无线电能传输发射和接收定向螺旋状天线的设计Word文件下载.docx
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专业电气工程及其自动化
学号
姓名
指导教师
2014年5月19日
摘 要
无线电能传输是将电源的电能转变为可无线传播的电能,在接收端又将此电能转变回电能,从而到达对用电器的无线供电。
本课题是利用电磁场的谐振方法,发射和接收线圈在某一个射频点上谐振,从而达到电能在中等距离传输的目的。
磁共振耦合无线电能传输是通过发射线圈与接收线圈的磁场耦合共振来实现电能的无线传输。
本课题通过介绍磁共振耦合无线电能传输的工作原理在此基础上设计参数数据并实验验证。
磁共振耦合无线电能传输中处于谐振的两个线圈共振频率一般设置在0.5-50MHz之间,共振频率越高,传输效率越高.但是在实际应用过程中,频率越高对电路器件要求相对也就越高,故一般选取频率不宜超过10MHz,本课题选取谐振频率是8MH来计算并且实验验证收发线圈方向性,在不同距离下收发线圈间传输频率与接收电压值的关系和传输距离与接收电压值的关系以及脉冲波占空比对接收电压的影响。
关键词:
无线电能传输;
磁共振耦合;
收发线圈;
谐振频率;
参数
TransmittingAndReceivingWirelessPowerTransmissionDirectionalHelicalantennaDesign
ABSTRACT
Thewirelesspowertransferistransformingtheelectricpowertotheradiotransmissionpower,atthereceivingandturnthepowerbacktothepower,soastoreachthewirelesspowersupplyforelectricalappliances.Thisarticleisusingtheelectromagneticresonancemethod,transmittingandreceivingcoilsonacertainpointoftheradiofrequencyresonance,soastoachievethepurposeoftheelectricityinthemediumdistancetransmission.Magneticresonancecouplingcanradiotransmissionisbyemittingandreceivingcoilcoilmagneticfieldcouplingresonancetorealizethewirelesstransmissionofelectricity.Thistopicthroughtheintroductionoftheworkingprincipleofmagneticresonancecouplingradiocantransmitdataonthebasisofthedesignparametersandexperimentalverification.Magneticresonancecouplingintheradiocantransmitataresonantfrequencyresonanceofthetwocoilgenerallysetbetween0.5to50MHZ,thehighertheresonantfrequency,thehigherthetransmissionefficiency.Butintheprocessofpracticalapplication,thehigherthefrequencyofcircuitcomponentsarealsointhemoredemanding,sothegeneralselectionfrequencyshouldnotbemorethan10MHZ,thistopicselectionis8mhtotransmitfrequencycalculationandexperimentalverificationtransceivercoildirection,underthedifferentdistancebetweenthesendingandreceivingcoiltransmissionfrequencyandacceptvoltagevaluerelationsandthetransmissiondistanceandthevoltagevalueandtherelationshipbetweentheinfluenceofdutyratioonreceivingvoltagepulsewave.
Keywords:
wirelesspowertransmission;
resonantmagneticcoupling;
Tosendandreceivecoil;
resonantfrequency;
parameter
目 录
1 绪论
1.1 课题研究的目的与意义
无线电能传输WPT(WirelessPowerTransfer),又称无接触式电能传输CPT(ContactlessPowerTransfer),是一种以非接触的方式实现电源与用电设备之间的电能传输方式,即通过电磁感应、共振、射频、微波和激光等方式实现电能的非接触式传输,也就是说借助于电磁场或电磁波进行电能传递的一种技术。
随着科技的发展和生活水平的提高,手机、笔记本电脑、电动牙刷等需要移动的电器越来越多地走进了居民日常生活,而这些设备的有线充电给人们造成了诸多不便。
在石油和采矿等工业生产领域,由于特殊的现场作业条件,难以依靠架设电线的传统方式供电。
在电力输送方面,山头的基站、孤立的岛屿等特殊的地段,传统的输电方式也很难满足其供电需求。
因此,发展无线电能传输技术的重要性日益凸显出来。
无线电能传输技术按传输距离可分为三种:
电磁感应技术、微波/激光传输技术、磁共振耦合技术。
电磁感应技术传输功率大,效率高,但传输距离在10厘米以内,极大地限制了应用范围。
微波/激光技术能够实现电能远距离传输,但需要复杂的跟踪定位系统[1][2],且易受障碍物影响。
磁共振耦合技术传输功率可达几千瓦,传输距离可达收发线圈半径的8倍[3][4],并能穿透非金属物体,具有广阔的应用前景[5][6]。
电磁共振式,即我们主要研究的磁共振耦合无线电能传输可实现电能的中距离高效无线传输,其应用前景非常好。
该技术为2007年麻省理工学院的一个物理研究团队发现的高效无线电能传输方式,与传统的电磁感应电能传输技术相比它具有传输距离远、效率高等优势。
本课题从理论和设计的实验两个方面对基于磁共振耦合无线电能传输这一前沿技术进行了系统的研究,通过理论推导分析了影响效率的因素。
在此基础上设计了具体的发射和接收定向螺旋状天线实验模型,进行实验,探究电能信号频率和线圈参数之间的关系,并达到了电能信号无线定向传输的目的。
1.2 无线电能传输技术的发展历程
19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”,尼古拉·
特斯拉(NikolaTesla,1856—1943)在无线电技术何其他电气方面作出了杰出的贡献。
1881他年发现了旋转磁场原理,并用于制造感应电动机;
1888年他发明多相交流传输及配电系统;
1889—1890年制成赫兹振荡器;
1891年他发明高频变压器(特斯拉线圈),现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。
他曾致力于研究无线传输信号及电能的可能性,并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机,但由于效率低和对安全方面的担忧,无线电能传输的技术无突破性进展[7]。
1901—1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔,是一座复杂的电磁振荡器,设想它将能够把电能输送到世界上任何一个角落,特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。
2001年5月,法国国家科学研究中心的皮格努莱特,利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。
其后,2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置,已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。
2005年,香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”,但其使用时仍然要将产品与充电器接触。
2006年10月,日本展出了无线电能传输系统。
此系统输出端电能为7V、400mA,收发线圈间距为4mm时,输电效率最大为50%,用于手机快速充电。
2007年6月,美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·
索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。
他们给一个直径60厘米的线圈通电,6英尺(约1.83米)之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。
这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。
2008年9月,北美电力研讨会发布的论文显示,他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。
2009年10月,日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。
供电线圈埋入充电台的混凝土中,汽车驶上充电台,将车载线圈对准供电线圈就能开始充电[8]。
1.3 无线电能传输相比较有线的优势
(1)成本廉价
有线电能传输建立必须架设电网,或铺埋地下电网,因此需要大量的人力财力。
而无线电能传输只需要在每个终端设置数台收发机器和适当的天线,相比之下节省了人力财力。
(2)适应性好
有线电能传输的局限性很大,在遇到一些特殊的应用环境,比如遇到山地,林区,湖泊,等地理环境,或是移动物体导致布线比较困难的应用环境的时候将对有线电能传输有很大制约性,而无线电能传输将不受这些制约所有说无线电能传输具有更广泛的适应性,几乎不受地理环境限制。
(3)设备维护更容易
有线电能传输的线路和设备维护受环境,天气,地理条件的影响,维护困难。
而无线电能传输只需维护接收器和发射器模块,出现故障能迅速找出原因,恢复线路正常运行。
1.4 无线电能传输的前景展望
给一些难以架设线路或危险的地区供应电能高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题,而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电,无线输电可补充电能不足。
此外,无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。
解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题我国的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒芜土地,南方部分地区水力、风力资源丰富,这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。
可是,这些地区人烟稀少、地形复杂,在崇山峻岭之中难以架设线路,这时无线输电技术就有了用武之地。
采用无线输电技术,还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。
这样一方面便于埋葬核废料,另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。
传送卫星太阳能电站的电能所谓卫星太阳能电站,就是用运载火箭或航天飞机将太阳能电池板或太阳能聚光镜等材料发送到赤道上空35800km的地球静止同步轨道上。
在太空的太阳光线没有地球大气层的影响,辐射
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