项目设计报告

电子设计竞赛

项目总结技术报告

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指导教

师:

2016 年月日

一、学生基本信息

二、摘要：

文中介绍了一种磁耦合谐振式电能无线传输装置。该装置包括了发射部分和接收部分，发射装置包括电源电路、震荡电路、驱动电路和发射线圈；接收部分包括了接收线圈、整流电路、稳压电路。测试结果表明：本装置接收线圈，在负载电阻为20欧姆输出电流0.5A 时，输出电压大于等于8V，传输效率较高；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）时，在保持LED灯不灭的条件下，发射线圈与接收线圈间距离大于50cm。符合设计的基本要求，达到很好的效果。

关键词：电能无线传输装置，磁耦合谐振电路，传输效率

三、设计报告正文：

1、前言：

2、总体方案设计：

为了实现该设计中的各项指标，设计并制作了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

输入电源U1提供系统的供电，驱动电路负责产生谐振所需的震荡信号，并放大驱动发射线圈。接收线圈谐振接收发射线圈的电能通过电能变换电路供给负载。

（1）方案比较

方案一：使用电磁感应式电能传输。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。它由三大部分组成，能量发送部分、变压器、能量接收部分，电磁感应是电磁学中的基本原理，输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电，之后通过高频逆变换进行逆变，逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈，与初级线圈耦合，从而产生感应电动势，再通过高频整流滤波后为负载供电。

方案二：磁耦合谐振式电能传输。

磁耦合谐振式无线电能传输技术的工作原理是导线缠绕制成的发射线圈（空芯电感）与谐振电容共同并列形成的谐振体。谐振体所容纳的能量在电场和磁场之间或者自谐振频率在一定空间的随意振动，在此基础上产生的以线圈为原点，以空气为传输媒介时更换磁场。能量的接收端是由接收线圈带有一个单位电容组成的谐振体，在相同条件下的谐振频率与能量发送端频率相同，并能够在所能感应的磁场与电场之间进行自由的谐振，实现两个谐振体共同的交换，在交换的同时谐振体之间也存在着相同频率的震动以及能量的交换，这就叫做两个谐振体共同组成的耦合谐振系统。

高频

驱动

电路

发射

谐振

线圈

接收

谐振

线圈

负载

图2磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图

（2）方案选择

方案一：使用电磁感应式电能传输。变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的，利用电磁感应进行短程电力传输。缺点比较明显，传输距离较短，从本设计来看，该方案无法达到十几厘米或更远的距离。故放弃该方案的选择。

方案二：磁耦合谐振式电能传输。该方式以谐振“磁耦合”形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。磁耦合谐振式无线电能传输技术在未来有着广阔的应用前景，具有高效率、远距离等优点，故本设计选择该方案进行研究。

（3）方案具体设计与论证

于磁场耦合谐振的无线电能传输装置由高频驱动电路、发射回路和接收回路构成，其中发射回路包括驱动线圈和发射谐振线圈，接收回路包括接收谐振线圈及负载线圈电路。发射线圈和接收线圈均为两个固有谐振频率相同的LC电路，当驱动信号频率与线圈固有谐振频率相同时，发射、接收线圈发生谐振，在磁场的作用下两线圈之间产生很强的耦合，实现电能的无线传输。示意图如图4所示。

图3磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图

上图中发射线圈S与驱动线圈A耦合，接收线圈D与负载线圈B耦合，A与S、D与B之间的距离S

K、

D

K很小，它们之间主要是近距离感应耦合。系统正常工作时，驱动线圈A

周围产生一个高频交变磁场，发射线圈S利用电磁感应从驱动线圈A获得能量，接收线圈D 和发射线圈S具有相同的频率而发生谐振，两线圈之间形成一条能量传输通道，实现电能的无线传输。接收线圈D中存储的能量，以感应耦合的形式，转移到负载线圈B中，供负载使用，从而实现了电能在一定的距离内连续不断的传输。发射线圈S和接收线圈D的谐振频率可以通过接入外部电容调节到相同的频率。

①谐振电路方案选择

本设计使用并联式谐振电路其基本电路如图所示，该电路具有回路Q值越高，回路选择信号能力强。为了使电路达到“磁耦合”必须选择合适的线圈和匹配电容。线圈采用单股铜芯，直径1mm的漆包线绕制而成，绕4圈，其电感量约为17uH。考虑到电子器件的性能，系统的工作频率越高对器件的要求也越高，为了平衡这一关系，同时达到系统的频率要求，本系统在实际设计中并联谐振电容，以降低谐振线圈的谐振频率。为使线圈谐振频率在100khz 左右，采用在线圈两端并联电容。电容量、电容损耗、工作电压、绝缘电阻、频率特性和温度系数是电容器选择时需要考虑的特性参数。由于本文所选电容需要工作在较高频率，因此电容高频工作时的特性需要考虑。在高频工作时，电容损耗增加工作稳定性变差，因此电解电容和纸质电容不适合高频电路。综合考虑瓷片电容具有较好的高频性能，其是一种用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极而成的电容器。瓷片电容不仅有体积小的优点，其在高频电路中使用时，可靠性好、耐高温，且能抗高电压和大电流的冲击。由于瓷片电容器非常适用于高频电路，本设计选用瓷片电容器作为谐振耦合无线电能传输系统的谐振电容。

②高频信号发生电路比较与选择

方案一：采用单片机与DAC0832实现波形。数模转换器构成信号发生器，因为是软件滤波，所以一般不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较好。它的优点是性能较高，在低频信号范围内稳定性能好、操作很方便、体积小、功耗低等。但去输出的频率较低，难以达到1MHz的方波。故本设计放弃该方案的选择。

方案二：采用FPGA产生波形。近年来，随着科学技术迅猛发展，先进的FPGA很快成为现代电子信息时代的主导控制核心。其波形控制灵活，可编程逻辑能力被广泛应用于医学仪器、航天测控、民用家电等领域。考虑到本组成员的知识层次还较低，驾驭fpga的能力尚浅，放弃了该方案的选择。

方案三：采用分立元件NE555来实现非稳态的多谐振荡器，产生频率可调的方波信号发生器。这种信号发生器的输出频率范围比较窄，而且电路参数设定比较简单，其频率大小的测量需要通过硬件电路的调试与切换即可实现，操作实在是很方便。实现电路简单，方便易操作，成本较低，故本设计采用该方案进行产生高频信号。

3、单元模块设计

（1）发射部分电路设计

发射电路主要由、NE555多谐振荡器电路、驱动芯片IRF540、发射线圈等组成。其电路如图6所示。