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无线电技术论文 可植入式磁耦合谐振无线电能传输系统研究

2018-12-21 10:33:13来源:组稿人论文网作者:婷婷

   1 绪论

  无线电功率传输是指用一种特殊装置将电力转换成无线传输能量。在接收端,它将电能返回到电器的电能。这种传输方式可以解决有线传输带来的诸多不便甚至缺点。

  在2006年11月,美国物理学会工业首次在物理论坛上提出磁耦合共振无线电传输技术。从理论上来说,研究人员可以从共振耦合来实现非辐射场传输。在2007年,麻省理工学院的研究人员取得了很大的进步。利用高频电磁谐振耦合完成电能传输无线远程。2008年8月,在西雅图英特尔的实验室中,Joshua R. Smith研究小组发明了一种磁共振技术,并开发出一种可以为笔记本或PDA充电的装置。它可以传送的距离和功率60W,效率可以达到一百万,75%。对传输距离、功率和效率的研究还很深入。

无线电技术论文 可植入式磁耦合谐振无线电能传输系统研究

  本文将建立一个磁耦合谐振式无线电能传输系统模型,并设计了具体的电路实验,实验装置由信号发生器、功率放大器、谐振发射电路、接收电路、谐振负载,对磁共振耦合的无线传输的基本特征分析。本文通过理论与实验,最终得出了系统基本特性对传输效率的影响。

   2 磁耦合谐振式无线电能传输的原理

  在自然界中,广泛存在共振现象。就好比乐器之间的共鸣、碎玻璃之间的共振、动物耳朵在听周围动静时的基底膜的共振、电路的共振等。

  第二,当谐振场中的电场与磁场发生振荡时,谐振器在同一频率下也有能量交换,即两谐振体构成耦合谐振系统。

  磁耦合谐振无线传输技术是利用磁耦合和谐波技术实现电能的无线传输。理论基础是耦合模理论[ 28 ](CMT)。其主要思想是,具有相同共振频率的系统可以通过强耦合有效地交换,而偏离共振频率的物体之间的相互作用较弱。如下图2.1所示是谐振耦合功率无线传输装置,刨除2个自然谐振线圈,其余是一个完整的谐振耦合无线传输系统,还必须有一个发射电源和一个接收功率器件。

  图2.1 磁耦合谐振式无线传能装置图

  图2.1,高频振荡电路和高频功率放大电路产生的高频电源;两个线圈的转移空气能量是LS,LD(S代表发射线圈,接收线圈;D)四L1,LS,LD线圈和LW的设计与谐振频率的磁场同样的共鸣,但由于每个线圈在不同功能时有不同的参数,如品质因数的大小。在这种变化中,L1和LS和LD和LW之间为近距离耦合关系,和LS和LD为长距离耦合。L1能量发射感应线圈LS和邻近性空心线圈;R1是用于测量电流;LW,RL为负载回路,通过减少负载回路电抗来印象对接收线圈LD自谐振频率,制成了单匝线圈,因此在负载回路中电感小,有绕组和把高频线圈之间无杂散电容,电容基本为0,由此可知这个电路是可以视为一个纯电阻负载回路,它可以表明线圈的阻抗是纯电阻向LD,LD诱发RL电源向负载供电,单线圈和LW线圈,从而完成整个能量的无线传输的过程。

   3 磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究

  3.1频率特性的研究

  在电磁发射和电磁接收系统的无线能量传输系统效率的关键所在,结合理论与传动系统的基本特性实验拓展研究方法,重点是设计发射线圈和接收线圈和理解实验装置, 比如在下图中3.1所示的模型。

  图3.1 无线电能传输系统发射与接收的模型

  它们之间是通过直接耦合关系把能量从励磁线圈传到发射线圈,励磁线圈所需能量直接从高频电源处获得,电磁接收系统包括接收线圈和负载线圈,它们之间也是通过直接耦合关系把能量从接收线圈传到负载线圈。这样既能防止电源和负载对谐振线圈的影响,又能方便地进行电源和负载的阻抗匹配。发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输,能量传输的水平和特性主要决定于此。

  图3.2 无线电能传输系统等效电路模型

  图3.2卢比的激发源电阻,磁耦合谐振式无线电能传输的理论分析模型目 前有两种:耦合模型理论和等效电路理论。耦合模型理论是基于能量的微扰理论,从系统的能量 角度进行分析;等效电路理论是通过建立系统的物 理模型,构建等效参数进行理论分析。利用耦合模型理论解释了磁耦合谐振中的大部分现 象。但耦合模型理论毕竟不为大多数人所熟悉,同时 从线圈本身及其外围电路的分析角度看,基于等效 电路模型的分析方法是必要的。根据前后侧电容与电 感的连接方式,磁耦合谐振式无线电能传输系统的 电路理论建模可以分为四种模型串串、串并、并串、并并。

  图3.3 简化无线电能传输系统的电路

  根据基尔霍夫定律,可以知道通过发射和接收线圈分别为I1和I2的电流,电压(KVL),这可以从图3.3得到的。(3-1)负载的阻抗激励源的内阻是相同的,然后他们的反射阻抗是相同的,那就是,R1 = R4。因为传输线圈和接收线圈结构相同,所以R2 = R3,L2 = L3, C2=C3。为了便于分析,这里令:

  (3-2)

  将式(3-2)代到式(3-1)中即可得:

  (3-3)

  上式Q为品质因数,可以了解到广义失谐因子的意义,同时因为:

  (3-6)

  定义了耦合因子。由公式(3-6)中可以知道接收线圈的电压和模式值。(3-7)(3-8)对接收线圈的电压模值的推导,它是已知的电压模值的极值在线圈和得到。 (3-9)

  那么接收线圈归一化电压:

  (3-10)

  从图3.4所知归一化电压的频率响应曲线。通过关系归一化电压和失谐因子αζη和耦合系数:1)在r > 1出现频率分裂,跟着耦合系数η减小,频率分裂现象减弱,由于谐振频率的收敛,此时η= 1,称为临界耦合。2)在η大于1时,尽管会有频率分裂现象,但在任一个谐振频率,系统都能达到最大传输效率;当临界耦合小于耦合因子,我们称之为强耦合。3)在小于1η,即耦合系数小于临界耦合我们称欠耦合;耦合系统的能量传递效率在迅速下降。4)临界耦合点代表系统的最大能量传输距离,即在点系统上仍能实现电能的最大传输效率。图3.4归一化电压的频率响应曲线的归一化电压α图3.4和失谐因子和耦合系数η之间的关系显示:在= 1(临界耦合),共振点处的系统工作时,负载电压接收到最大值;在r > 1(耦合),虽然有一个频率分裂现象,但无论在谐振频率(可通过频率跟踪技术实现),仍然可以接收的最大负载电压值;在η<1(钱欧赫),随着耦合系数的增加,负载电压的下降急剧减小。这一结论与传统电磁感应耦合无线电传输系统的结论有很大区别,降低了耦合系数的效率,对进一步研究无线电能量传输具有重要意义。在频率特性的基础上进行了进一步的研究,进一步分析了距离和方向的特性。

  3.2研究距离特性

  磁耦合谐振无线电力传输系统,如果参数都是一样的,能影响到能量转换效率的是发射和接收线圈的距离,变化方向,无线传输是通过改变距离保持接收电压恒定的范围,有效传输距离时候距离接收电压最大值的临界点在距离急剧增加后下降。本文研究了轴向距离和径向距离两个方面对距离特性的影响。

  3.2.1研究轴向距离特性

  轴向距离是两个线圈之间的距离,如图3.5所示,当在同一个轴线上放置发射线圈和接收线圈。目前,国内外对于磁耦合谐振式无线电能传输系统的影响的研究主要集中在发射和接收线圈的直径、旋转和在传输效率和传输距离之间的关系线径数,通过仿真和实验有不同发射频率效应的有效距离和传输效率的关系,提高线圈可提高理论分析的有效传输距离的结果。在上述理论和成果的基础上,通过对3.1区段的频率特性分析,进一步研究系统的轴向距离。

  图3.5 发射与接收线圈之间的轴向距离示意图

  若磁耦合谐振式无线能量传输系统的参数不变,如果发射和接收线圈同轴的,则线圈的谐振频率的输出频率由小到大,慢慢打开,两线圈的距离,可以接收电压从小到大的负载,对最大,然后慢慢放下,接受这一点的最大电压是在这个过程中的临界耦合点的轴向距离。频率跟踪技术能够改变输出频率信号源跟踪的轴向距离,同时使接收电压在负载两端保持在最大值,可以看出在一定范围内的轴向距离变化不会改变接收电压的最大值。本文通过漆包线线圈,分析其轴向距离特性。磁耦合谐振式无线电能传输的距离[ 32 ]之间的互感关系可以表示为(准静态约束R = D =λ的前提下):(3-10)在上表,本文对传动系统,谐振频率较小,在较小的辐射抗性(RR = R0),和可以忽略不计的辐射损失,使线圈电阻[ 33 ]的总损失:(3-12)公式(3-12),ω是角频率,电导率σl伤口成为一个线圈,漆包线的周长,α是漆包线的直径。式(3-11),(3)为临界耦合系数η=ωm / r = 1,D传输距离可由两个有效的公式式(3-13)得到如下: (3-13)

  3.2.2径向距离的研究

  线圈在同一水平轴上,而距离保持不变。它们之间的距离是直线距离,如图3.6所示。

  距离随直线变化,两个线圈之间的耦合系数m随距离的增加而减少,因此径向距离特性与轴向距离特性几乎一样。。

  分析如下:同一系统参数不变的情况下,输出的频率信号源设置为线圈的谐振频率,两线圈的径向距离小尺寸变化逐渐增加,接收电压的负载,我们可以知道接收电压首先由小增大,直到最大值是通过关键耦合电压后,慢慢地落了下来。在这个过程中,如果频率跟踪技术使输出频率信号源跟踪的径向距离和变化发生变化,为了保持所接收到的负载电压的最大值,能够在一定直线距离内获得,当接收电压改变时,径向距离不会改变。当径向距离变化时,系统有效的径向传输范围是由接收电压恒定判断的,从峰值到峰值电压的距离称为有效的径向传输距离。

  图3.6 发射与接收线圈之间的径向距离示意图

  3.3方向特性的研究

  根据3.2.1节的结论,影响电力传输的有效距离的关键因素是线圈半径R的线径,角频率ω和电导率σ。在这一部分中,研究了线圈在自然频率、材料和电阻条件下的方向变化对能量传递的影响,这是方向性的。

  通常,接收线圈的平面总是垂直于交变磁场的方向,最大的是线圈的耦合系数。但是,在接收线圈发射和旋转时,磁场的方向已经弯曲,并且两个角度的变化如下:3.7。此时,接收线圈中产生的电压也发生了变化。

  图3.7 接收线圈与发射之间的方向夹角示意图

  结合的方式进行分析的三维坐标,接收线圈的中心假设坐标2 O2(0,0,0),发射线圈1 O1的中心坐标(0,y,z),然后线圈1, 2平面角之间[ 34 ]。当变压器:

  (3-14)

  上式中, (3-15)

  由式(3-14),(3-15)空间两线圈变压器随着角度的增加。上升的小,直到0的垂直。

  可以看出,当线圈在空间旋转时,互感系数随线圈和接收线圈的转动而变化,但互感的变化并不一定影响负载侧接收电压的最大值。只要耦合系数η=ωm / r = 1,该系统在强耦合条件下,电能的有效传播,此时,即使该系统中的两个线圈之间的角度是可以改变的,没有方向的能量转移,但是,undercoupledη=ωm / R<1的状态,该系统是定向的,也就是说在这种状态下,系统的能量传递效率两线圈放置在飞机的方向。 4 磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计

  4.1系统总体框架设计

  下图4.1是本次实验中所使用的磁耦合谐振式无线电能传输系统结构框图

  图4.1 谐振式无线电能传输系统结构框图

  该装置包括信号源、电磁发射、功率放大器模块、电磁接收系统,整流电压和负载系统,电磁发射系统和电磁接收系统具有相同的共振频率,和电磁发射系统和电磁发射系统的同轴位置。

  首先,我们将信号发生器的驱动信号频率调整到宽带线性放大器模块,即功率放大器。交变磁场是由功率放大器的功率放大和激发电磁发射系统产生。然后就会产生发射线圈与接收线圈之间磁场的共振。

  由于谐振频率相同,产生谐振,通过整流和电压变换将传输的电能传输到负载,实现无线传输。

  4.2信号源的设计

  这个装置是在MAX038上面使用的,这个是一个有Maksim开发的一个新的函数发生器。这个信号发生器电路结构非常简易。但是由于功能要求与标准信号有点不相符,所以,有时会不能满足实验要求。

  图4.2 MAX038引脚图

  表4.1 MAX038引脚功能图

  1、REF基准电源2.50V输出2、6、9、11、18、GND 接地端口有5个在内部,内部不相连,其余在外部,需接地3、A0波形选择输入,兼容TTL/COMS电平4、A1波形选择输入,兼容TTL/COMS电平5、COSC主振器外接电容接入端7、DADJ脉冲波占空比调节输入8、FADJ振荡频率调节(电压输入)10、IIN振荡频率参考电流输入12、PDO相位检测器输出,如果不使用相位检测器则接地13、PDI输入同步信号的相位检测器,若不使用相位检测器则接地14、SYNCTTL/COMS用于电平输出,能够与外部电路同步,不用则没有作用15、DGND数字接地,在SYNC不用时开路16、DV+ 17、V+电源+5V输入端19、OUT 信号输出端20、V-输入端

  符合实验要求的是在磁耦合谐振无线传输实验中,信号发生器的频率范围是0.1mhz来至28MHz。如图4-2是实验电路图。图中的MAX038信号波形选择。

  图4.2 基于MAX038的信号发生器电路图

  表4.2 A0和A1的编码

  A0A1波 形X1正弦波00方 波10三角波

  4.3功

  率放大器的设计

  基于blf175射频功率放大器的宽带线性放大模块主要技术指标如,工作频率:1 ~ 420mhz;输出功率:20w(输入功率为20mW,电源电压+ 27V);谐波:= - 15dbc;寄生输出:= - 80dbc;功率控制水平:0 ~ 11vdc(10KW的输入阻抗);功率控制信号:0 ~ 25KHz;电源电压:15 ~ 30vdc;温度范围:- 55 ~ + 105 C(Ke Wen);增益随频率:小于1.5dB。

  电路图如图4.3所示。在本研究中,射频功率放大器的放大功率采用三级场效应管。每级放大采用AB功放模式,选择推挽模式,保证功放模块能在宽带上工作。考虑到电源通常更容易使用正电压,所以选择了增强型MOS场效应管。

  图4.3 基于BLF175的功率放大器工作电路

  上图各电子元件参数如下表4.2:

  表4.2 基于BLF175的功率放大电路电子元件参数

  元件参数元件参数C139pFC230nFC3、C4、C6100nFC510nFC7300nFC810F,63VC924pFL186nHL220HL4189nFR124ΩR21500ΩR310Ω

  因为该功率放大器发热太快所以我们重新设计了的散热器,实物如图4.4:

  图4.4 基于BLF175射频功率放大器实物图

  通过功率放大器,我们只需要在实验中提供小功率,接收器就可以获得我们需要的高功率。

  4.4发射与接收系统的设计

  (1)发射和接收电路的谐振电感是由铜芯漆包线制成的紧凑的圆柱形单层螺旋线圈。如图4.5所示,

  图4.5 螺旋线圈实物图

  当电感线圈在高频工作时,线圈的有效电阻会慢慢增大,主要是由于所谓的趋肤效应,减小了导体的有效面积,改变了电阻的大小。另外,当导线绕成线圈时,邻近效应是指在此长的作用下每匝导线都会对相邻的导线匝间产生影响,从而电流分布不均匀。当线圈电感的有效电阻增大,还有其他损耗。分布电容的存在增加了线圈的电感和电阻,同时增加了高频电流的泄漏,减少了线圈的电流效率,也使得线圈不稳定。电感线圈在高频并联电路中执行,如图4.6所示。在实践中,C和R越小,L就越好。

  图4.6 电感线圈高频运用下的等效电路

  电容器的等效电路,如图4.7所示,R是由导线和接头的阻力,和10是固定电感器。R和10的影响很小时,是因为频率较低,,但它是可以忽略的,与电容器的电容。当频率高时,R的介质损耗比功率损耗小得多,所以Rf可以忽略。

  (a)实际等效 (b)高频时等效电路

  图4.7 电容等效电路

  在本文中,因为我们的频率在1-20mhz高频段,所以我们使用线圈的分布电容没有薄膜电容。

  (2)在实际应用中,我们需要适应环境和线圈的形状,所以我们需要一些实验装置对窄的螺旋线圈进行设计,实验结果表明线圈仍然具有谐振效果好,能传输能量远,实际数字4.8:

  图4.8 螺旋形线圈实物图

  这个螺旋形线圈里面的直径290mm,外面的直径450mm,加起来是8匝,可由下面所列的式子知道的线圈的电感和分布电容的大小:

  (4-1)

  (4-2)

  (4-3)

  式中N——线圈匝数;

  μ0=4π×10-7(H/m)——真空的导磁率;

  R——线圈半径(m);

  a——线圈导线半径(m);

  l——线圈长度

  发射线圈与接收线圈的固有频率单位分别为FS和英尺时,电感L和电容C的线圈已经不能再改变,上面的电路的固有频率可由公式4-3确定。经过式中可用线圈参数:电感40.21小时,电阻值阻值5.19,252.6阻抗值。

  螺旋线圈形状必将在未来的某些特殊场合得到应用。当我们实验的深入,我们能够使得传输距离增长。

  4.5设计高频整流调压系统

  接收线圈将直接与发射线圈耦合的能量传输到负载侧。当负载端子为高频交流电时,很难直接投入运行。一般来说,它需要把它转换成DC或电源频率,以便更好地利用它。因此,必须在电源传输到负载之前,加入整流和电压调节系统。

  根据功率、频率和最大转换效率的特点,选择肖特基二极管单相桥和DC/cd转换模块设计整流稳压系统。具体电路图如下:4.14,4.15:

  图4.14 整流电路图

  他们大多是作为整流二极管,高频电流连续二极管、保护二极管、低电压和高电流。它们也适用于微波通信电路中的整流器和小信号检测器。

  单相桥式整流电路能够将交流电路转化成DC电路。从整流电路的工作原理出发,可以将电路中的二极管变成开关,这样可以是具有单向导电特性。当发射源的电压是正弦的,接收线圈耦合产生的电压U1为正弦波,然后根据图4.14的电路图。

  当U1是正半周期时,二极管VD1和VD3能够导通正向电压,而VD2和VD4则相反,会有返现电压,这样二极管就会关断。因此,输出电压U2是正弦波的正半周期。

  当U1是负半周,实验结果与上面相反,会得到U2的正弦波负半周期。

  合成了正负半环,得到了同一方向的单向脉冲电压。在这个过程中,在交变电流的VD5和相反的方向起作用的连续流动。

  可以根据上述图形获得输出电压U2的平均值。:

  (4-4)

  在本章中,将根据前一篇文章设计的系统电路,研究磁耦合共振无线电传输的一些基本特性。

  实验装置有信号发生器、功率放大器、电磁发射接收系统和负载。

  负载是一个小功率灯泡,其数量如下:

  图4.15 升降压斩波电路图

  根据v的通断可得到输出电压:

  (4-5)

  从上面可以知道,要想实现对电压的调节可以通过控制器对MOS管占空比。 5 磁耦合谐振式无线电能传输的实验与结果

  在本章中,将根据前一篇文章设计的系统电路,研究磁耦合共振无线电传输的一些基本特性。实验装置有信号发生器、功率放大器、电磁发射接收系统和负载等各种电器元件。负载是一个小功率灯泡,其图形如5.1:

  图5.1 实验图

  这个实验的验证程序:正弦信号发生器的输出电压10V之间的波的功率放大器将信号放大,工作频率范围内的发射和接收系统的参数1.6mh-28mh.em采用相同的螺旋线圈的激励机制,以不同的转速和负荷和感应线圈的数量,大小为1µH,15w白炽灯负载释放的研究能量传递与接收线圈耦合载荷,灯泡点亮。

  5.1频率特性的实验分析

  第一,保持系统的谐振频率(使用9.07mh线圈谐振频率的实验)是固定的,由远及近的轴向距离的发射和接收线圈之间的层次变化,线圈两20cm谐振频率示波器捕获发送和接收端的电压波形,是成功的能量传输,对继续实验。传输和接收的电流、电压和功率的数据记录在不同的轴向距离上。

  (a)发射端 (b)接收端

  图5.2 电压波形图

  通过处理和计算记录的数据,得到图5.3中固定频率的效率-距离曲线。从图中我们可以看到,传输效率先增加与发射线圈和接收线圈之间的距离的增加而减小,且最大传输效率为80%的距离28cm。因此,当谐振频率是恒定的,该实验系统的传输效率并不总是保持最大值,但在临界耦合最大(28CM)。

  图5.3 传输距离与传输效率关系曲线图

  第二,轴不远,附近的发射器和接收器之间的距离变化)的信号发生器和调节系统的传输效率的数据,每一个对应于每一个距离,最大距离,在这种情况下,使传输距离和频率输出频率值,图5.3中合并。

  曲线距离不超过临界耦合距离,即使是减少距离的增加和耦合系数变化的效率,但这种变化不是很大,当距离超过临界耦合点,即使自适应调整的发生频率,传输效率会迅速降低。因此,系统效率最大的距离是临界耦合距离,它决定系统的有效传输距离。

  最后,为了验证这段频率分裂现象,上述实验,从附近的发射和接收线圈的距离远轴的变化,同时调整输出频率信号发生器使系统传输效率在各距离最大的获得,如频率最大传输效率图5.4距离曲线显示:

  从以下5.4个方面可以看出,之间的距离发射线圈和接收线圈受损,耦合系数耦合距离的临界值,频分开始出现上升和下降的距离。

  图5.4 最大传输效率时频率-距离曲线

  5.2距离特性的实验分析

  距离特性主要包括轴向距离和径向距离。轴向距离与传动效率的关系在上节得到了验证。本节主要研究径向距离对接收电压的影响。

  在谐振频率保持不变的情况下,发射线圈和接收线圈之间的恒定轴向距离、同轴度、垂直距离从两个记录接收器电压负载数据之间的径向距离变化,下表5.1:

  表5.1 水平距离为20cm时径向距离特性实验

  径向距离/CM接收电压/V(频率固定)接收电压/V

  (频率跟踪)径向距离/CM接收电压/V(频率固定)接收电压/V

  (频率跟踪)022501932562205120.436503.5205422.542505.3205223.746507.3205426.5505010245428507612255431423814285234303216305236.5202018305239.41414

  和径向距离图5.5接收电压曲线、轴向距离为20cm,在强耦合区域,我们可以看到图5:强耦合区可以扩大,如果谐振频率不变,随着径向距离的增加先增大后减小,接收电压的增加而增加,最大距离28cm.hvis你保持谐振频率自适应的径向距离的位置,所有的负载电压峰值、径向距离小于28cm,收到电压值保持不变,但最大径向距离28cm。接收电压下降的结果表明,轴向距离的增大,径向距离的增加,耦合系数降低,系统的强耦合,逐步过渡到临界耦合,传输效率下降。

  图5.5 强耦合径向距离-接收电压曲线

  接下来,验证临界耦合的情况。轴向距离增加到系统,即临界耦合状态,28cm。在自然共振频率和频率跟踪两种情况下,对两组接收电压数据进行了记录,得到了图5.6。

  图5.6 临界耦合径向距离-接收电压曲线

  上面的图表显示,当线圈的轴向距离的临界耦合,无论采用频率跟踪接收电压随径向距离的增加而降低电压达到最大值的径向结果表明,耦合系数随径向距离的增加,系统处于临界状态的离合器

  两线圈平面的水平距离最后的验证是50cm,然后系统耦合特性下的径向距离范围内记录的固定频率和频率跟踪接收电压值两种情况下,如径向距离可以得到如图5.7所示的接收电压曲线:

  图5.7 欠耦合径向距离的接收电压曲线

  从图5.7可知,当发射和接收线圈之间的轴向距离下的耦合状态,是否适合适应频率适应追踪技术的适应追踪技术的应用,直接距离变大时,接收电压迅速下降。实验结果显示,实验结果直接减少到增加距离,接收电压减少了。由于它的特性和当地的特性和当地的特点基本相似,变更距离的变化相结合,使系统的结合状态进行了传输效率,下一个是在有效距离内进行调查。

  (a)轴向距离 (b)径向距离

  图5.8 距离特性实验

  5.3方向特性的实验分析

  发射和接收线圈在不同位置(强耦合、临界耦合和欠耦合)的实验现象。然而,当同轴放置时,两个线圈的角度对接收电压的影响进行了研究。

  当耦合状态为强耦合时,谐振频率保持恒定,接收线圈的一个点在线圈中心旋转,电压值在10度时记录一次。得到方向-接收电压曲线。然后,频率自动跟踪方向的变化,保持最大电压,记录频率,使表5.2,同时得到方向改变电压曲线,综合数据如图5.9所示。

  表5.2 线圈强耦合时方向特性

  偏移角度/°接收电压/V(频率固定)接收电压/V(频率跟踪)01523101722202020302121402121501820601616701313809109001

  图5.9 强耦合方向-接收电压曲线

  图5.9清楚地显示了发射线圈与接收线圈之间的方向变化会对接收电压的产生一定的影响。线圈处于强耦合的范围是水平距离20cm(小于28CM),接收电压与第一旋转角度的减小变化是由小到大,当接收电压为最大值,角度为30度,然后缓慢下降,当两线圈平面互相垂直,接收电压为0的垂直点,接收电压变化的对称性;频率的变化,当范围小于30,接收电压几乎不变,范围大于30度,接收电压变小也有一个最大值,此时的试验状态是两平面垂直偏转角度是90度,接收电压为0。

  实验证明,当无线传输系统处于强耦合状态时,接收线圈的负载角随方向改变时,接收电压的最大值是恒定的,所以系统是不定向的。如果变化角度超过某一范围,则接收电压的最大值开始改变,即系统方向的方向超过某一范围。

  下面的实验证明了在临界耦合状态下两个线圈的方向特性。实验中距离为38厘米。首先将传输频率调到原有谐振频率,然后接收线圈旋转,并且每10度记录一次电压。然后,频率自适应地跟踪角度的变化,使系统的负载侧的接收电压始终是最大的,并且接收电压的大小被记录下来。对以上两个实验数据进行整理,并制作一个方向-接收电压曲线图,如图5.10所示。

  图5.10 临界耦合方向-接收电压曲线

  以上结果表明,无论是采用频率自适应跟踪技术,接收电压都随着两个线圈角度的增加而减小,当角度为90度时,接收电压几乎为0。

  实验证明,当无线传输系统处于临界耦合范围时,接收线圈后不会出现频率分裂现象。无论频率跟踪角是否改变,接收电压的变化趋势都不能改变。因此,在这种情况下,系统是方向性的。

  总结为,当两线圈系统在欠耦合状态时,接收电压会随着方向的变化而改变。同样,也可以变成两个实验。首先,谐振频率是不变的,并且在不同方向时,接收电压不一样。然后,频率会随着方向改变,并不同方向上的最大接收电压不同。根据这两组数据,得到了在不同条件下的两个方向-接收电压曲线,如图5.11所示:

  图5.11 欠耦合方向的接收电压曲线

  在上述图中,频率是否跟踪角度变化,接收电压随接收线圈的偏转角度而减小。直到两圈平面角为90度,数值为0。

  实验表明,当传输系统处于欠耦合范围时,在这种情况下频率不会改变。不管频率怎样改变,随着偏转次数的增加,接收频率会减小。所以,磁耦合无线电共振传输系统朝下耦合状态方向发展。

  在本小结中,验证了无线电传输系统的方向特性,并总结如下:

  如果系统是平行放置,在强耦合系统的范围,是“无”在一定范围内,当频率跟踪。但超过那个范围,系统就是“有方向性”的。

  如果系统处于平行和非强耦合的范围内,系统的方向是固定的,方向的变化,能够影响到系统。

  结 语

  本文首先介绍了磁耦合共振无线电能量传输的道理,阐释了无线能量是怎样传世,研究了传输装置。同时对这个系统的特性进行了实验研究。在理论分析的基础上,得到了影响系统传输效率的几个基本特性。

  磁耦合谐振无线传输技术从提出以来得到了广泛的关注。近几年的研究得到了一些成果,但有一些问题。研究者需要打开思路,深入研究理论和设备中存在的问题。可以说,磁耦合无线电共振传输技术的实际应用还有很长的路要走。

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