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，
其设计原理如下图所示。

发射部分
接收部分
3 方案论证
3.1 基本结构
从能量传输的观点出发，电能的传输至少需要两个线圈。

利用两个谐振线圈进行无线电能传输结构，为MCR —WPR 的第一种基本拓扑结构，称为两线圈结构。

另外在两个谐振线圈的基础上增加两个感应线圈，使电源线圈与发射线圈隔离，负载与接收线圈相隔离，为MCR —WPR 的第二种基本拓扑结构这种结构被称作四线圈结构。

这两种拓扑结构的抽象模型如图1所示。

图1
为了有效的传输电能，发射线圈与接收线圈的自谐振频率设置为同一频率，即为系统的谐振频率。

根据题目要求我们决定采用两线圈结构。

3.2 工作原理
从能量流动的观点出发，分析两线圈结构MCR—WPR的电能传输机理。

电源给发电线圈供电，频率为系统谐振频率。

此时发射线圈发生谐振。

即使在不高的供电电压下，因为发生谐振，也能产生较大的电流，从而建立起较强的电磁场。

发射线圈中电容的电场能因为谐振与电感线圈中的磁场能不断地进行交换。

而发射端电感线圈中磁场有一部分铰链到接收端的电感线圈，交变的磁场在接收线圈
中感应出电流，因此能量传送到接收端。

在接收端，
中的磁场能不断地进行能量交换，最终把能量传递给负载。

3.3 参数计算
想要实现谐振，两个LC网络必须要有相同的参数，以保证网络可以发生谐振，并且要能找到合适的谐振频率，只有在两网络发生谐振时，能量才能以最大的效率传递。

因此对于电路参数的计算十分的重要。

本次实验中，以电感量为定值，首先选取电感的参数，然后再根据谐振频率来计算电容的大小
谐振频率： f=1/2∏√LC·····························（式 1）
电容值： C=1/(2∏f)^2*L·························（式 2）
3.4线圈方案论证
根据资料显示，不同的线圈对于磁耦合无线传输的效率有着很重要的影响，因此在此次设计中，对于线圈的绕发对效率的影响做了较多的研究与实验，的处理一下一系列结论。

3.4.1 谐振频率在一切条件与参数均固定不变时，仅改变电源的频率，得到实验结果如图（2）所示。

接受功率的极值出现在f,f/2,f/3......处，其中f为装置的固有频率，即发射接收端的固有频率。

图（2）图（3）
3.4.2 线圈距离在保持其他条件不变的情况下改变发射线圈与接收线圈
间的距离，发现并非离得越近传输效果越好。

得到了如图（3）所示的曲线，可见当发射线圈和接收线圈保持一定距离是传输效果最理想。

3.4.3 线径在其他条件不变的情况下，改变绕制线圈所用的导线线径，发
现其对接受效率有着明显的影响，通过实验得出，发射端线径大好，接收端线径小好。

3.4.4线圈形状在其他条件不变的情况下，对饼状，环状等多种形势的线
圈进行了测试，最终发现饼状比较好。

4 电路设计说明
4.1 发射部分
4.1.1 PWM输出
本次设计采用TI的mps430作为控制中心，利用其产生逆变所需要的PWM 信号，并显示输出的PWM频率，利用外部按键实现步进，方便设备的调试。

4.1.2 逆变及驱动
为了驱动LC串联网络发生谐振，必须要产生交流信号，此次设计利用电力电子中的逆变技术，将15V的直流电压，变为 15V的方波交流电压，然后去驱动LC网络，实现谐振。

逆变及驱动电路图如图
驱动部分
逆变部分
4.2 接收部分
整流电路
利用LC谐振网络接收到的是高频的交流电，而我们所要使用的负载却为直流负载，如LED灯，因此利用整流电路将接收到的交流变为直流，是无线电能传输中的一个重要环节，利用电力电子知识，我们设计如图（4）所示的整流电路。

图（4）整流电路
5 测试结果及分析
5.1 测试结果
LED显示效果
在负载为LED灯，输入电压15V,PWM频率为500KHZ时，线圈距离从10cm开始增加到70cm的过程中可看到LED灯持续发光。

5.2 数据分析
经过多次测量显示，带动LED灯发光的效果非常好，且距离可以达到很远。

但在用划变为负载时效果不太好，带载能力比较差。

可能原因是接收能量后的整流桥里的二极管选型不好，开关频率太低。

6 设计总结
通过从8月12号到15号的日夜奋战，我们完成了一个磁耦合谐振式无线电能传输装置系统，系统部分达到试题要求，系统各个模块的制作和选择都是经过详细的计算，尽管在制作中精益求精，但系统仍存在许多需要改善的地方。

例如谐振频率点的调节，造成系统误差；软件设计不够完善，算法欠佳，精度不够等。

操作简单是此系统一大优点。

7 参考文献
【1】阎石数学电子技术基础[M].清华大学.高等教育出版社.2006.
【2】童诗白华成英模拟电子技术基础[M].清华大学.高等教育出版社.2006. 【3】王兆安刘进军电力电子技术西安交通大学机械工业出版社2009 【4】党宏社.电路、电子技术实验与电子实训[M].电子工业出版社.2008.
目录
1 任务 (1)
2系统总体方案设计 (1)
2.1方案一采取磁耦合感应式电能传输 (1)
2.2 方案二采用磁耦合谐振式无线电能传输 (1)
3 方案论证 (2)
3.1 基本结构 (2)
3.2 工作原理 (3)
3.3 参数计算 (4)
3.4线圈方案论证 (4)
4 电路设计说明 (5)
4.1 发射部分 (5)
4.1.1 PWM输出 (5)
4.1.2 逆变及驱动 (5)
4.2 接收部分 (6)
5 测试结果及分析 (7)
5.1 测试结果 (7)
5.2 数据分析 (7)
7 参考文献 (8)
2014年TI杯竞赛陕西赛区
设计报告封面
说明
1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；
2. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会统一编排的编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。

5. 本页允许各参赛学校复印。