1、电子设计竞赛项目总结技术汇报责任人： 学 号：学 院、系： 专 业： 联络电话1：联络电话2：答辩题目：指导老师: 年 月 日一、 学生基础信息答辩项目名称 电能无线传输装置所属学科A机械工程 B电子信息 C 其它 （ ）参加人员姓名性别学号专业项目分工署名男 男 男二、 摘要： 文中介绍了一个磁耦合谐振式电能无线传输装置。该装置包含了发射部分和接收部分，发射装置包含电源电路、震荡电路、驱动电路和发射线圈；接收部分包含了接收线圈、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，输入直流电流小2、于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）时，在保持LED灯不灭条件下，发射线圈和接收线圈间距离大于50cm。符合设计基础要求，达成很好效果。关键词：电能无线传输装置，磁耦合谐振电路，传输效率三、设计汇报正文：1、序言：2、总体方案设计： 为了实现该设计中各项指标，设计并制作了一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图图1所表示。图1 电能无线传输装置结构框图输入电源U1提供系统供电，驱动电路负责产生谐振所需震荡信号，并放大驱动发射线圈。接收线圈谐振接收发射线圈电能经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发觉之一，它显示3、了电、磁现象之间相互联络和转化。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基础原理，输入交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电，以后经过高频逆变换进行逆变，逆变所产生高频交变电流输入分离式变压器初级线圈，和初级线圈耦合，从而产生感应电动势，再经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工作原理是导线缠绕制成发射线圈（空芯电感）和谐振电容共同并列形成谐振体。谐振体所容纳能量在电场和磁场之间或自谐振频率在一定空间随意振动，在此基础上产生以线圈为原点，以空气为传输媒介时更换磁场。能量接收端是由接收线圈带有一个单位电容组成谐振4、体，在相同条件下谐振频率和能量发送端频率相同，并能够在所能感应磁场和电场之间进行自由谐振，实现两个谐振体共同交换，在交换同时谐振体之间也存在着相同频率震动和能量交换，这就叫做两个谐振体共同组成耦合谐振系统。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基础原理进行工作，利用电磁感应进行短程电力传输。缺点比较显著，传输距离较短，从本设计来看，该方案无法达成十几厘米或更远距离。故放弃该方案选择。 方案二：磁耦合谐振式电能传输。该方法以谐振“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5、无线电能传输技术在未来有着宽广应用前景，含有高效率、远距离等优点，故本设计选择该方案进行研究。（3） 方案具体设计和论证于磁场耦合谐振无线电能传输装置由高频驱动电路、发射回路和接收回路组成，其中发射回路包含驱动线圈和发射谐振线圈，接收回路包含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LC电路，当驱动信号频率和线圈固有谐振频率相同时，发射、接收线圈发生谐振，在磁场作用下两线圈之间产生很强耦合，实现电能无线传输。示意图图4所表示。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和驱动线圈A耦合，接收线圈D和负载线圈B耦合，A和S、D和B之间距离 、很小，它们之间关6、键是近距离感应耦合。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取得能量，接收线圈D和发射线圈S含有相同频率而发生谐振，两线圈之间形成一条能量传输通道，实现电能无线传输。接收线圈D中存放能量，以感应耦合形式，转移到负载线圈B中，供负载使用，从而实现了电能在一定距离内连续不停传输。发射线圈S和接收线圈D谐振频率能够经过接入外部电容调整到相同频率。 谐振电路方案选择 本设计使用并联式谐振电路其基础电路图所表示，该电路含有回路Q值越高，回路选择信号能力强。为了使电路达成“磁耦合”必需选择适宜线圈和匹配电容。线圈采取单股铜芯，直径1mm漆包线绕制而成，绕4圈，7、其电感量约为17uH。考虑到电子器件性能，系统工作频率越高对器件要求也越高，为了平衡这一关系，同时达成系统频率要求，本系统在实际设计中并联谐振电容，以降低谐振线圈谐振频率。为使线圈谐振频率在100khz左右，采取在线圈两端并联电容。电容量、电容损耗、工作电压、绝缘电阻、频率特征和温度系数是电容器选择时需要考虑特征参数。因为本文所选电容需要工作在较高频率，所以电容高频工作时特征需要考虑。在高频工作时，电容损耗增加工作稳定性变差，所以电解电容和纸质电容不适合高频电路。综合考虑瓷片电容含有很好高频性能，其是一个用陶瓷材料作介质，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电容器。瓷片电容不8、仅有体积小优点，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冲击。因为瓷片电容器很适适用于高频电路，本设计选择瓷片电容器作为谐振耦合无线电能传输系统谐振电容。 高频信号发生电路比较和选择 方案一：采取单片机和DAC0832实现波形。数模转换器组成信号发生器，因为是软件滤波，所以通常不会有寄生高次谐波分量，生成波形比很好。它优点是性能较高，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。但去输出频率较低，难以达成1MHz方波。故本设计放弃该方案选择。 方案二：采取FPGA产生波形。多年来，伴随科学技术迅猛发展，优异FPGA很快成为现代电子信息时代主导控制关键。其波形控制9、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。考虑到本组组员知识层次还较低，驾驭fpga能力尚浅，放弃了该方案选择。 方案三：采取分立元件NE555来实现非稳态多谐振荡器，产生频率可调方波信号发生器。这种信号发生器输出频率范围比较窄，而且电路参数设定比较简单，其频率大小测量需要经过硬件电路调试和切换即可实现，操作实在是很方便。实现电路简单，方便易操作，成本较低，故本设计采取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 发射电路关键由、NE555多谐振荡器电路、驱动芯片IRF540、发射线圈等组成。其电路图6所表示。图4无线电能发射电路输入15V,关键10、作用是提供NE555、驱动芯片IRF540、发射线圈等系统所需要适宜电压。NE555组成多谐振荡器电路为系统提供所需要震荡波形。NE555功效强大，其各个引脚功效以下： Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其开启它时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当初间周期开始555输出脚位，移至比电源电压少1.7伏高电位。周期结束输出回到O伏左右低电位。于高电位时最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时11、器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡运作方法下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时开启这个动作。Pin 7 (放电) -这个接脚和关键输出接脚有相同电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC正电源电压端。供给电压范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 12、（2）接收部分电路设计和分析接收电路由接收线圈、整流电路、稳压电容等组成。为了更轻易实现接收和发射产生谐振，接收线圈并联电容应和发射线圈并联电容容量大小一样。为了得到稳定直流电供给负载，因为接收线圈接收到是交流电压，必需经过图中四个二极管组成整流电路BR1（全桥式），或单个二极管组成整流电路（半桥式）输出由1个47uF电解电容组成，这么会得到愈加稳定直流电。图5无线电能接收电路（全桥式） （3）磁耦合谐振式电能传输工作原理分析及计算由谐振频率公式： (1)可知，在忽略线圈本身分布电容，根据上式计算只能得到大约线圈谐振频率，受限于有限试验条件，试验中采取实际测量方法来较正确地得出线圈谐振频率：把13、发射线圈直接接到信号发生器上，利用两个1W发光二极管串联作为负载，在发射、接收线圈距离一定时，调整信号发生器频率，当发光二极管达成最亮时信号发生器频率即为线圈谐振频率。因为磁耦合谐振无线电能传输系统最好频率段为100KHz，显然频率也不能无线增大，且频率越高对器件要求越高，而市面上器件往往不易满足大频率要求。对于确定磁耦合谐振式无线电能传输系统，当系统频率改变时，传输效率也发生改变。当系统驱动信号频率和线圈谐振频率相同即时，传输效率最大；当系统驱动信号频率偏离线圈谐振频率时，传输效率逐步下降。两线圈间耦合系数k表征是两个线圈间能量传输速度，关键是由两线圈间距离来决定。耦合系数k越大，能量从一个14、线圈传输到另一个线圈速度就越快，就越轻易建立起稳定能量传输通道。磁谐振耦合无线电能传输系统关键由高频驱动信号、驱动线圈、发射线圈、接收线圈、谐振电容和负载回路等组成。为简化系统分析，仅对发生谐振耦合发射和接收两线圈进行等效分析。谐振耦合式电能无线传输系统等效电路模型图5所表示，其中U为理想高频信号源，频率为，、分别为发射线圈、接收线圈在高频下电感量，、分别是发射、接收线圈在高频下寄生电阻，、分别为发射、接收线圈匹配电容(线圈本身分布电容能够忽略不计)，为负载电阻，M为两线圈之间互感系数，D为两线圈之间距离。图6 磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路设发射线圈流过电流角频率为，有效值为，当发射、15、接收线圈处于自谐振状态时，则有 (2) (3)对图5列KCL、KVL方程有 (4) (5)由式(3)、(4)、(5)得负载电流有效值、输出功率如式(6)、(7)所表示： (6) (7)式(7)中和输入电压U成正比。系统效率为： (8)其中，为发射线圈上损耗功率，为接收线圈上损耗功率。接收线圈上电流为： (9)那么接收端线圈损耗功率为： (10)发射端线圈损耗功率为： (11)由式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)能够计算出系统传输效率为：(12)利用诺依曼公式计算空间两线圈互感，其中为真空磁导率，两线圈之间互感近似为： (13)两线圈之间耦合系数k为： (14)对于确定磁耦合谐振式无线16、电能传输系统(谐振频率和、已定)，当系统频率改变时，传输效率也发生改变。当系统驱动信号频率和线圈谐振频率相同即时，传输效率最大；当系统驱动信号频率偏离线圈谐振频率时，传输效率逐步下降。两线圈间耦合系数k表征是两个线圈间能量传输速度，关键是由两线圈间距离来决定。耦合系数k越大，能量从一个线圈传输到另一个线圈速度就越快，就越轻易建立起稳定能量传输通道。当把系统驱动信号频率固定在谐振频率()，耦合系数k改变时，由(11)、（13)式能够看出k越大，系统传输效率越高。 （4）模块链接和分析图7系统模块连接画出框联接图并简明说明。4、系统调试：（1）调试仪器 米尺、15V直流稳压电源、数字万用表、电流表17、模拟示波器（2） 调试方法将15V直流稳压电源加入电路，在发射圈和接收圈相距10cm时测量输出端直流电压和电流大小，并计算功率及效率。 （3）调试结果及分析 保持发射线圈和接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，负载为20欧姆电阻时，该无线电能传输装置输出电压及效率数据如表1所表示。表1：输入电流（A）输出电压输入功率输出功率效率（%）0.849.912.60.8210.012.30.8510.212.750.8410.112.60.8210.012.30.8510.012.750.8410.112.60.849.812.60.8410.118、12.60.839.912.450.8410.112.60.8310.112.45依据上表计算出效率平均值为： 经过调试，我们发觉振荡器频率为800KHz1MHz传输效率较高。5、系统功效、指标参数本系统基础完成了题目中要求（1）和（2）两项功效和指标：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，输入直流电流小于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）时，在保持LED灯不灭条件下，发射线圈和接收线圈间距离大于30cm。 输入电流（A）输入电压（V）传输距离0.8115300.82150.83150.84150.85150.86119、50.87150.88150.89156、设计总结：经过快要半个月努力，在指导老师引导帮助下，我们小组组员相互配合，共同努力，基础实现大赛题目要求，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，输入直流电流小于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）时，在保持LED灯不灭条件下，发射线圈和接收线圈间距离大于30cm。 最终，感谢中北大学电子设计竞赛组委会给我们此次参赛机会，感谢指导老师，你们使我们队员不光在技术上大幅提升，而且在团体协作方面也知道了很多。衷心祝福电子设计竞赛越办越好。四、参考文件：根据国家标准GB771487文后参考文件著录规则书写。五、附件：1、系统总体电路原理图；2、程序清单序号名称数量11N40071只21N41484只3IRF540场效应管1个4散热片1个5螺丝1袋6555脉冲模块1个7电解电容43uf2个8电解电容200uf2个9CBB电容1044只10按键开关1个11充电线圈2个12端子3个13金属膜电阻1K1个14金属膜电阻201个15LED 红1只161WLED2只17万用板2张3、系统工作中实物照片*设计汇报格式：设计汇报统一用A4纸打印，设计汇报正文大标题用小三号宋体、小标题用四号宋体、内容用小四号宋体。汇报从正文开始统一编页码、左侧装订。