磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究毕业论文 精品.docx
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磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究毕业论文精品
天津工业大学
毕业论文
磁耦合谐振式无线电能传输的
基本特性研究
姓名童芳林
学院电气工程与自动化
专业电气工程及其自动化
指导教师李阳
职称讲师
2013年6月2日
附表1
天津工业大学毕业设计（论文）任务书
论文题目
磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
学生姓名
童芳林
学院名称
电气学院
专业班级
电气094班
课题类型
论文类
课题意义
在无线数据传输技术日益普及之时，无线电能传输也使在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线成为可能，并且它对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义。
无线电能传输主要应用于生物医学、交通运输、机器人的驱动、电池充电等，如果能研发出大功率、远距离的无线能量传输装置，将有可能引起能源领域一场变革。
本课题主要基于磁耦合谐振的最新无线电能传输技术的基本特性研究，包括频率特性、距离特性、方向特性等。
通过对该技术的基本特性分析与研究，掌握其传输的规律，力图使电能具有较大的传输容量和较远的传输距离。
为该技术的产业化提供支撑。
任务与进度要求
1、课题调研，实习，查中、英文资料；（1~3周）
2、学习无线输电技术，电磁耦合等相关知识；（4~6周）
3、频率特性研究；（7~8周）
4、距离特性研究；（9~10周）
5、方向特性研究；（11~12周）
6、撰写毕业设计论文；（13~14周）
7、答辩。
（15周）
主要参考文献
[1]杨庆新，陈海燕，李建贵.基于无接触电能传输系统的可分离变压器传输性研究[J].电工技术学报,2007，22（Sup.1）:
107-110.
起止日期
2013年2月25日至2013年6月7日
备注
院长教研室主任指导教师
附表2
毕业设计（论文）开题报告表
姓名
童芳林
学院
电自学院
专业
电气工程及其自动化
班级
电气094
题目
磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
指导教师
李阳
一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：
有线电能传输由于存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，甚至引起爆炸，造成重大事故等弊端，因此一种安全、方便的无线电能传输技术便成为科学家们最迫切的追求。
无线电能传输技术始于1889年的美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉的研究，并且在无限探求下，2007年MIT的科学家提出了磁耦合谐振式的无线电能传输原理并成功利用该理论在2m范围内点亮一个60W的灯泡。
于是，电磁耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响。
本课题将对磁耦合谐振式无线电能传输的频率、距离和方向这三个基本特性对电能传输的功率和效率的影响进行研究，此研究将对该技术今后在电动汽车、航空航天、油田矿井、水下作业、电器、医疗器械等领域打下坚实基础，具有重要的科学意义。
二、进度及预期结果：
起止日期
主要内容
预期结果
2013.3.11-2013.3.24
2013.3.25-2013.3.31
2013.4.1-2013.4.14
2013.4.15-2013.4.28
2013.4.29-2013.5.12
2013.5.13-2013.6.7
2013.6.8
查阅期刊文献，收集资料。
学习频率特性。
学习距离特性。
学习方向特性。
实验测试与证明，并获取数据。
撰写论文、修改论文。
答辩。
了解课题；
掌握频率特性；
掌握距离特性；
掌握方向特性；
结果与理论一致
完成论文。
完成答辩。
完成课题的现有条件
磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验装备。
审查意见
指导教师：
年月日
学院意见
主管领导：
年月日
附表3
天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表
（论文类）
题目
磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
学生姓名
童芳林
学生班级
电气094班
指导教师姓名
李阳
评审项目
指标
满分
评分
选题
能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。
题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。
10
题目与生产、科研等实际问题结合紧密。
10
课题调研、
文献检索
能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。
15
论文撰写
结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。
10
文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。
10
外文应用
能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。
5
论文水平
论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。
15
有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。
15
论文有独到见解或有一定实用价值。
10
合计
100
意见及建议：
评阅人签名：
年月日
附表4：
天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表
学生姓名
童芳林
学院名称
电气工程与自动化
专业班级
电气094班
题目
磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究
1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：
成绩：
指导教师签字：
年月日
2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：
成绩：
答辩主席（或组长）签字：
年月日
3．毕业设计（论文）总成绩：
a.指导教师
给定成绩
b.评阅教师
给定成绩
c.毕业答辩成绩
总成绩
（a×0.5+b×0.2+c×0.3）
摘要
近些年，无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。
作为一种新型的无线电能传输方式，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输功率大、传输距离远、能量传输效率高、穿透性强，以及无方向性等特点。
目前，磁耦合谐振式无线电能传输距离为几十厘米，传输效率可以达到90%，传输功率可以达到瓦级。
通过对磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性的深入研究，可扩大传输范围、增强传输效率，具有重要的研究价值和实用价值。
本文首先利用耦合模理论分析了磁耦合谐振式无线传能的机理，然后建立等效模型，在理论上研究了系统的频率特性并得到了频率分裂现象的规律，接着由频率特性进一步推导得到了系统的距离（包括轴向和径向距离）特性和方向特性。
为了进一步验证理论分析的正确性，本文设计了磁耦合谐振式无线传能的实验系统，具体包括：
信号源、功率放大器、发射与接收系统以及整流调压电路等。
利用实验电路对本文所提理论进行实验验证，包括频率、距离、方向等特性实验，实验结果与理论分析具有较好的一致性，证明了设计方案的有效性。
关键词：
无线电能传输；磁耦合谐振；频率特性；距离特性；方向特性
ABSTRACT
Inrecentyears,moreandmorewidelyattentionhasbeenpaidtowirelesspowertransmissiontechnology.Asanewtypeofwirelesspowertransmissiontechnology,wirelesspowertransfertechnologyviamagneticresonancecouplinghasthecharacteristicsofahighertransferpower,alongertransferdistanceandaveryhigherefficiency,andwhichcanbenearlynon-directionalandbeabletogothroughvariousnon-metallicobjects.
Atpresent,magneticcouplingresonantwirelesspowertransmissiondistancecanbefromscoresofcentimeterstoseveralmeters,transmissionefficiencycanreach90%,andtransmissionpowercanreachwattgrade.Viathein-depthstudyonthebasiccharacteristicofthemagneticcoupledresonantwirelesspowertransfer,wecanexpandthescopeoftransport,andenhancethetransportefficiency,whichhasimportantresearchvalueandpracticalvalue.
Firstlythispaperhadbeenstudiedthemechanismofwirelesspowertransferviamagneticresonancecouplingbyusingthecoupledmodetheory,thenitwastheoreticalstudiedthefrequencycharacteristicsofthesystemandthefrequencysplittingphenomenaviaestablishingtheequivalentmodel.Followedbythefrequencycharacteristicswerethesystem'sdistance（includingtheaxialandradialdistance）characteristicsanddirectioncharacteristics.Inordertoverifythecorrectnessoftheoreticalanalysis,thispaperhadalsobeendesignedtheexperimentsystemofmagneticcouplingresonantwirelessenergytransfer,itspecificallyincluded:
signalsource,poweramplifier,transmittingandreceivingsystem,andarectifyingvoltageregulatingcircuit.Thetheoryproposedonthispaperwasverifiedbyexperimentsonthecircuitsoftheabovedesign,whichincludingfrequency,distance,directionandothercharacteristicexperiments.Theexperimentalresultswereingoodagreementwiththetheoreticalanalysis,whichprovedthevalidityofthedesign.
Keywords:
wirelesspowertransfer；magneticresonancecoupling;characteristicoffrequency;characteristicofdistance;characteristicofdirection
目录
前言
第1章绪论....................................................................................1
1.1无线电能传输方式分类..............................................................................1
1.1.1电磁波辐射式无线电能传输.............................................................1
1.1.2感应耦合式无线电能传输.................................................................2
1.1.3磁耦合谐振式无线电能传输.............................................................3
1.2磁耦合谐振式无线传能的国内外现状......................................................4
1.3课题背景以及研究的目的和意义..............................................................7
1.4本文主要研究内容......................................................................................7
第二章磁耦合谐振式无线电能传输的原理..................................8
2.1磁耦合谐振..................................................................................................8
2.2耦合模原理..................................................................................................9
2.3磁耦合谐振式无线电能传输模型............................................................11
2.4本章小结....................................................................................................12
第三章磁耦合谐振式无线电能传输的基本特性研究................13
3.1频率特性的研究........................................................................................13
3.2距离特性的研究........................................................................................16
3.2.1轴向距离的研究...............................................................................16
3.2.2径向距离的研究...............................................................................18
3.3方向特性的研究........................................................................................19
3.4本章小结....................................................................................................20
第四章磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计........................21
4.1系统总体框架设计....................................................................................21
4.2信号源的设计............................................................................................21
4.3功率放大器的设计....................................................................................23
4.4发射与接收系统的设计............................................................................25
4.5高频整流调压系统的设计........................................................................27
4.6本章小结....................................................................................................29
第五章磁耦合谐振式无线电能传输的实验研究.......................30
5.1频率特性的实验研究.................................................................................30
5.2距离特性的实验研究.................................................................................32
5.3方向特性的实验研究.................................................................................34
5.4本章小结......................................................................................................37
第六章结论与展望.........................................................................38
参考文献.............................................................................................39
附录.....................................................................................................42
谢辞.....................................................................................................51
前言
无线电能传输是指利用一种特殊设备将电源的电能转变为可无线传播的能量，在接受端又将此能量转变回电能，从而到达对用电器的无线供电。
这种传输方式可以解决有线传能方式带来的许多不便甚至弊端，例如：
美化城市环境、扩大室内可利用空间、减小摩擦起火甚至爆炸的潜在危险等。
因此作为一种更为灵活方便的能量传输方式——无线传能技术便成为人类一个追求，多年来国内外的科学家们执着的对此开展了很多探索研究工作。
最初在1831年，迈克尔·法拉第发现了周围磁场的变化将在电线中产生电流，这奠定了无线传能的基础理论。
接着在1890年，尼古拉·特斯拉提出了把地球作为内导体、距离地面约60km的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球表面的电磁波来远距离传输电力，他想象电能像广播一样传遍全球，并在1899年,NikolaTesla在Wardenclyffe进行的无线功率传输实验就证明了,可以在没有导线的情况下点亮25英里以外的氖气照明灯。
至此正式拉开了无线传能技术的大门。
磁耦合谐振式无线电能传输技术于2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上首次被提出，研究人员理论性的分析了在非辐射场通过谐振耦合的方式实现中距离能量传输的可能性。
2007年，MIT的研究人员取得重大进展，他们采用高频电磁谐振耦合方式实现了电能的中距离无线传输。
2008年8月，Intel西雅图实验室的JoshuaR.Smith研究小组基于MIT磁谐振技术开发出可为笔记本或PDA等电器充电的传能装置，能够在1m距离内无线传输60W的电力，效率可达75%。
对传输距离、功率以及效率增加等方面的研究仍在不断深入。
本文将建立磁耦合谐振式无线电能传输系统的模型，并设计具体实验电路，该实验装置包括信号发生源、功率放大器、谐振发射电路、谐振接收电路和负载部分，将对磁耦合谐振式无线传能方式的基本特性进行研究分析。
本文将采取理论与实验相结合的方法，通过对比实验验证理论分析，最终得到系统基本特性对传输效率的影响。
第一章绪论
1.1无线电能传输方式分类
无线传能技术是一种利用特殊设备将电能以无线形式进行传输，从而在无需电线连接的情况下直接传输能量的技术。
自1840年电磁感应定律被发现以来,人们便开始了对无线技术的研究，随着能源问题的突出、小型无线设备的大量出现以及电力电子技术的发展，无线传能技术逐渐成为能量研究领域的一大热点。
根据无线能量传输原理的不同，可将目前为止已面世的无线能量传输方式分为三类：
电磁波辐射式无线电能传输技术、感应式无线电能传输技术、磁耦合谐振式无线电能传输技术。
下文将详细介绍这几种无线电能传输方式的原理、特点、优势、难点及当前国内外发展研究的情况。
1.1.1电磁波辐射式无线电能传输
电磁波辐射式无线电能传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理,例如微波无线能量传输技术[1,2]，就是利用微波转换装置把直流电转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经过微波整流器后重新转变为直流电。
它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。
作为一种点对点的能量传输方式，采用微波技术传输电能具有以下特点：
（1）能量以光速进行传送，可迅速变换传输方向。
（2）在真空中传递能量无损耗，波长较长时在大气中能量传递损耗很小，能景传输不受地球引力差的影响。
（3）微波电能传输的距离远．频率越高传播的能量越大。
故而微波技术被普遍应用于远距离大功率无线输电上。
1964年美国WCBrown成功演示了工作在245GHz频率上的直升
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