黑龙江省电子设计大赛----无线电能传输装置

Heilongjiang电子设计竞赛Ti Cup F问题（无线电传输设备）

摘要：无线电源技术是近年来开发的技术。该电源技术可以通过所有

非金属物质发射电力，磁耦合的无线电源技术可以将电源距离提高到米。

在本文中，本文设计了满足要求的无线电传输设备的传输电路和接收电路，并且

引入了电路中设计模块的工作原理和功能，并根据设计产生无线电传输。

设备。通过更改谐振线圈的电容，电感，线宽度和其他参数以及驱动信号源的信号频率

速率和驱动电压等外部参数可以调整接收端的输出特性。

关键字：磁耦合谐振类型，无线电传输，距离传输特性

介绍：

目前，经过数百年的无线充电技术开发，它已从理论研究转变为实际应用。

在舞台上，自从美国马萨诸塞州技术学院以来，市场上现有的产品分布在生活和行业的各个领域

在2007年发布研究结果后，磁性共振无线电能源传输技术已成为研究热点

问题。

磁耦合谐振无线电能传输技术继承了电磁波类型和近距离的近距离

通过克服缺点来克服传输技术的优势。

在传输距离方面：电磁波传输距离最远，电磁感应传输距离最短。磁耦合共振

类型的传输距离是中等的，在两者之间，在确保高效率的同时，它突破了电磁感应厘米，

MM等级限制；

传输效率和功率：由于长距离传播，由于空气中的严重损失，电磁波类型的效率较低。

传输功率也相对较低。电磁感应在毫米和厘米的距离内，并且传输效率很高。

传输效率可以达到千瓦水平；磁耦合谐振类型的传输效率略低于电磁感应类型的传输效率，并且功率在瓦特和100％之间

瓦特级，甚至更高；

对周围环境的影响：高功率电磁波无线电传输将导致空间中的电磁波辐射

它的周围环境产生了很大的影响。电磁感应类型近似变压器的松散耦合，这将导致周围环境

磁耦合共振类型是一种非辐射耦合，仅在近场区域与其共振频率产生共鸣。

匹配的对象会产生强耦合，而偏离共振的对象则具有较弱的效果。

1。计划演示和设计

1.1设计任务和要求

1.1.1基本任务

制造了磁耦合的谐振无线电传输设备，其结构框图如图1所示。

图1电能无线传输设备的结构框图

1.1.2基本要求

（1）当传输线圈和接收线圈之间的距离为x = 10cm，输入DC电压U1 = 15V连接

直流电流i2 = 0.5a在接收端输出，直流电压U2≥8V的输出，以便尽可能提高无线电能量的传输。

传输设备的效率为η。 （45分）

（2）输入DC电压U1 = 15V，输入DC电流不大于1a，并且接收端的负载为2个字符串

连接LED灯（白色，1W）。尽可能多地扩展发射线，同时保持LED灯不可取之证

环和接收线圈之间的距离为x。 （45分）

1.2基本系统解决方案的选择和演示

系统基础

通过磁场互连电流线圈的物理现象称为磁耦合。

耦合电感器组件是多末端组件，例如收音机，电视和

振荡的线圈，用于整流器电源的变压器等都是耦合的电感组件，并且熟悉这些多末端组件。

特征，非常有必要掌握包含此类多末端组件的电路问题的分析方法。

1。相互感觉

图3

两个电感线圈之间存在磁耦合，它们彼此接近。如图3所示，当电流I1通过线圈1时。

同时，不仅在线圈1中产生磁通φ11，而且还可以通过相邻的线圈2。

如果电流i2在线圈2中传递，则不仅会在线圈2中产生磁通量φ22，而且还会产生一些磁通量φ

12通过线圈1，φ12和φ21称为互感通量。定义相互磁连锁：

ψ12=N1φ12ψ21=N2φ21

当周围空间是各向同性线性磁介质时，通量链路与产生它的电感电流成正比。

也就是说，有一个自诱导的助理链接：

相互感应通量链接：

在上面的公式中，M12和M21称为相互电感系数，单位为（H）。当两个线圈都有电流时，

每个线圈的磁通量是自链接和相互磁通量的代数总和：

应该指出：

1）M值与线圈的形状，几何位置和空间介质有关，并且与线圈中的电流无关，因为

这满足M12 = M21 = m

2）自感系数L始终为正，并且相互电感系数m为正且负面。正值表明自感磁连锁和相互

电感磁通量的方向是一致的，并且相互诱导在增加效果中起作用。负值表明自感磁通量和相互感应磁通量相反。

感到效果弱。

耦合因子K与线圈的结构，其相互的几何位置和空间磁介质有关。

2。耦合电感器上的电压和当前关系

当电流是随时间变化的电流时，磁通量也会随时间变化，从而在整个线圈上产生诱导的电压。

根据电磁诱导定律和Lenz定律，每个线圈的电压是：

也就是说，线圈两端的电压包括自诱导的电压和相互电感电压。

在正弦交流电路中，其相形的方程为

注意：当两个线圈的自感磁通磁通和相互感应磁通的方向是一致的时，它称为相互电感的“增强”。

使用，以相互感应电压为正；否则，以否定为单位。以上描述了相互电感电压的正和负面：

（1）与电流的参考方向有关。

（2）与线圈的相对位置和绕组方向有关。

3。相互电感线圈的同名末端

由于产生相互电感电压电压的电流位于另一个线圈上，因此有必要确定相互电感电压的符号。

有必要知道两个线圈的绕组方向，这在电路分析中非常不便。为了解决这个问题，引入了同一名称

结束的概念。

同名结束：当两电流同时从两个线圈的相应端子流入或流出时，如果生成

磁通量相互增强，因此这两个相应的端子称为两个相互电感线圈的相同名称的末端，并使用小点或星号。

符号标记。

例如，在图4中，带有线圈1和线圈2的小点标记的端子是相同的名称端子，而电流来自这两个的流动

当终端同时流入或流出时开yun体育app官网网页登录入口，相互诱导在互相帮助中发挥了作用。同样，线圈1和线圈3用星号标记。

显示的终端是具有相同名称的终端。标记为三角形线圈2和3的端子是同名末端。

图4

注意：上图显示，当多个线圈之间存在相互电感时，同名的末端必须以两行连接。

分别分别。

根据同名结尾的定义，可以得出结论，确定同名结束的方法是：

（1）当两个线圈中的电流同时流入或从同一名称流出时，两种电流产生的磁场将被分阶

相互增强。

（2）当时间变化的电流从一个线圈的一端流入时，它将导致另一个线圈相位

同名结尾的潜力应增加。

4。具有相同名称的两个线圈的实验确定：

实验电路如图5所示。当开关S关闭时，电流i在星号的一端流入线圈1。

如果在线圈2的星号的一端产生相互电感电压的正电极，则电压表将偏向前向。

图5

随着同名末端，两个线圈将来相互作用，而实际的绕组不再考虑，而是相同

当前和电压的名称端和参考方向如图6所示。

可以看到电压参考方向：

图6（a）图6（b）

（a）图片（b）

共振是正弦电路在特定条件下产生的一种特殊的物理现象。共振现象发生在无线电和

它已被广泛用于电气技术，对于在电路中的共振现象的研究中具有重要的实际意义。

5。共鸣的定义

一个包含R，L，C的端口电路在外部使用正弦激发，并且端口电压出现在特定条件下。

当电流处于相位时，据说电路会产生共鸣。因此，谐振电路的端口电压和电流满足：

串联共振条件

图7

图7中所示的R，L和C系列电路被称为串联共鸣。电路的输入阻抗是：

根据共鸣的定义，当时电路引起共鸣，因此r，l和c串联连接

电路的共振条件是

共振的角频率为：，共振频率为：

上述公式解释说，系列电路R，L，C的共振频率仅由电路的参数确定，因此共振频率为

也称为固有频率。

从共振条件下实现共振或避免共鸣的方法是：

（1）L和C保持不变，更改ω以实现共振。

（2）电源频率保持不变，并更改L或C（通常更改C）以实现共振。

6。r，l，c系列电路共振的特征

（1）电路端口电压和端口电流在共振期间处于同一阶段；

（2）在共振期间，入口阻抗z = r是纯电阻器。图8是| z |的更改。在复杂平面上表示ω。

该图显示了电阻值| z |在共振期间是最小的，因此电路中的电流达到最大值。

图8

（3）共振期间的电感电压和电容电压为：

上面的公式表明，L和C上的电压相等，相反。如图9所示，连接了串联的总电压。

，LC等同于短路，因此串联共振也称为电压共振。目前，电源电压完全

该零件应用于电阻器。

图9

（4）在共振期间发生过电压

Q在电感器电压和电容电压表示中称为质量因子，

如果q> 1，当q >> 1时，电感器和电容器的表现远高于

电源电压U的高电压称为过电压现象。

（5）共鸣的力量

主动能力是：p =uicosφ= ui

也就是说，电源向电路所消耗的功率，电阻电源达到了最大值。

反应力是：

在

也就是说，电源不会向电路传输反应能力，电感器中的反应能力等于电容器中的反应能力，并且相互补偿。

互相努力。如图10所示。

图10

（6）共鸣期间的能量关系

设置电源电压

然后是电流

电容器电压

电容器能量存储

电感器能量存储

以上表明：

1）根据正弦定律的电感器和电容能的变化，最大值是相等的，即WLM = WCM。 l，c

电场能量和磁场能量交换定期交换，而无需与电源交换。

2）总能量是一个常数，不会随时间变化，只等于最大值，即

电感器和电容器能量存储的总价值与质量因素之间的关系是：

也就是说，质量因子Q是反映共振电路中电磁振荡程度的量。质量因子越大，总能量

量越大，维持一定量的振荡所消耗的能量就越小，振荡就越强烈。然后振荡电力

道路的“质量”越好。通常应用于共振状态的电路希望尽可能增加Q值。

7。RLC系列共振电路的共振曲线和选择性

物理量和频率之间关系的图称为共振曲线。研究共振曲线可以加深共振现象。

知道。

（1）阻抗的频率特征

系列阻抗

其中（阻抗幅度频率特征）

（阻抗相频率特征）

图11（a）显示了阻抗幅度频率特征曲线开元棋官方正版下载，（b）显示了阻抗相频率特征曲线。

图11（a）（b）

（2）当前共振曲线

当前幅度和频率之间的关系是：

当前的共振曲线如图12所示。

从当前的共振曲线，电流在共振期间达到最大值。当ω偏离ω0时，电流从最大值偏离。

u/r下降，即，串联谐振电路对不同频率的信号有不同的响应，最明显的谐振信号

（表示为最大的电流），并且信号远离共振频率被抑制（小电流）。这是不同的

选择输入信号的能力称为“选择性”。

如图12所示

为了比较不同的谐振电路，分别将当前谐振曲线的水平和垂直坐标除以ω0

和我（ω0），即

必须

所以

从上述公式获得的一般共振曲线如图13所示。显然，Q越大，谐振曲线更加明显。当略微关闭时

离开谐振点时，曲线会急剧下降，并且电路具有很强的抑制电流以非谐振频率的能力。

因此选择性。因此，Q是反映共振电路特性的重要指标。

根据声学研究，如果信号功率不少于原始最大值的一半，则无法区分人类听力。

图13

在一般共振曲线上保持一条水平线，将每个共振曲线相交两个

相应的水平坐标分别称为半功率点。

通带称为PassBand，指定谐振电路允许通过信号的频率范围。是的

共振电路的比较和设计指标。可以证明Q和PassBand之间的关系是：

（3）UL（ω）和UC（ω）的频率特征

因为

它们的曲线如图14所示。

可以证明，当时，UL（ω）和UC（ω）获得最大值，峰值频率为：

峰值是

Q越高，峰值频率越接近谐振频率。

图14

电路的共振

8。G，C，L平行电路

图15

当图15中所示的平行电路G，C和L时，它称为平行共振，并平行电路的进入端

入学是：

共振频率应在共振期间满足

使用与串联共振电路相同的分析方法的平行谐振电路的特征是：

（1）电路端口电压和端口电流在共振期间处于同一阶段；

（2）在共振时，入院y = g是纯电导，入院| y |如图16所示，是最小的，因为

该电路中的电压达到最大值。如图17所示。

图16图17图18

（3）共鸣期间电感电流和电容电流为：

公式表明，L和C上的电流相等，相反。如图18所示，总电流并联连接。

LC等于开路，因此并行共振也称为电流共振。目前，电源电流完全

该零件通过电导，即。

（4）在共振期间发生过电流

Q在电感器电流和电容电流表示中称为平行电路的质量因子，并且有

如果q> 1，当q >> 1时，电感器和电容器中会出现大量

高于电源电流的大电流称为过电流现象。

（5）共鸣的力量

主动能力是：

也就是说，电源向电路所消耗的功率，电阻电源达到了最大值。

反应力是：

也就是说，电源不会向电路传输反应能力，电感器中的反应能力等于电容器中的反应能力，并且相互补偿。

互相努力。两个能量的总和是一个常数：

9。电感线圈和电容器之间的平行共振

实际电感器线圈始终具有电阻，因此当电感器线圈与电容器并联时，电路如图19所示

显示。

图19图20

（1）共振条件

该电路入口的入口是：

当共振b = 0时，那就是

谐振角频率

图21

上面的公式表明，电路具有有条件的共振，并且在电路参数恒定时必须满足。

考虑到一般线圈电阻r <＜ΩL，等效的接收近似为：

谐振角频率大约

电路的等效电阻为：

等效电路如图20所示。电路的质量因子为：

（2）共振特性

1）当电路引起共鸣时，输入阻抗很大

2）当电流恒定时，总电压更高

3）分支电流是Q乘以总电流的Q，并且相图图如图21所示。令r ＜＜Ωl

2。系统硬件设计和实施

2.2计划设计和演示

2.2.1传输模块

解决方案1：使用自激发振荡，在放大器的输入端未添加输入信号，并且输出端仍然具有一定的振幅。

价值和频率的输出信号。优点：简单的电路，很少的组件，良好的稳定性和低成本；缺点：

低效率

解决方案2：使用其激发振荡，这完全取决于外部维护振荡。优点：高集成将恢复

多个组件集成到一个芯片中；缺点：由于电路相对复杂，因此使用分离。

实现组件很难，有很多组件，成本更高

总结：启动模块采用解决方案1，请参阅附录以获取实际图片。

2.2.2传输和接收的原理和设备

解决方案1：使用通用变压器耦合，优点：由于它是完全耦合的，因此变压器效率相对较高

高的;缺点：许多生产组件，较长的生产时间，中等为空气

解决方案2：使用磁性耦合无线传输的优点：简单便捷的组件，较少的设备和高成本性能。

容易使缺点：部分耦合，残留磁性，高效率高于变压器耦合

总而言之，传输和接收设备选择的第一个选项是，请参见实际对象的附录。

为了选择发射线圈，

解决方案1：使用铜管（空心）包裹

解决方案2：使用这条搪瓷电线

测试解决方案1可以更好

2.2.3接收模块

解决方案1：使用由辅助管组成的半波矫正，优点是：易于制作且易于操作。

要点：低矫正效果

解决方案2：一个由四个二级管组成的整流器电路，并提供了电压。

一组交流电源将输出作为全波脉动直流电源。优点：只需要四个二极管，成本很低，并且

方便良好的整流效果

总而言之，选择了第二个接收模块的选项。有关实际项目，请参见附录。

3。硬件理论分析和计算

磁耦合的谐振无线电传输设备包括两个部分，即传输电路和接收电路。

3.1传输电路的理论分析

图1：发射机电路图

发射电路图显示在图1中。RL1是一个主要由两个苔藓驱动的继电器。

电容器C3-C7用作五个谐振电容器，并用传输线圈形成共振电路。在这种情况下，

无线传输效率值是最大的。

R2和R3被认为在转移和散热中发挥作用。因此，它与电压抗压和耐热电阻器相连。

打开15V直流电压，关闭开关，磁环线圈L1和L2通过设备产生自激的冲击kaiyun全站登录网页入口，直接

电流信号转换为AC信号，然后通过由电容器C3-C7和发送线圈组成的谐振电路制成信号。

传输效率值是最大的。

3.2接收整流器逆变器电路示意图

图2：接收电路图

接收电路的电路图如图2所示：

L1和L2是接收线圈，C1，C3，C4和C5是电容器，4个高速二极管形成一个整流器桥。

当打开传输电路开关时，通过磁耦合谐振接收线圈产生诱导的电流和诱导的电动力。

接收线圈形成带有C1，C3，C4和C5电容器的谐振电路，使传输效率成为最高，并通过整流器桥。

纠正后，获得最终的正交流信号，并点亮小LED灯。

4。测试结果和错误分析

4。测试结果和错误分析

磁环电感（NF）

电容

（PF）

耦合电压值（V）

330 50000 1.49

330 33000 1.43

330 25000 0.047

330 45000 2.24

500 50000 6.57

500 33000 2

500 80000 0.7

500 47000 3.3

磁环电感器和电容器对电压的影响

磁环电感器（H）发射器线圈谐振电容（NF）

正弦波频率是在发射器处产生的

费率（KHz）

电压（V）波形质量

300 50 912.4 13.4一般质量

30 50 909 13.9一般

10 - - 没有

300 100 677 11.2非常平均

30 100 675 8非常平均

10 100 800 2.5好

300 33 1000 14一般

30 33 1080 14.2非常平均

10 33 1080 12.8一般

300 2.5 1300 6.3非常平均

30 25 1300 6.8非常平均

磁环电感和调谐电容器对波形（正弦波）的影响

发射器端的波形的传输线圈谐振电容（NF）峰值峰值值（V）

50 6

33 9.2

100 15-9.2热量产生太大，电压变化太大

150 9.9

高于150的电压是稳定的，频率降低，电流降低，并且变化很明显

传输线圈的谐振电容对传输端波形的峰值峰值值的影响

5。结论，经验

5.1结论

由于系统体系结构的合理设计，实现了功能电路，系统性能非常出色，稳定，成本性能相对较高

它符合该问题所需的各种指标。

5.2经验

在生产过程中，必须考虑测试需求，应合理设置测试点，以促进相关电压和电流的测量。这次

电子设计竞赛使我们受益匪浅，并获得了很多收益。在设计和生产过程中，我们遇到了很多

问题和困难。但是，通过团队的合作，我们终于逐个地克服了它并取得了成功。

总而言之，理论知识很重要，还必须关注动手能力。在这么短的时间内

一个人无法完成这种相对较高的磁耦合无线变速器设计的主要设计和生产。

团队需要高度的合作，这也反映了团队合作在当今业务组中的重要性。

但是，基本知识和坚实的基础不得忽略。通过这种电子设计和生产，我们找到了我们学到的东西

知识是如此之小，还有很多知识在等待我们学习。所以我们必须继续努力，

增加电子知识的储备。

6。参考：

[1] Luo Xianjue。电路（第5版）。北京：高等教育出版社，2006年。

[2] Xie Zimei。电子电路设计，实验和测试（第二版）。武汉：惠宗科学技术出版社，

2000。

附录：

组件列表

1。继电器

2。电容器

3。电线电阻

4。高速二极管

5.N通道Mos Tube

6。磁环电感

7。铜环

8。LED灯

仪器清单

1。数字示波器

2。多功能电压表

3。数字万用表

4.15V电源

图1：仿真波形图