磁耦合谐振式无线电能传输谐振器的设计及测量--毕业设计论文.doc

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........................................................................................错误~未定义书签。致谢...............................................................................................................错误~未定义书签。华北电力大学本科毕业设计(论文),随着科学技术,小型移动设备,如使用手机,平板电脑,电子词典,以及其他更广泛的应用,越来越多的青睐,充电问题也随之而来的快速发展。传统的有线充电方式有着许多弊端,各种设备充电器不通用导致使用不方便,更是带来了种种安全隐患,近年来手机充电导致爆炸的新闻更是屡见不鲜。于是新型的无线充电方式走入了实验的研究视野。相较于传统的有线输电形式,无线输电解决了使用不方便和安全隐患这两大难题。利用电磁感应技术原理,将电能转化为磁能进行谐振无线传输,再将磁能转化为电能供给需要充电的设备。在特斯拉提出无线输电研究之后,尽管距离真正意义上特斯拉的长距离大范围无线输电还有非常远的距离,但是就目前来看无线输电在小型移动设备上有着非常广泛的应用前景。,物理学家特斯拉(NikolaTesla)已经提出的无线传输的方法,即把地球作为内导体、地球的电离层作为外导体,通过放大发射机以径向电磁波振荡模式,在地球本体与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,再利用围绕地球的表面的电磁波来传输能量。由于其设想在当时过于大胆,并且也无法在全世界范围内实现,因而无果而终。2007年6月,麻省理工学院的研究小组在美国“科学”杂志的网站上发表了他们的研究成果。共振的团队施加到电磁波和成功的“抓住”了电磁波的传输。他们利用铜制的线圈做电磁的共振器,可以通过调整铜线圈的谐振频率,使铜线圈达到共振,电力就能实现了无线传导。这项试验,已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电,系统效率达到40%到50%。然而尽管成为了无线输电的基石,但这项技术的最远输电距离还连3米也达不到。他们认为,电力已经能够在电池在这个范围内进行充电,并且只需要一个电源,你可以为整个房子电力充电。2008年5月,美国国家航空和宇航局在夏威夷岛成功将20W微波能量从一个山顶传输至148km外的一座岛上,系统采用平面阵列发射天线,。这是迄今为止传输距离最远的微波能量传输实验。2011年,华盛顿,匹兹堡大学医疗中心和英特尔宣布基于磁耦合谐振的无线电力传输技术,除了使在接收线圈容器装有人工心脏可用移植用人造心脏供电系统注满水,将实现无线电力传输。2012年,意大利佩鲁贾大学学者设计出含有不同频率通路的能量传输系统,可以将能1华北电力大学本科毕业设计(论文)量与信息同时传递,此外还提出了分析计算螺旋线圈谐振频率的简便方法,并软件计算集总参数。2013年OlutolaJonah等在混凝土结构中用强耦合技术实现了短距离、%%、%%的无线输电实验。-频率高精准匹配三线圈系统,并用无线电能最小功率传输实验证明了其优越性,其性能在原基础上提高了约30%。国内方面,清华大学、香港理工大学、武汉大学、四川大学等各大高校相继成立了相关课题组,从无线输电相关各个方面进行了较为深入的科学研究。2014年3月,全国家用电器标准化技术委员会无线输电家电分技术委员会成立。2014年4月,中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会成立。2015年1月,中国电源学会无线电能传输技术及装置专业委员会成立。2014年5月香山科学会议第499次学术讨论中,大功率无线电能传输技术科学问题成为其中心议题。我国有望于2030年研发出首个空间太阳能电站,这意味着微波无线电能传输技术在我国将得到飞速发展。到目前为止,对磁感应耦合式WPT的研究取得的成果较多,其应用也较为成熟,但仍然存在一些待研究的关键问题,如可分离变压器的漏磁与耦合系数低问题、可分离变压器原副边的对准容差问题以及电磁兼容问题等。磁感应耦合式WPT是松耦合系统,工作时磁场向周围空间发散,漏感较大,耦合系数较低。同时,磁感应耦合式WPT系统的稳定性对位移和频率的变化比较敏感,正常工作时需要可分离变压器的原副边线圈尽可能保持对齐状态;当出现相对位移时,传输效率将急剧下降。磁感应耦合式WPT系统通过可分离变压器的电磁感应作用将电源端的电能耦合到负载端,从而实现电能的无线传输。作为磁感应耦合式WPT的能量拾取机构,可分离变压器的性能对于整个系统的稳定、高效起着至关重要的作用。近年来,世界各国的研究人员为提高磁感应耦合式WPT的能量传输能力,对可分离变压器进行结构优化设计,提出了几种新型能量拾取结构,如正交拾取结构圆形电磁结构和平面微型铝线圈其中,正交拾取结构能捕获供电轨道的垂直与水平部分的磁场,允许更大的横向移动和更持久的电力输送,因此无论是对单相轨道还是对多相轨道的应用,该结构都能提高WPT系统的传输功率和横向公差;而圆形电磁结构则有更广的无线充电区域;微型铝线圈通过短路相邻两匝线圈有效地减少了线圈电阻,且随着线圈金属宽度的变化,微型铝线圈自感呈线性增加。此外,研究人员还对多重能量拾取结构和三相磁感应耦合WPT技术进行了研究,韩国科学技术院ChangbyungPark等人设计了一种用于移动机器人WPT系统的单层电源板和多重拾取结构,该结构能稳定持续地向移动机器人输出功率;而日本福冈大学HirokazuMatsumoto等人对三相电磁感应耦合式WPT技术进行研究,得到了三相电磁感应耦合式WPT系统谐振电容的数值。尽管电磁辐射式WPT技术的研究起步较早,相关的研究成果较多,但是主要集中在空间无线能量传输和高空飞行器和无人机功能等应用领域。目前,国内外学者对微波辐射2华北电力大学本科毕业设计(论文)式WPT研究较多的主要包括微波整流天线、微波发射天线以及微波功率源,其中微波发射天线和微波功率源已有比较成熟的技术,但是整流天线技术、发射天线极化的方向控制与跟踪,系统各部件的有机结合,以及如何提高整体转换效率仍有待研究。激光式WPT技术有待研究的关键问题主要包括激光器的温度控制、激光光束准直技术、激光-电能转换效率的提高,以及光学接收天线的设计等。虽然电磁辐射式WPT技术仍存在不少亟待解决的关键问题,但是通过相关的应用试验可以看出,该技术在空间无线能量传输和高空飞行器或无人飞机领域有广泛的应用前景。,电力传输的原理下,无线传输可分为三类:第一类是电感耦合型,主要是为了解决移动电气设备灵活且可靠的访问的问题的能源安全,并且已经旋转在轨道交通,小家电,大倾角结构和应用程序,它可以达到上百功率容量大,小规模的障碍,也没有它的影响较大,但接近的距离千瓦的其他方面。第二类型是微波无线能量传输技术,也被称为远场辐射技术,即,直接利用电磁能量可以通过天线接收原则被发送,三种方式的传输距离最远,并且可以克服障碍的影响,但在能量转移过程中,发送装置,必须面对的接收机,其传输方向被固定在一个方向,并在对人体的空气大,效率较低,微波的微波损耗有一定的损伤,所以该技术通常用于特殊场合。第三类是磁耦合谐振,也被称为WiTricity的技术,它是从第一类的不同,结合共振技术,不仅可以提高能量的传输距离,同时也提高能量转移与四个线圈的效率,共振系统工作时,分拾取,接收,发送和发射线圈,发送和接收线圈必须与共振的自谐振频率,发送和接收线圈包含中空芯,通过该驱动线圈与电源和共振频率一致的频率。谐振线圈磁耦合共振系统依赖于强耦合实现高效节能的长距离传输。