用于家用电器的较大功率无线电能传输技术研究（可编辑）

用于家用电器的较大功率无线电能传输技术研究（可编辑） 用于家用电器的较大功率无线电能传输技术研究 硕士 学 位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 用于家用 电 器的较大 功 率 无线电能 传 输技术研 究 LARGER ELECTRIC POWER WIRELESS TRANSFER TECHNOLOGY RESEARCH FOR HOUSEHOLD APPLIANCES 吴家宏 2013 年 7 月国内图书分类号:TM724 学校代码:10213 国际图书分类号:621.3 密级:公 开全 日 制工 程 硕士 学 位论 文用于 家用 电 器的较大 功 率 无线电能 传 输技术研 究硕士研究生 : 吴家宏 导 师: 朱春波 教授 申请学位 : 全日制工 程 硕士 学科 : 仪器 仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 所 在 单 位 : 电气工程 及自动 化 学院 答 辩 日 期 : 2013 年 7 月 1 日 授 予 学 位 单 位 : 哈尔滨工 业大学 Classified Index: TM724 U.D.C: 621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringLARGER ELECTRIC POWER WIRELESS TRANSFER TECHNOLOGY RESEARCH FOR HOUSEHOLD APPLIANCES Wu Jiahong Candidate : Pro. Zhu Chunbo Supervisor : Full-time Master of Engineering Academic Degree Applied for : Instrument and Meter Engineering Speciality : Dept. of Automatic Test and Control Affiliation : July, 1st, 2013 Date of Defence : Harbin Institute of Technology Degree-Conferring-Institution : 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位 论文 摘 要 近 年 来 无线 电能 传 输 技 术 发 展 迅 猛 , 通 过 无 线 的 方 式 进行 供 电 在 医 疗 、 电 动 汽 车 等 很多 领域 都 得 到 了 采 用 , 出 现 了 一些 实际 相关 的 产 品 。 磁 共振 式 无 线 电能 传输 技术 起源于 2006 年, 其 发展 的 时 间 并 不 长 , 但 由 于 它 具 有 传 输 距 离 远 的 特 点 , 在 中等 功 率 级 别 的 传 输 中 和 其 它 的 无 线 电 能 传 输 技 术 相 比 ,具 有 较 大 的 优 势 和 应 用 价 值 。 本 文 以 磁 共振 式 无 线 电能 传 输 技 术 为 依 据 , 研 究 并 制 作 了 一 种 为 家 用 电 器 进 行 无 线 供 电 的 装 置 。 通 过 无 线 供 电 的 方 式 , 消 除 了 在 诸如 厨 房 之 类 的 潮 湿 环 境中 导 线 带 来 的 弊 端 和 安 全 隐 患 , 在 实 际 应 用 中 具 有 一 定 的 价 值 。 本 文 首 先 对 磁 共振 式 无 线 电能 传 输 技 术 的 基 本 原 理 进 行 了 研 究 , 利 用 电 路 耦合 理 论 对 传 输 系 统 进 行 了 分 析 , 并 通 过 理 论 及 仿 真 分 析 了 耦 合 线 圈 中 的 各项 主 要 参 数 , 以 及 负 载 、 系 统 工 作 频 率 等 与 传 输 特 性 的 关 系 , 确 定 了 系 统 的 结 构 和 大 致 的 线 圈 参数 。 然 后 根 据 给 定 的 要 求 设 计 了 耦 合 线 圈 、 逆 变 器 及 其 控 制 电 路 等 硬 件 , 选择 了 合 适 的 导线 , 通 过 不 同 的 绕 制 方 法 比 较 大 致 确 定 了 耦 合 线 圈 的 各 项 主 要 参 数 , 完 成 了 实 验 平 台 的 搭 建 , 并 初步 选 定 了 系 统 的 工 作 频 率 范围 。 最后 通过 实 验 对 所 搭 建 的 平 台 进 行 了 传 输 特性 的 相关 验证 。 主要 研 究 了 负 载 特 性 和 频 率 特 性 , 以 及 耦 合 线 圈 之 间 有 垂 直 和 水 平 位 置 变 化 时 系 统 的 传 输 特 性 。 实 验 中 系 统 的 各 项 参 数 调 整 主 要 以 满 足 传 输 功 率 和 提 高 传 输 效 率 为 目 标 , 同 时 需 保 证 系 统 能 够 长 时 间 稳 定 工 作 。 实 验 结 果 表 明 , 所 搭 建 的 硬 件 平 台 能 够 实 现 垂直 距离 5~8cm 的 自 由 移 动 , 同时在 耦 合 线 圈 有 较 大 的 相 对 水 平 位移 时 , 即 在 发 射 线 圈 ( 方 形 , 尺 寸 为 50cm*40cm ) 正 上 方 , 接 收 线 圈 ( 圆 形 , 半 径 为 10cm ) 有 位置 移 动 时 ,系统均 能 保 证 不同 负载 的 额定 功 率 和 较 高 的 传 输 效 率 , 并且 通 过 实 验 验 证 了 系 统 能 够 长 时 间 稳 定 工 作 。 关 键 词 : 无线 电能 传 输 ; 家 用 电 器 ; 磁 共振 - I - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 Abstract In recent years, wireless power transmission technology has a rapid development in medical, electric vehicle and many other areas. A lot of actual products and applications based on wireless power transmission have been developed. Magnetic resonance wireless power transmission technology is originated in 2006, although its development time is not long, its advantages of long distance transmission in middle power transmission level can be proved when compares with other wireless power transmission technologiesThis paper is based on the magnetic resonance wireless power transmission technology, with this technology we developed a wireless power transmission device for the household appliances. With the advantage of the wireless power transmission technology, the disadvantage and potential safety hazard that the wire has in the humid environment such as the kitchen can be eliminated. Therefore, the research in this paper has certain value in practical applicationFirstly, the paper analyzed the basic principle of the resonance wireless power transmission technology. With the circuit coupling theory, the paper analyzed the whole transmission system. Based on the knowledge above, the paper also analyzed the relationship between the main parameters of the coupling coil, the load, the frequency and the transmission characteristics by theory and simulation. Therefore, determine the structure and basic parameters of the system qualitativelySecondly, the paper designed the coupling coils, the inverter circuit and the control circuit according to the given requirements. Also, the paper compared and analyzed the main parameters of the coupling coils in the case of different wires and different shapes, then established the experimental platform and chose the initially frequency for the systemFinally, with the experimental platform, the transmission characteristics of the research in the paper can be analyzed and verified. The transmission characteristics mainly contain the load characteristics, the frequency characteristics and the characteristics when the coil has a displacement in the vertical and horizontal direction. In order to meet the transmit power and the improvement of transmission efficiency, he parameters in the experiment system is accordingly adjusted. At the same time, the long time stability of the system needs to be ensured As the experimental results shown, the hardware platform can realize a 5~8 cm free movement in the vertical direction. Also, when the coupling coil has a larger relative horizontal displacement which means the transmit coil square in shape, - II - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 25cm * 15cm in size and the receive coil can has a large-scale movement; the system can still ensure the power of different loads and keep a high transmission efficiency. In the end, the system is tested and verified can work stability during a long time by experiment Keywords: wireless power transfer, household appliances, magnetic-coupling resonances - III - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 目 录 摘 要I AbstractII 第 1 章 绪 论1 1.1 课 题 背 景 及 研 究 意 义.1 1.2 无 线 电 能 传 输 技 术 的 发 展 现 状.2 1.2.1 国 外 研 究 和 发 展 现 状2 1.2.2 国 内 研 究 和 发 展 现 状7 1.3 无 线 电 能 传 输 技 术 在 商 业 领 域 的 应 用.9 1.4 本 文 研 究 的 主 要 内 容11 第 2 章 磁 共 振 式 无 线 电 能 传 输 技 术 的 原 理 分 析. 12 2.1 引言 12 2.2 无 线 电 能 传 输 系 统 的 基 本 构 成12 2.3 电 路 的 谐 振 现 象 和 频 率 特 性 13 2.4 无 线 电 能 传 输 技 术 的 原 理 分 析14 2.4.1 两 种 拓 扑 结 构 的 原 理 分 析 15 2.4.2 两 种 拓 扑 结 构 的 带 载 能 力 比 较. 19 2.5 耦 合 线 圈 的 主 要 参 数21 2.5.1 线 圈 耦 合 系 数 的 分 析. 21 2.5.2 线 圈 的 自 感 量 分 析22 2.6 系 统 工 作 频 率 的 初 步 分 析 24 2.7 本 章 小 结. 25 第 3 章 无 线 电 能 传 输 系 统 的 设 计. 26 3.1 引言 26 3.2 设 计 要 求. 26 3.3 耦 合 线 圈 设 计27 3.3.1 导 线 的 选 择27 3.3.2 线 圈 绕 制 28 3.3.3 线 圈 之 间 的 耦 合 系 数. 29 3.3.4 电 容 的 选 择32 - IV - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论 文 3.4 硬 件 电 路 设 计33 3.4.1 逆 变 器 设 计33 3.4.2 驱 动 电 路 35 3.4.3 电 流 采 样 和 保 护 电 路. 36 3.5 本 章 小 结. 37 第 4 章 系 统 的 实 验 分 析 和 研 究. 38 4.1 引言 38 4.2 系 统 工 作 频 率 段 的 选 取. 38 4.3 接 收 线 圈 有 无 磁 芯 的 对 比 40 4.4 水 平 位 移 特 性 分 析 41 4.5 垂 直 位 移 特 性 分 析 44 4.6 负 载 特 性 实 验45 4.7 磁 场 的 分 布 46 4.8 系 统 稳 定 性 测 试. 48 4.9 本 章 小 结. 49 结 论 50 参 考 文 献 51 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 和 使 用 权 限56 致 谢 57 - V - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 第1 章 绪 论 1.1 课 题 背 景 及 研究 意义 无 线 电 能 传 输 技 术 发 展 至 今 已 有 100 多 年 的 历 史 , 最 早 可 追 溯 到 19 世 纪 , Nikola Tesla 就 开 始 对 无 线 电 能 传 输 技 术 进 行 了 研 究 。 为 了 实 现 电 能 在 全 地 球 范 围 内 的 无 线 传 输 , 他 计 划 利 用 能 量 发 射 和 接 收 的 铁 塔 , 通 过 地 球 和 电 离 层 之 间 [1] 的 电 磁 振 荡 耦 合 来 实 现 电 能 的 无 线 传 输 。 100 多 年 来 , 随 着 科 技 的 发 展 和 进 步 , 各 式 各 样 的 无 线 电 能 传 输 方 式 被 提 出 和 采 用 。 到 目 前 为 止 , 微 波 无 线 电 能 传 输 、 感 应 耦 合 式 无 线 电 能 传 输 、 磁 共振 式 ( 也 称 为 磁 耦合谐振 式 ) 无 线 电 能 传 输 这 三 种 是 最 主 要 的 无 线 电 能 传 输 方 式 。 由 于 微 波 频 率 很 高 , 会 对 人 体 造 成 伤 害 , 所 以 在 一 般 的 情 况 下 很 少 采 用 , 市 场 中 采 用 无 线 供 电 的 产 品 主 要 是 基 于 感 应 耦 合 式 无 线 电 能 传 输 技 术 和 磁 共振 式无 线 电 能 传 输 技 术 。 用 导 线 传 输 电 能 , 不 仅 会 因 为 导 线 存 在 带 来 的 麻 烦 , 还 会 由 于 存 在 摩 擦 、 [2] 老 化 等 问 题 影 响 到 用 电 器 的 寿 命 和 用 电 安 全 。 特 别 是 在 一 些 特 殊 的 场 合 , 例 如 厨房 之 类 比 较 潮 湿 、 经 常 出 现 积 水 的 环 境 , 如 果 能 够 通 过 无 线 的 方 式 为 用 电 器 进 行 供 电 具 有 比 较 大 的 意 义 和 实 用 价 值 。 近 年 来 一 些 电 器 生 产 厂 商 , 开 始 研 究 如 何 将 无 线 电 能 传 输 技 术 应 用 在 家 用 电 器 上 面 , 并 且 有 了 初 步 的 成 效 , 出 现 了 一些 相 关 的 产 品 。例如在 2010 年国际 消 费 电 器 展 览 会 上 ,海 尔 公 司 展 出 了 一 款 “ 无 尾 电 视 ” , 通 过 无 线 的 方 式 将 电能 [3] 与 信 号 同 时 传 递 给 显 示 屏 , 引 起 了 世 界 各 国 的 广 泛 关 注 。 磁 共振 式 无 线 电 能 传 输 技 术 于 2006 年 被 美 国 的 麻 省 理 工 学 院 提 出 , 并 给 出 [4] 了 相关 的 理 论 基 础 和 实 验 验 证 , 随 后 该 技 术 开 始 被 世 界 各 国 广 泛 研 究 和 应 用 。 该 技 术 主 要 基 于 磁 共 振 的 原 理 , 通 过 空 间 中 变 化 的 磁 场 进 行 能 量 的 传 输 。 与 微 波 传 输 技 术 相 比 , 由 于 其 采 用 的 是 近 场 耦 合 ,由 磁 场 传 输 能 量 , 频 率 范 围 在几 [5] 千 赫 兹 到 几 兆 赫 兹 之 间 , 磁 场 对 于 人 和 生 物 的 影 响 是 很 小 的 , 所 以 采 用 磁 共 振 式 无 线 能 量 传 输 技 术 是 比 较 安 全 的 。 与 感 应 耦 合 传 输 方 式 相 比 , 虽 然 磁 共 振 技 术 传 输 功 率 小 一 些 , 但 其 实 现 几 千 瓦 功 率 的 传 输 是 没 有 问 题 的 , 用 于 一 般 的 家 用 电 器 上 已 经 足 够 了 。 磁 共 振 式 无 线 能 量 传 输 技 术 的 基 本 原 理 , 是 以 共 振 的 方 式 , 通 过 电 场 和 磁 场 转 换 的 形 式 将 能 量 从 发 射 端 传 递 到 接 收 端 。 根 据 麻 省 理 工 学 院 提 出 的 理 论 ,- 1 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 当 两 个 固 有 频 率 相 同 的 电 磁 系 统 , 在 一 定 频 率 的 激 励 作 用 下 能 够 传 递 能 量 , 而 当 激 励 的 频 率 与 两 系 统 的 固 有 频 率 一 致 时 , 两 系 统 之 间 将 产 生 最 强 的 耦 合 谐 振 , 发 射 端 源 源 不 断 地 将 能 量 传 输 到 接 收 端 , 接 收 端 的 用 电 设 备 又 将 能 量 消 耗 掉 , 这 样 就 实 现 了 能 量 的 无 线 传 输 。 磁 共 振 式 无 线 电 能 传 输 技 术 还 有 另 一 个 显 著 地 优 势 , 就 是 当 其 加 入 平 面 磁 芯 作 为 导 磁 材 料 时 , 具 有 高 效 的“ 位 置 容 错 性 ” , 也 就 是 是 指 两 线 圈 之间 有 一定 [6] 的 水 平 或 垂 直 位移 时 , 对 系 统 的 传 输 性 能 影 响 很 小 。 这 一 特 性 在 实 际 应 用 中 意 义 很 大 , 例 如 电 动 汽 车 停 靠 充 电 站 时 不 需 要 严 格 对 准 即 可 充 电 , 用户 使 用 电 气 设 备 时 也 不 需 要 再 刻 意 地 将 去 用 电 设 备 对 准 发 射 端, 使 用 起 来 非 常 方便 。 1.2 无线 电能 传 输 技 术 的 发展 现状 目前常见的无线电能传输技术主要有三种形式, 即微波传输、 感应耦 合式 传输 和磁共振式传输 。 由于微波 频率较高(30MHz~30000MHz ) , 大功率 传输时会 对人 体造成伤害, 所以 一般只用于通信 等小功率的 领域, 无线电能传输在 实际应用中主 要基于后两种方式。 感应耦合式和磁共振式无线电能传输技术各有所长, 感应耦合式无线 电能传输 技术主要用于传输功率较大 (十几 千瓦到几十 千瓦) 的场合 , 在一些中小功率级别 [7] 的传输场合,由于其传输距离较近,位置发生偏移时传输特性变化比较敏感 ,所 以并不适用 ; 磁共振式无线电能传输技术传输距离较远 (可以达到米级范围) , 功 率可达到几千瓦左右, 使用起来较为方便。 下面就这两种应用较多的无线电能传输 技术发展现状进行简要 说明。 1.2.1 国 外研究和 发展 现状 国外 在 无 线 电 能 传 输 技 术 领域 进 行 研 究 比 较早 , 目前 在 很 多 领 域 都 有 了 实 际 的 应 用 , 出 现 了 比 较 成 熟 的 产 品 。 目 前 在 该 领域 的 研 究 较 多 且 技 术 上 处 于 领 先的 主要 有 美 国 、 日 本 、 韩 国 、 新 西 兰 等 国家 。 麻 省 理 工 学 院 (MIT ) 自 2006 年 提 出 磁 共 振 式 无 线 电 能 传 输 技 术 以 来 , 在 [8] 该 领 域 一 直 处 于 领 先 地 位 。 文献 中 MIT 提 出 了 在 两 线 圈 基 础 上 加 入 1 个 同频 率 的 中 继 线 圈 的 结 构 , 发 射 线 圈 与 接 收 线 圈 位 置 相 互 垂 直 而 没 有 磁 耦 合 , 而是 通过 与 中 继 线 圈 的 磁 场 能 量 交 换 来 实 现 电 能 的 传 输 , 两 线 圈 以 同 样 的 频 率 旋 转 , 如图 1-1 所 示 。 当 改 变 中 继 线 圈 的 旋 转 速 度 时, 最大 传输 效 率 可 达 61.2% 。 另 [9] 一 文 献 中 MIT 对 多 负 载 系 统 进 行 了 研 究 , 并 指出 多 负 载 时 系 统 的 传 输 效 率 要 比 单 负 载 时 效 率 高 。 - 2 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 图 1-1 MIT 的 3 线 圈 结 构 示 意 图 [10] 华 盛 顿 大 学 在 文 献 中 提出 了 一种 新的 数 学 模 型 , 并 对 频 率 分 裂 现 象 和 临 界 耦 合 距 离 详细 地 进行 分析 , 同时 设 计 了 频 率 跟 踪 算 法 使 系 统 保 持 在 最 大 效 率 传 输 的 状 态 。 在 利 用 构 建 的 系 统 进 行 实 验 时 , 负 载 能 够 在 发 射 器 允 许 范 围 内 的 任 意 位 置 和 角 度 接 收 到 足 够 的 功 率 , 当 距 离 在 70cm 以内 时 , 传 输 效 率 能够 保 持在 70%以上 ,图 1-2 为 他 们 通 过 实 验 为 笔 记 本 电 脑 进 行 无 线 供 电 。 图 1-2 华盛顿大学 的 实 验 装 置 日 本 东 京 大 学 在 磁 共 振 式 传 输 技 术 方 面 做 了 大 量 研 究 , 其 分 析 主 要 通 过 电 磁场 和 天 线 理 论 。 [11] 文献 通 过 对 电 磁 原 理 以 及 耦 合 电 路 的 分 析 , 得 出 了 在 弱 耦 合 共 振 的 情 况 下 通 过 足 够 高 的 工 作 频 率 也 能 够 达 到 高 效 率 传 输 的 结 论 。 其 研 制 出 了 一 种 用 于 电 动 汽 车 的 无 线 充 电 装 置 , 其 线 圈 为 直 径 30cm 的 螺 旋 线 圈 , 见 图 1-3 。该装置 的 传 输 距 离 为 20cm , 工 作 频 率 为 16MHz , 在 进行 100W 功 率 传 输 时 , 耦合系 数 仅 为 0.057 的 情 况 下 传 输 效 率 达 到了 95% , 文 中 同 时 指 出 , 大 功 率 传输 下的 结 果 也 基 本 一 致 。 同 时 , 在 另 一 文 献 中 指 出 , 当 两 线 圈 有 一 半 面 积 的 错 位 时 , [12] 效 率 仍 然 能 达 到 90% 。 - 3 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 图 1-3 东京大学 的 实 验 装 置 韩国 提 出 了 一 种 多 线 圈 装 置 , 能 够 使 负 载 在 很 大范围 内 有 效 地 接 收 到 电 能 。 该 系 统 由 1 个 发 射 线 圈 、5 个 自 谐 振 线 圈 以及 1 个 负 载 线 圈 组 成 , 如图 1-4 所示 。 实 验 中 通 过 调 节 第 5 个 线 圈 的 谐 振 频 率 , 能 够 将 传 输 死区 的 范 围 ( 文 中 定 义 为 效 率 低 于 50% 的 区 域 ) 减 少 到 10% , 负 载 在 整 个 装 置 平 面 上 方 都 能 接 收 [13] 到 电 能 , 并 且 最 大 传 输 效 率 能 够 达 到 86% 。 图 1-4 多线圈结构 美国 三 菱 电 机 研 究 实 验 室 提 出 在 耦 合 线 圈 之 间 加 入 一 种 负 折 射 率 的 材 料 , 如图 1-5 , 其 磁导率 、介电常数 为负数 , 在近场耦合传输时, 能够对 提高传输 效 率 有 很大 帮 助 。 实 验 中 对 一 只 40W 的 灯 泡 进 行 供 电 , 结 果 表 明 正 常 时 的 传 输 [14] 效 率 为 17% , 当 加 入 一 块 平 面 型的 负 磁 导 率 材 料 后 , 传 输 效 率 提 高 到 了 35% 。 图 1-5 负 折射 率材料 [15] 韩 国 科 技 大 学 和 韩 国 电 力 研 究 中 心 发 表 的 一 篇 文 章 中 , 对 四 线 圈 结 构 进 行 了 研 究 分 析 。 其 构 建 的 系 统 由 发 射 线 圈 、 负 载 线 圈 以 及 两 个 自 谐 振 线 圈 组 成- 4 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 如 图 1-6 所示 。 文 中 提 出 一 种 方 法 , 通 过 对 磁 通 密 度 的 分 析 , 能够 计 算 出 线 圈 在 任 意 位 置 时 的 互 感 值 。 同 时 实 验 结 果 表 明 通 过 调 整 两 个 自 谐 振 线 圈 的 位 置 , 传 输 系 统 能 够 获 得 超过 90%的传输 效率 , 同 时 文 章 还 指 出 , 该 方 法 也 适 用 于 对 多 边 形 线 圈 的 计 算 。 图 1-6 四线圈结构 美 国 的 威 斯 康 星 大 学 麦 迪 逊 分 校 的 Seung-Hwan Lee 和 Robert D. Lorenz 在 文 献 中 提 出 了 一 种 新 的 模 型 , 适 合 对 在 距 离 米 级 以 上 进 行 百 瓦 级 功 率 传输的 系 统 等 效 电 路 进行 分析 , 并 通 过 有 限 元 分 析 和 实 验 对 新 的 模 型 进 行 了 验 证 。 文 中 指 出 , 在 高 频 率 下 , 集 肤 效 应 和 临 近 效 应 是 线 圈 损 耗 的 主 要 原 因 , 于 是 提 出 了 一 种 新 型 螺 旋 线 圈 结 构 来 减 小 损 耗 。 他 们 设 计 的 耦 合 线 圈 如 图 1-7 所 示 , 在距 [16] 离 30cm 时 , 进行 220W 功率 的 电 能 传 输 , 效 率 达 到 了 95% 。 图 1-7 威 斯 康 星 大 学 麦 迪 逊 分 校 的 实 验 装 置 韩国研究了一种用于 城市轨道交通的无线 供电装置,将导线在 轨道上 按 “8 ” 字 型 绕 制 在 轨 道 表 面 的 磁 芯 上 ,如图 1-8 所 示 。 这 样 等 效 于 多 个 线 圈 串 联 的 形 式 , 在 任 意 位 置 都 能 传 输 电 能 。 在 充 电 距 离 为 20cm 时, 最 大 能 够 传 输 35kW 的 功 率 , 在 27kW 功率 传 输 时 , 整 体 效 率 达 到 74% , 能 够 直 接 对 运 行 在 轨 道 上 的 车 辆 进 行 供 电 。 此 系 统 工 作 频 率 为 20kHz , 在 距 离 发 射 器 中 心 一 米 范 围 内 的 [17] 磁 感 应 强 度 仅 为 1.5 , 满 足 国 际 非 电 离 辐 射 防 护 委 员 会 的 标 准 。 μT- 5 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 图 1-8 “8 ”字型线圈结构 [18] 在 文 献 中 , 作 者 通 过 磁 共 振 无 线 电 能 传 输 技 术 , 设 计 了 相 应 的 传 输 系 统 , 模拟在远离电源的地 方下,通过无人飞行 器 为传感器网络进行 供电 ,如图 1-9 所示 。 文 中 做 了 相 应 的 算 法 优 化 对 发 射 器 进 行 控 制 , 保 证 在 耦 合 线 圈 位 置 有 偏 移 时 以 最 大 功 率 传 输 。 实 验 证 明 该 系 统 在 垂 直 距 离 为 35cm 时, 能 够 对 地 面 的 传 感 器 以 5W 的 功 率 进 行 充 电 。 图 1-9 无线传感器网络充电过程 此 外 , 还 有 不 少 的 机 构 够 在 该 领 域 也 有 相 关 研 究 。 美 国 德 克 萨 斯 泰 勒 分 校 提 出 了 一 种 通 过 空 间 磁 场 分 布 计 算 方 法 , 能 够 对 任 何 形 状 的 线 圈 在 空 间 任 意 位 [19] 置 的 互 感 进 行 较 为 准 确 的 计 算 , 对 线 圈 设 计 有 很 大 的 帮助 。 新 西 兰 奥 克 兰 大 学 的 J.T. Boys 教 授 等 人 在 针 对 传 输 系统 的 控 制 方 面 进 行 了 较 多 的 研 究 , 在 很多 [20-22] 文献 中 给 出 了 多种 不 同 的 控 制 方法 , 在 实 际 应 用 中 具 有 较 大 的 实 用 价 值 , [23] 同 时 在 文 献 中 , 他 们 还 对 极 低 频 率 (10kHz ) 下 的 传 输 系 统 特 性 进 行 了 研 究 。 [24] 文献 给 出 了 在 工 作 频 率 为 13.56MHz 时 , 通 过 设 计 阻 抗 匹 配 来 设 计 耦 合 线 圈 的 方 法 , 该 方 法 只 需 测 量 耦 合 系 数 以 及 负 载 范 围 内 对 应 的 反 映 阻 抗 值 , 并 没 有 [25] 复 杂 的 电 磁 分 析 , 实 验 表 明 设 计 出 来 的 线 圈 具 有 较 高 的 传 输 效 率 。文献 对无 线 电 能 传 输 系 统 的 功 率 因 数 进 行 了 详 细 的 分 析 和 研 究 , 提 出 了 在 不 同 负 载 情 况 [26] 下 提 高 输 入 功 率 因 数 的 方 法 。文献 中 提出 使 用 一 种 镀 磁 线 制 作 线 圈 , 大 大 减 小 了 线 圈 的 电 阻 值 , 有 效 提 高 了 传 输 效 率 。- 6 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 1.2.2 国内 研 究 和 发 展 现 状 国 内 在 该 领 域 起 步 较 晚 , 技 术 上 也 与 发 达 国 家 存 在 一 定 的 差 距 , 但 发 展 速 度 迅 猛 , 目 前 越 来 越 多 的 科 研 单 位 和 机 构 都 对 此 项 技 术 开 展 了 研 究 。 中科院 的 严 陆 光 院 士 及 其 课 题 组 是 国 内 比 较 早 对 无 线 电 能 传 输 技 术 进 行 [27] 研 究 的 机 构 之 一 。在 文 献 中 , 通 过 理 论 和 仿 真 分 析 ,建 立 了 分 离 式 变 压 器 的 电 路 和 新 型 无 接 触 供 电 系 统 的 模 型 , 在 国 内 首 次 研 制 出 了 小 型 非 接 触 供 电 系 统 , [28] 并 结 合 实 验 分 析 了 系 统 的 补 偿 方 法 , 以 及 变 频 控 制 时 系 统 的 稳 定 性 。 在 文 献 中 研 究 了 运 动 设 备 无 线 供 电 系 统 的 耦 合 特 性 , 并 给 出 一种 了 不 同 形 状 的 线 圈 自 感 以及 线 圈 之 间 有 相 对 位 移 情 况 下 的 互 感 值 的 计 算 方 法 , 同 时 还 得 到 了 在 运 动 设 备 中 , 采 用 矩 形 线 圈 对 系 统 耦 合 性 更 好 的 结 论 。 河 北 工 业 大 学 杨 庆 新 教 授 的 研 究 团 队 从 电 路 互 感 耦 合 模 型 出 发 , 对 电 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 电 能 传 输 系 统 中 的 等 效 阻 抗 以 及 影 响 阻 抗 值 的 因 素 进 行 了 研 究 , [29] [30] 文中 给 出 了 5 种 阻 抗 调 节 的 方 法 , 并 通 过 实 验 验 证 了 其 准 确 性 。 在文献 中 通 过 对 电 路 系 统 频 率 特 性 的 分 析 , 利 用 互 感 耦 合 模 型 得 到 了 接 收 线 圈 归 一 化 [31] 电 压 表 达 式 ,并 提 出 了 有 效 传 输 距 离 的 概 念 , 得 到 了 优 化 线 圈 的 方 法 。文献 中 基 于 耦 合 模 理 论 对 系 统 效 率 、 辐 射 损 耗 等 进 行 了 研 究 , 并 通 过 仿 真 分 析 了 建 立 的 立 方 体 薄 膜 型 谐 振 器 , 最 后 通 过 实 验 进 行 了 对 比 。 东 南 大 学 黄 学 良 教 授 的 课 题 组 ,对串- 串 、 串- 并 、 并- 串 、 并- 并 四 种 基 本 拓 扑 结 构 做 了 详 细 的 研 究 , 建 立 了 高 频 下 的 等 效 电 路 模 型 , 并 推 导 出 了 最 大 能 量 条 件 下 补 偿 电 容 的 表 达 式 , 同时 设 计 了 一 种 能 够 实 时 进行 动 态 调 谐 的 相 控 电 感 [32] [33] 电 路 , 有 效 地 保 证 了 系 统 进行 最大 能 量 的 传 输 。 文献 从 磁 场 的 角 度 出 发 分 析 了 系 统 的 转 化 效 率 , 得 到 了 各 参 数 与 效 率 的 关 系 式 , 并 通 过 与 实 验 结 合 得 出 [34] 了 线 圈 的 匝 数 和 半 径 对 传 输 效 率 有 重 要 影 响 的 结 论 。 文 献 对 串 并 结 构 的 无 线 电 能 传 输 电 路 拓 扑 做 了 详 细 的 分 析 , 得 出 了 传 输 功 率 和 传 输 效 率 与 距 离 、 负 载 、 工 作 频 率 等 因素 的 数 学 关 系 式 , 并 通 过 实 验 验 证 了 分 析 的 正 确 性 。 华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 的 张 波 教 授 课 题 组 , 以 电 路 互 感 耦 合 模 型 为 理 论 依 据 , 对 系 统 最 大 传 输 效 率 与 线 圈 参 数 之 间 的 关 系 做 了 分 析 , 并 以 实 验 对 设 计 出 [35] 的 系 统 做 了 相 应 的 优 化 。另 外 ,他 们 还 对 系 统 失 谐 机 理 做 了 相 关 研 究 ,分 析 了 系 统 的 效 率 与 线 圈 的 固 有 频 率 变 化 的 关 系 , 发现 发 射 线 圈 电 感 变 化 会 对 传 输 效率 影 响 很 大 , 为 避 免 失 谐 情 况 的 发 生 , 设 计 了 一 种 频 率 跟 踪 控 制 方 法 , 有 效 [36] 地 提 高 了 系 统 传 输 效 率 。 重庆大学自动化学院 的孙跃教授课题组对 无线电 能传输技术 各 方 面 做了- 7 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 深 入 的 研 究 , 建 立 了 比 较 完 整 的 理 论 分 析 依 据 , 除 了 对 能 量 传 输 的 特 性 进 行 研 [37] [38] 究 以 外 , 还 对 系 统 其 它 环 节 , 诸 如 逆 变 器 、 功 率 因 数 校 正 等 方 面 都 有 相 关 的 研究 和 分析 , 同 时 也 取 得 了 很 多 的 实 验 成 果 。 图 1-10 为 该 课 题 组 成 功 研 制 出 的 以 无 线 方 式 进 行 供 电 的 小 车 。 图 1-10 无线供电小车 哈 尔 滨 工 业 大 学 的 朱 春 波 教 授 及 其 团 队 从 2008 年 开 始 对 无 线 电 能 传 输 技 [39] [40] [41] [42] 术 进 行 相 关 研 究 , 在 系 统 的 传 输 机 理 、 驱 动 源 、 能 量 与 信 号 同 时 传 递 等 方 面 的研究 取 得 了 丰 硕 的 理 论 成 果 , 同 时 针对 不 同 距 离 、 不 同 频 率 段 、 不 同 功 率 等 级 的 传 输 , 开 展 了 面 向 实 际 应 用 方 向 的 研 究 。 该 团 队 在 电 动 汽 车 、 无线 传 感 器 网 络 应 用 、 手 机 无 线 充 电 等 不 同 的 领 域 都 取 得 了 很 多 的 研 究 成 果 。 图 1-11 为 该 课 题 组 研 制 出 的 在 距 离 为 80cm 时 能 够 对 电脑 显 示 器 进 行 能 量 和 信 息 同 时 传 递 的 装 置 。 图 1-11 无线 电脑 显示器 [43] [44] 除 了 上 述 研 究 机 构 外 , 还 有 清 华 大 学 于 歆 杰 教 授 、 湖 北 工 业 大 学 电 [45] [46] 气 与 电 子 工 程 学 院 邹 玲 教授 、 南 京 航 空 航 天 大 学 陈 仁 文 教授 、 楼 佩 煌 教授 [47] [48] [49] 、上 海 交 通 大 学 严 国 正 教授 等 很多的 相 关 课 题 组 和 研 究 团 队 也对无 线 电 能 传 输 技 术 进 行 了 各 方 面 的 相 关 研 究 , 取 得 了 一 定 的 研 究 成 果 。 - 8 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 1.3 无 线 电 能 传 输 技 术 在 商 业 领 域 的 应 用 随 着 科 技 的 迅 猛 发 展 , 如今 无 线 电 能 传 输 技 术 在 很 多 领 域 , 如 电 动 汽 车 、 小 功 率 电 子 产 品 、 医 疗 设 备 、 传 感 器 网 络 等 很 多 方 面 都 得 到 了 相 关 的 应 用 ,去 掉 插 头 和 导 线 已 经 开始 成 为 了 现 实 。 2009 年 , 戴 尔 推 出 了 一 款 无 线 供 电 的 笔 记 本 电 脑 Latitude Z , 将 无 线 电 能 传 输 技 术 与 笔 记 本 电 脑 供 电 联 系 到 了 一 起 。 戴 尔 公 司 表 示 , 将 笔 记 本 电 脑 放 置 于 下 方 的 充 电 台 上 , 充电 饱和 所 需 时 间 跟 用 一 般 标 准 充 电 器 充 电 “ 差 不 多 ” 。 图 1-12 所 示 为 笔 记 本 放 在 充 电 台 上 能 够 正 常 工 作 , 右 边 为 提 供 电 能 的 充 电 台 。 图 1-12 戴尔 公司 推出的无线供电笔记本 2010 年 在 美 国 拉 斯 维 加 斯 举 办 的 国 际 消 费 电 子 展 会 上 , 海 尔 公 司 展 示 了 一 台 全 新 的 “ 无 尾 电 视 ” ,如图 1-13 所 示 。 其 32 英 寸 的 液 晶 显 示 屏 不 需要 任何导 线的 连 接,仅 通过 一 个 发 射 器 进 行 供 电 和 传 输 信 息 。 该 电 视 由 麻 省 理 工 学 院 与 海 尔 公 司 共 同 开 发 研 制 , 其 利 用 的 是 磁 共 振 式 无 线 电 能 传 输 技 术 ,1 英尺*1 英 尺 的 发 射 器 能 够 对 1 米 外 的 显 示 屏 提 供 100W 的 [50] 电能 , 同 时 还 将 数 据 信 息 传 送 给 显 示 器 。 这 也 是 较 早 将 无 线 电 能 传 输 技 术 成 功 应 用 在 家 用 电 器 上 的 相 关 报 道 。 图 1-13 海尔公司的 “无尾电视”- 9 - 哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文 2012 年 同样 是 在 美 国 的 拉 斯 维 加 斯 国 际 消 费 电 子 展 会 上 , 高 通 公 司 展 出 了 一 种 称 之 为 “Ha Io”的 无 线 充 电 系 统 , 可 以 利 用 其 对 手 机 和 电 动 汽 车 进行 充 电 , 如图 1-14 所 示 。 该 技 术 由 新 西 兰 奥 克 兰 大 学 所 成 立 的 风 险 企 业 HaloIPT 公 司 开 发 , 工作 频率为 20kHz ~140kHz , 输 出 功 率 为 单 相 3kW 、 三 相 7kW , 快 速 充 电 可达 18kW 以上。 图 1-14 高通公司 的电动汽车无线充电系统 2013 年 东 京 有 明