 (4) 3电路设计 (4) 3.1电源模块（图3） (4) 图3 电源模块 (5) 3.2驱动模块（图4） (5) 3.3传输模块（图5） (5) 4测试方案与测试结果 (6) 4.1测试方法与仪器 (6) 4.2测试数据与结果 (6) 4.3数据分析与结论 (7) 参考文献 (8)
无线电能传输装置（F题） 1系统方案 1.1系统总体思路 由题我们设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，且用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过驱动电路产生交变电流，对发射线圈进行供电，线圈利用磁耦合谐振式原理，将电能无线传输到接收线圈端，最终在接收线圈端产生电流，达到无线电能的传输的要求。 经过几天的测试，制作出了传输效率达38.3%，x的值最大为26 cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置。 1.2系统方案论证与选择 1.2.1 电源模块论证与选择 方案一：利用双电源，直接对电路进行供电。 方案二：利用单电源，再接入PWM控制器芯片TL494固定频率的脉冲宽度调制电路，能够有效地将直流电转换为高频脉冲。 TL494芯片的功耗低，构成的电路结构简单，调整方便，输出电压脉动小；且IR2110 的电路无需扩展，使电路更加紧凑，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，为获取死区时间，可由基本振荡电路、与门电路构成，为方便我们选用TL494，选择方案二。 1.2.2驱动模块论证与选择 方案一：利用三极管对无线电能传输装置进行驱动，可以比较经济地进行驱动。 方案二：使用两个IR2110对无线电能传输装置进行驱动，因其15V 下静态功耗仅116mW输出的电源端电压范围10～20V,工作频率高，可达500kHz，能够很好地满足线圈进行电能传输的需要。 考虑到线圈所需谐振频率较高，而三极管的通断不是那么灵敏，所以选择较为灵敏的场效应管，又考虑到电路的简便，则选择方案二。 1.2.3线圈的论证与选择 方案一：利用单层同心圆平面绕组，但其输出的频率很高对电容要求过高。 方案二：利用多层绕组。 考虑到多层绕组的频率相对稳定，它对谐振电容的要求较低，还有它对线圈的磁场干扰较小，并且它的电能传输效率能够达到标准，因此选择方案二。 1.2.4整流电路的论证与选择 方案一：二极管半波整流。利用二极管的单向导电性，二极管承受反压大，很有可能会烧毁二极管，直流电源输入时，不能构成放电回路，不适用于本电路。 方案二：桥式整流。四只整流三极管D1~4 和负载电阻RL组成。四只整流三极管接成电桥形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，且成本低，效率高，适用于各种电路。 考虑到半波整流对电能的损失，我们选择的损失较小的全波整流，因此选择方案二。
本科毕业设计论文 本科毕业设计论文题目：电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名 指导教师 专业班级 学院信息工程学院 提交日期2016年06月10日
浙江工业大学本科毕业设计论文电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名： 指导教师： 2016年6月10日
Dissertation Submitted to ZhejiangUniversity of Technology for the Degree of Bachelor Hardware Design of Wireless Power Transmission Equipment College of Information Engineering Zhejiang University of Technology June 2016
浙江工业大学 本科生毕业设计（论文、创作）任务书 一、设计（论文、创作）题目： 电能无线传输装置的硬件设计 二、主要任务与目标： 根据对电能无线传输装置的要求，设计相应的硬件线路。要求通过单片机控制开关元件，使LC电路发生谐振，实现电能无线传输的要求，并完成整机的调试。 三、主要内容与基本要求： 1.根据无线传输装置的要求完成相关硬件设计，选择合适的谐振电路形式，使无线传输的性能指标处于较好 2. 撰写毕业论文和提交相关设计文挡、图纸等。 四、计划进度： 2015.12.20~2016.3.1 收集相关资料文献，学习相关软硬件基础知识；完成外文翻译、文献综述；熟悉课题，做好开题准备，有初步设计方案；2016.3.2~3.10 完成开题报告，参加开题交流；2016.3.11~4.30 完成电能无线传输装置的硬件设计，接受中期检查；2016.5.1~5.31 制作硬件线路，调试与改进，做出最终设计成品。撰写毕业论文初稿；2016.6.1~6.17 论文修改，毕业答辩，提交相关文档资料。 五、主要参考文献： [1] 傅文珍，张波，丘东元等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计,中国电机工程学报[J].2009.6:21-26; [2] 翟渊，孙跃，戴欣等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析,中国电机工程学报[J].2012.4:155-160; [3] 于建阁，吕干云，吴张勇等. 基于松耦合变压器的小功率CPT系统, 电工电能新技术[J].2012.7:93-96。 任务书下发日期2015 年12 月20 日 设计（论文、创作）工作自2015 年12 月20 日至2016 年 6 月20 日 设计（论文、创作）指导教师 系主任（专业负责人） 主管院长
1 综 述 作者简介：程丽敏(1988- )，女，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展 程丽敏，崔玉龙 (北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029) 摘 要：作为一种无线电能传输(WPT)方式，磁耦合谐振式无线电能传输距离为几十厘米，传输效率 可以达到90%，传输功率可以达到千瓦级。对磁耦合谐振式WPT 系统的整体结构类型，谐振器的拓扑结构类型，提高传输距离、传输效率和传输功率的方法及谐振频率分裂等几方面进行了研究。总结了国内相关高校的研究成果，并给出了该技术的应用前景及存在问题。 关键词：磁耦合谐振式；无线电能传输；发展现状；存在问题；应用前景中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2012)12-0001-05 Abstract: As a mean of wireless power transmission (WPT), magnetic coupling resonant wireless power transmission distance can be from scores of centimeters to several meters, transmission ef ? ciency can reach 90%, and transmission power can reach kilowatt grade. Study was carried out for whole structure category of magnetic coupling resonant WPT system, topologic structure category of resonator, improvement of transmis-sion distance, transmission ef ? ciency and transmission power methods and resonant frequency split etc aspects. Summary was made for study results of related colleges and universities at home and the application prospect of the technology and existing problems was given. Key words: magnetic coupling resonant type; wireless power transmission; present development situation; existing problem; application prospect CHENG Li-min, CUI Yu-long （College of Information Science&Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China ） Magnetic Coupling Resonant Type Wireless Power Transmission Technology Study Progress 0 引言 无线电能传输(WPT)技术是不使用导线连接而通过电场、磁场、激光等软介质实现的电能传输方式。1890年，尼古拉?特斯拉提出了把地球作为内导体、距离地面约60km 的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz 的低频共振，再利用环绕地球表面的电磁波来远距离传输电力[1]。2006年11月，在美国物理学会工业物理论坛上，麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic 首次提出了磁耦合谐振式WPT 技术[2]。WPT 技术主要有3种，即电磁感应式、磁耦合谐振式和电磁辐射式。电磁辐射式WPT 技术是利用电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理而实现的能量传输。电磁感应式无线电能传输技术(简称IPT)主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现 电能无线传输。磁耦合谐振式WPT 的理论基础是耦合模式理论，两个相同谐振频率的振荡电路，在波长范围内是通过近场瞬逝波耦合的，感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内，允许能量高效地从一个物体传到另一物体。而与周围不同频率的物体之间的相互作用很弱，电能传输的介质是中高频的磁场。 1 磁耦合谐振式WPT技术研究现状 1.1 国外研究现状 1.1.1 WPT系统的整体结构类型 从磁耦合谐振式W P T系统的整体结构来看，可分为单发射器、单接收器的系统，单发射器、多接收器的系统，有中继谐振器的系统。 1)单发射器、单接收器的WPT系统 对于单发射器、单接收器系统，也有不同的实
无线电能传输装置设计报告 摘要 磁耦合谐振式无线电能传输是众多短距离电能特殊传输技术之一，它因其便捷，节 能环保而受到广泛关注。现在磁耦合谐振式无线电能传输距离已经可以达到米级的范围，甚至有些技术还能穿透障碍物，相信当无线传输距离问题解决以后该技术无疑对无线电能技术的发展具有重大的意义。该文主要讲述了运用磁耦合谐振无限能量传输的原理设计制作的小型无线电能传输设备。该设备主要包括驱动发射线圈电路，磁耦合谐振传输电路，磁耦合谐振接收电路，整流滤波电路，以及显示电路模块等。当发射和接收端都达到谐振频率时即可实现能量的最大传输。该设备在题目要求下可实现10cm以上，效率高达26%的能量传输，并且可以实现点亮30cm以外的2W的灯泡。 关键词磁耦合谐振无线电能传输发射距离接收效率 一、设计任务 设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。 要求：（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效
率η。（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。 二、方案论证 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，具有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芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控。 其主要特点为：
DIY磁耦合谐振式无线电力传输实验 一、实验内容 1．了解磁耦合无线电力传输的基本原理； 2．自组装和调试磁耦合式无线电力传输系统； 3. 探索频率和距离对无线电力传输的影响 二、实验方法 1．确定LC电路的共振频率 以下为确定LC电路的共振频率的几种方法，任选其中一种。 方法一：利用实验室提供的LC电表分别测量线圈的电感和电容，然后利用公式（1）计算共振频率。 方法二：如果线圈绕线比较规则，可以利用实验室提供的工具测量铜线的直径、线圈直径等参数，然后利用公式（3）计算线圈的电感，最后利用公式（1）计算共振频率。 方法三：利用信号发生器和示波器观察LC电路的充放电过程，测量其共振频率，具体方法参考实验十七RLC串联电路的暂态过程。 三、实验任务 1．研究工作频率对电力传输效率的影响 按照下图在九孔面包板上完成实验系统的连接。 E 固定接收线圈与发射线圈的距离，如5厘米。改变工作频率，利用示波器测量接收电路的信号幅度和频率，完成如下表格并绘制幅度-频率曲线。 表1 接收信号幅度与频率关系 频率(kHz) 幅度(V) 2．研究无线电力传输的距离对传输效果影响 调节R1的大小使得电路工作在共振频率之下，改变接收线圈与发射线圈的距离，利用示波器测量接收电路的信号幅度，完成如下表格并绘制幅度-距离曲线。 表2 接收信号幅度与距离关系
距离(cm) 幅度(V) 3.自制电感线圈（可以和实验室提供的形状、匝数不同），并联电容形成LC电路，分别测量电感线圈的电感L和电容C的数值；计算其固有共振频率，接入上图所示电路，观察其共振情况和电力传输效果，做记录。 四、报告要求 1.用坐标纸绘制上面的两条曲线，总结传输规律。 2.对自制的LC并联谐振电路的传输效果做分析和总结；对比实验室提供的LC电路，总结两者的特性和优劣。 补充讲义 实验七十七 DIY磁耦合谐振式无线电力传输实验 你知道吗，不用电线就可以传输电力，点亮一个灯泡，这样的事情是利用什么原理和技术实现的？摒弃杂乱的输电导线，实现电力的无线传输一直以来都是人们追求的梦想。早在1890年，美国物理学家尼古拉斯?特斯拉就提出并设计了无线电力传输实验模型。2007年，一种新型的可实用化的磁耦合谐振式无线能量传输技术由MIT的一组科学家得以实现。这种传输技术具有传输距离长，穿透能力强的特点。随后在2010年青岛海尔公司就研制出了“无尾”电视，可以肯定的是随着人们对生活品质要求的日益提高，各种家电设备会逐渐采用这种新型的无线传电技术，它会为人们生活带来很大的便利。 本实验为同学们自己动手实验探索利用磁耦合谐振原理进行无线电力传输提供了实验平台，通过实验你会深切地感到自己就可以研制这样一种实用的无线电力传输仪器。 实验目的 1．了解磁耦合无线电力传输的基本原理； 2．自组装和调试磁耦合式无线电力传输系统； 3. 探索频率和距离对无线电力传输的影响 实验系统 本实验采用磁耦合谐振方式进行电力传输，系统的工作原理图如图1所示。 ·1·
无线电能传输装置电路原理分析 一、发射端 1.H桥工作原理及驱动分析 要控制线圈内产生交流信号，需要给线圈提供正反向电压，这就需要四路开关去控制线圈两个输入端的电压。H桥驱动原理等效原理图图如图3-5所示，当开关S1和S3闭合时，电流从线圈左端流向线圈的右端；当开关S2和S4闭合时，电流从线圈右端流向线圈左端。 图3-5H桥驱动原理等效电路 图 常用可以作为H桥的电子开关器件有继电器，三极管，MOS管，IGBT管等。普通继电器属机械器件，开关次数有限，开关频率上限一般在30HZ左右，而且继电器内部为感性负载，对电路的干扰比较大，但继电器可以把控制部分与被控制部分分开，实现由小信号控制大信号，所以高压控制中一般会用到继电器。三极管属于电流驱动型器件，设基极电流为I B，集电极电流为I C，三极管的放大系数为β，电源电压VCC，集电极偏置电阻R C，如果I B*β>=I C,则三极管处于饱和状态，可以当作开关使用，集电极饱和电流I C=VCC/R C，由此可见集电极的输出电流受到R C的限制，不适合应用于电流要求较高的场合。MOS管属于电压驱动型器件，对于NMOS来说，只要V DS≥V GS-V T即可实现NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生电容的充放电，对MOS管驱动端要求不高，同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此一般用于需要大电流的场所。IGBT则是结合了三极管和MOS管的优点制造的器件，一般用于高压控制电路中。综合考虑，本设计选用了4只NMOS管组成H桥，其具有导通电阻R DS小，，电流I D大等优点。NMOS组成的H桥模型如图3-6所示。
无线电能传输装置F题 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
成都工业学院 毕业设计论文课题名称：无线电能传输装置 设计时间：2015.2.05—2015.5.18 系部：电气与电子工程系 专业：供用电技术 班级：1202161 姓名：刘佳福 指导教师： 目录
任务书 1.任务 根据2014年TI杯大学生电子设计竞赛题F题：无线电能传输装置，设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。 图1电能无线传输装置结构框图 2.要求 （1）保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置 的效率η。（45分） （2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。（45分） （3）其他自主发挥（10分） （4）设计报告（20分） 3.说明
（1）发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm；发射与接收线圈间介质为空气。 （2）I2=应为连续电流。 （3）测试时，除15V直流电源外，不得使用其他电源。 （4）在要求（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率22 11100% U I U I η=?。（5）制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。 摘要 随着技术的不断发展与进步，无线电能传输技术越来越备受关注，尤其在一些特定场合，无线电能传输技术具有传统电缆线供电方式所不及的独特优势，可以极大地提高设备供电的可靠性、便捷性和安全性。在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，Intel?Developer?Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密（Joshua?R.?Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。本设计主要由电生磁和磁生电两部分主成。第一部分发射电路由PWM集成控制电路TL494为主芯片的开关电源，以IR2110为驱动电路，控制两路输出，将电能传输给发射线圈，产生磁场；第二部分接收电路，接收线圈通过电磁感应将接收到的磁信号，转化成电能，整流滤波后，供负载LED灯正常发光。 关键词：无线电能传输、磁耦合、串联谐振、传送效率、距离 无线电能传输装置装置 1系统方案 1.1系统总体思路 根据任务要求设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM 脉冲信号，通过线圈驱动电路产生交变电流，在空间产生交变的磁场，利用磁耦合谐振式原理，在接收线圈端产生感应电势和电流，将电能无线传输到接收线圈，实现无线电能的传输。 经过几天的测试，制作出了传输效率达63.1%，线圈之间的距离x的值最大为 31cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置，满足了设计要求。
所谓无线电能传输，就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。无线 输电分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁共振适于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样即造成了浪费，也形成了对环境的污染。而在特殊场合下，譬如矿井和石油开釆中，传统输电方式在安全上存在隐患。孤立的岛屿、工作于山头的基站，很困难采用架设电线的传统配电方式。在上述情形下，无线输电便愈发显得重要和迫切，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。在此旨在阐述当前的技术进展，分析无线输电原理。 1无线电能传输技术的发展历程 最早产生无线输能设想的是尼古拉?特斯拉(NikolaTesla),因而有人称之为无线电能 传输之父。1890年，特斯拉就做了无线电能传输试验。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8 Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现。 其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。20世纪20 年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda发明了可用于无线电能传输的定向天线，乂称为八木一宇田天 线。20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布iM(W.C.Brown)做了大量的无线电能传输研究工作，从而奠定了无线电能传输的实验基础，使这一概念变成了现实。在实验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线，将频率2.45GHz的微 波能量转换为了直流电。1977年在实验中使用GaAs—Pt 肖特基势垒二极管，用铝条构造 半波电偶极子和传输线，输入微波的功率为8 W,获得了90.6%的微波一一直流电整流效率。后来改用印刷薄膜，在频率2.45 GHz时效率达到了85%o 自从Brown实验获得成功以后，人们开始对无线电能传输技术产生了兴趣。1975 年，在美国宇航局的支持下，开始了无线电能传输地面实验的5 ail'划。喷气发动机实验室和Lewis科研中心曾将30 kW的微波无线输送1.6 km,微波一一直流的转换效率达83%。1991
无线电力传输技术的发展 人类追逐自由的本能，在现实面前屡屡受挫。自从广泛使用电能以来，许多人都为了那些电器拖着的长长电线而绞尽脑汁，但无线供电却一直只能作为一个在前方远远招手的梦想。现在，我们也许看到了一线曙光。 在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，Intel Developer Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密斯（Joshua R. Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。 大刘在《三体II·黑暗森林》中描绘了一个两百年后的世界。因为人们掌握了可控核聚变技术，可以提供极大丰富的能源，无线供电的损失在可接受范围之内，所以大部分电器都可以采用无线方式来供电，从电热杯一直到个人飞行器都是如此。电像空气一样无处不在，人类再也不用受电线的拖累了。 正如书中所提到的那样，无线供电技术现在也已经出现了。实际上，近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，而我们现在生活中的很多小东西，都已经在使用无线供电。也许不远的未来，我们还会看到远距离和室内距离的无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，“插头”也将会变成一个历史名词。 好兆头 英特尔的这种无线供电技术，是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。 2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队公开做了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。
天津工业大学 毕业论文 磁耦合谐振式无线电能传输的 基本特性研究 学院电气工程与自动化 专业电气工程及其自动化
附表1 天津工业大学毕业设计（论文）任务书论文题目磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究 学生姓名学院名 称 电气学院专业班级电气094班 课题类型论文类 课题意义 在无线数据传输技术日益普及之时，无线电能传输也使在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线成为可能，并且它对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义。 无线电能传输主要应用于生物医学、交通运输、机器人的驱动、电池充电等，如果能研发出大功率、远距离的无线能量传输装置，将有可能引起能源领域一场变革。 本课题主要基于磁耦合谐振的最新无线电能传输技术的基本特性研究，包括频率特性、距离特性、方向特性等。通过对该技术的基本特性分析与研究，掌握其传输的规律，力图使电能具有较大的传输容量和较远的传输距离。为该技术的产业化提供支撑。 任务与进度要求1、课题调研，实习，查中、英文资料；（1~3周） 2、学习无线输电技术，电磁耦合等相关知识；（4~6周） 3、频率特性研究；(7~8周） 4、距离特性研究；（9~10周） 5、方向特性研究；(11~12周） 6、撰写毕业设计论文；（13~14周） 7、答辩。（15周） 主要参考文献[1] 杨庆新，陈海燕，李建贵.基于无接触电能传输系统的可分离变压器传输 性研究[J].电工技术学报,2007，22（Sup.1):107-110.
起止日期2013年2月25日至2013年6月7日 备注 院长教研室主任指导教师附表2 毕业设计（论文）开题报告表 姓名童芳林学院电自学院专业电气工程及其 自动化 班级电气094 题目磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究指导 教师 李阳 一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义： 有线电能传输由于存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，甚至引起爆炸，造成重大事故等弊端，因此一种安全、方便的无线电能传输技术便成为科学家们最迫切的追求。无线电能传输技术始于1889年的美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉的研究，并且在无限探求下，2007年MIT的科学家提出了磁耦合谐振式的无线电能传输原理并成功利用该理论在2m 范围内点亮一个60W的灯泡。于是，电磁耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响。 本课题将对磁耦合谐振式无线电能传输的频率、距离和方向这三个基本特性对电能传输的功率和效率的影响进行研究，此研究将对该技术今后在电动汽车、航空航天、油田矿井、水下作业、电器、医疗器械等领域打下坚实基础，具有重要的科学意义。 二、进度及预期结果： 起止日期主要内容预期结果 2013.3.11-2013.3.24 2013.3.25-2013.3.31 2013.4.1-2013.4.14 2013.4.15-2013.4.28 2013.4.29-2013.5.12 2013.5.13-2013.6.7 2013.6.8 查阅期刊文献，收集资料。 学习频率特性。 学习距离特性。 学习方向特性。 实验测试与证明，并获取数据。 撰写论文、修改论文。 答辩。 了解课题； 掌握频率特性； 掌握距离特性； 掌握方向特性； 结果与理论一致 完成论文。 完成答辩。 完成课题的现有条件磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验装备。
成都工业学院 毕业设计论文 课题名称：无线电能传输装置 设计时间：— 系部：电气与电子工程系 专业：供用电技术 班级： 1202161 姓名：刘佳福 指导教师：
目录 1系统方案.......................................................................... IV 系统总体思路................................................................... IV 系统方案论证与选择............................................................. IV 信号发生方案选择........................................................... IV 驱动电路方案选择........................................................... IV 整流电路方案选择............................................................ V 总体方案设计.................................................................... V 2理论分析与计算.................................................................... VI 发射模块分析与计算............................................................. VI 信号发生电路原理分析与计算 ................................................ VI 驱动电路原理分析与计算.................................................... VI 接收模块分析与计算............................................................. VI 参数选择...................................................................... VII 3电路设计......................................................................... VII 信号发生电路.................................................................. VII 驱动电路....................................................................... IX 功率MOSFET的使用......................................................... IX IR2110芯片的使用........................................................... X 接收电路...................................................................... XII 4测试方案与测试结果.............................................................. XIII 测试方法与仪器............................................................... XIII 测试数据与结果............................................................... XIII 5实物制作图片..................................................................... XIV 致谢........................................................................... XVII 参考文献........................................................................ XVIII
无线电力传输技术
无线电力传输技术 无线电力传输技术 人类追逐自由的本能，在现实面前屡屡受挫。自从广泛使用电能以来，许多人都为了那些电器拖着的长长电线 而绞尽脑汁，但无线供电却一直只能作为一个在前方远远招手的梦想。现在，我们也许看到了一线曙光。 在2008年8月的英特尔开发者论坛(IDF , Intel Developer Forum )上，西雅图实验室的约书亚史密斯(Joshua R. Smith )领导的研究小组向公众展示了一项新技术一一基于磁耦合共振”原理的无线供电， 在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称，在 这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。 大刘在《三体II黑暗森林》中描绘了一个两百年后的世界。因为人们掌握了可控核聚变技术，可以提供极大丰富的能源，无线供电的损失在可接受范围之内，所以大部分电器都可以采用无线方式来供电，从电热杯一直到个人飞行器都是如此。电像空气一样无处不在，人类再也不用受电线的拖累了。 正如书中所提到的那样，无线供电技术现在也已经岀现了。实际上，近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，而我们现在生活中的很多小东西，都已经在使用无线供电。也许不远的未来，我们还会看到远距离和室内距离的无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，插头”也将会变成一个历史名词。 好兆头 英特尔的这种无线供电技术，是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。 2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林索尔贾希克(Marin Soljacic )和他的研究团队公开做 了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺(约1.9米)之外连接在另一个线圈上的60瓦灯 泡被点亮了。这种马林称之为WiTricity ”技术的原理是磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦 克阿瑟基金会2008年的天才奖。 新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，不由让人们对室内距离的无线供电重新燃起了希望。而它的关键在于共振”。 科学家们早就发现，共振是一种非常高效的传输能量方式。我们都听过诸如共振引起的铁桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。无论这些故事可信度如何，但它们的基本原理是正确的：两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。在马林的这种新技术中，将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。 最妙的就是这一点了。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。在这项技术中，磁场的强度将不过和地球磁场强度相似，人们不用担心这种技术会对自己的身体和其他设备产生不良影响。
无线电能传输装置 摘要 无线电能传输是目前被广泛研究的一项具有重大意义的课题，本次设计利用LC磁耦合谐振电路进行无线电能传输，因磁耦合谐振技术作为中距离高效无线能量传输技术，与传统无线能量传输技术相比具有传输效率高，条件要求低等明显优势。本设计在互感原理和耦合理论的基础上，进行了大量的实验，研究了如何提高谐振无线传输的效率。通过实验，验证了距离，线径，线圈绕法等对传输效率的影响。本次设计的发射端，利用了TI公司提供的mps430产生PWM信号经过非门转换成两路互补的pwm信号经过光耦驱动全桥，将直流电压逆变为交流，进行LC谐振，将电能转化为磁能辐射出去；接收端利用LC谐振接收发射端发出的磁能，在利用整流技术将接收到的交流电转化为直流电，供负载使用，并具有较高的传输效率。 关键词：无线电能传输；LC磁耦合谐振；传输效率高；驱动全桥；整流技术。
1 任务 设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。 图1 电能无线传输装置结构框图 要求 （1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线 电能传输装置的效率η。（45分） （2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈 与接收线圈间距离x。（45分） （3）其他自主发挥（10分） 2系统总体方案设计 2.1方案一采取磁耦合感应式电能传输 磁耦合感应式电能传输无线电能传输机理类似于可分离变压器，气隙部分代替了铁芯，导致了磁力线没有定向的通道和负载侧的线圈相铰链。因此只有在较短的距离下，才能实现较高频率和较大功率的传输。当距离增加后，传输效率急剧下降。该无线电能传输方式一般只有在小于传输线圈直径的传输距离下，才能达到较高的效率和较大的功 率。 2.2 方案二采用磁耦合谐振式无线电能传输 利用谐振原理，使得其在中等距离(传输距离一般为传输线圈直径的几倍）传输时，仍能得到较高的效率和较大的功率，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响【6]。相比于感应式，该方法传输距离较远；相比于辐射式，其对电磁环境的影响较小，且功率较大。正是由于这些优点，磁耦合谐振式无线电能传输得到越来越多的研究。 综上所述我们选择方案二。利用LC磁耦合谐振原理进行无线电能的传输，