无线充电器的收发线圈研究

电路与系统教员的完成日期2016.3.15万方数据杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权声明原创性声明我郑重声明: 所提交的学位论文在我老师的指导下，独立研究的结果. 除了本文引用的内容外，本文不包含任何其他个人或团体发表或撰写的作品或成就. 对本文的研究做出了重要贡献的个人和集体已在文本中清楚标出. 如果论文和信息的申请中有任何错误，我将承担所有相关责任. 论文作者的签名: 日期: 学位论文的使用授权完全理解杭州电子科技大学关于学位论文保留和使用的规定. 我保证毕业后离开学校时，发表论文或使用论文工作成果时，签字单位仍为杭州电子科技大学. 学校保留保留所提交论文副本的权利，并允许对论文进行审查和借阅；学校可能会发布全部或部分论文，并可能允许影印，缩小或其他复制方式来保存论文. （解密后机密文件符合此规则）论文作者签名: 日期: 指导老师签名: 日期: 杭州电子科技大学硕士论文摘要近年来，随着电子技术的迅猛发展技术，各种电子设备进入人们的生活，传统的有线充电方式携带不便，影响了外观和安全性.

无线充电方法受到越来越多的关注和研究. 尽管电磁感应无线能量传输松散耦合且耦合系数低，但是当使用高值传输线圈并圈背面安装磁屏蔽罩时，它可以在近距离实现约80％的传输效率，加上其原理简单易实现，该技术也是现有无线充电器采用的主流技术. 本文首先讨论最大化磁感应力传输效率，通过电容补偿提高传输效率，耦合系数和频率对传输效率的影响以及频率分割等问题. 传统的接收线圈通常通过缠绕电线来制造，而印刷线圈更便于标准化制造和与电路集成. 在本文中，对印刷螺旋线圈进行了建模. 该模型的计算结果与20MHz以下的实验和仿真结果吻合良好. 与文献[16] [18] [19]相比，其对电阻的预测更接近于测量. 值. 根据线圈模型，提出了一种优化线圈Q值的设计方法. 对于支持自由放置的无线充电器，线圈表面上的磁场强度基本相同. 为此，本文提出了三种绕制大线圈，平行多匝和小线圈阵列的均匀磁场传输线圈的设计方法. 与大线圈相比，该结构可以实现更均匀的表面磁场. 小线圈阵列的结构更加复杂，并且适合多种负载. 最后讨论了无线充电系统的电路模块组成，主要包括逆变器电路，信号调制电路和整流电路.

分析了电感耦合无线能量传输应用中E类放大器的参数设计，等效输入电阻和峰值整流器电路的效率. 关键字: 无线能量传输，电磁感应，印刷螺旋线圈，均匀磁场建模，发送线圈设计，万方数据，杭州电子科技大学硕论文II，近年来的摘要，快速发展的电子技术，电子设备成为人们的生活. 仅传统的有线电源适配器. 此外，可能还会引起安全性其他问题. 在这种情况下，WPT（无线输电）引起了越来越多的研究关注. 一种最常用的无线输电感应耦合WPT方法，即两个线圈松散耦合. 低耦合系数，近距离使用安装了高Q值发射线圈的磁屏蔽线圈仍然可以使传输效率达到80％左右. 因此，当前在许多无线充电器中采用的电磁感应方法首先讨论了使用电容补偿方法的电感耦合WPT. 还耦合系数工作频率传输效率. 还讨论了影响最大功率接收的分频. 比较传统线圈PCB螺旋线圈的标准化制造方法PCB螺旋线圈的文章提出了PCB螺旋线圈包括更精确的新电阻计算方法. 无线充电器支持无定位，整个表面线圈的磁强度必须提出不同的设计方法来传输线圈，以达到均匀的表面磁强度. 最后，研究了电路模块无线充电系统，包括逆变器电路，信号调制电路，整流电路. 我们重点研究参数设计类-放大器电感耦合WPT的应用. 关键词: 电感耦合力传输；印刷螺旋线圈建模；均匀磁场传输线圈设计................................................................. ................................................................. III. 1.1无线充电技术的发展和研究现状1.2无线能量传输方法的原理1.3无线充电器和无线充电标准的发展1.4主要研究内容本文的内容2.1电磁感应无线能量传输模型2.2改善无线能量传输效率的补偿方法102.3 SS和SP补偿传输效率随负载的变化152.4 SS补偿频率特性162.5优化负载阻抗的实际部分182.6无线能量传输过程中的能量损耗203.1 Pri线圈模型203.1.1线圈电感的计算223.1.2线圈电容的计算233.1.3线圈电阻的计算243.2线圈模型的验证273.3印刷线圈的设计步骤344.1大型线圈结构均匀的磁场传输线圈344.1.1导线的理论计算分布344.1.2大线圈结构的磁场分布364.1.3大线圈结构和小线圈的耦合特性374.1.4多个负载对系统的影响384.2并联多个单匝以实现均匀的磁场390,000立方数据杭州大学电子科学与技术四，4.3小型线圈阵列统一实现磁场充电平台495.1逆变器电路495.2实现逆变器的速率放大器525.3反向散射调制电路575.4整流和线性稳压电路63参考文献64致谢68硕士期间发表论文690,000三次数据杭州电子科技大学硕士论文发表随着电子技术的飞速发展，电子产品的性能不断提高，价格逐渐流行，再加上人们生活水平的总体提高，智能手机，计算机，多媒体播放器，电子阅读器和其他各种电子设备开始在人们的生活中传播.

随后的问题是人们经常需要为这些设备充电. 由于每个设备都有其自己的独立电源适配器，因此太多的导线看起来很杂乱. 短时间内实现低辐射. 要退后一步，设计一个无线充电平台，可以轻松地将其安装在公共场所，将电子设备放置在其表面上，并可以使用不同类型的设备进行充电. 尽管无线充电的实现在理论上并不复杂，但仍然有许多问题需要解决，主要是如何提高充电距离，充电效率和功率，以及如何在无线充电平台的应用中更好地支持多种设备. 在此阶段，无线充电尚未得到广泛使用，因为有线充电仍然有其原因: 例如，不需要DC-AC转换和AC-DC转换的中间过程，并且功率损耗小且传输效率高；没有外部电磁辐射；技术成熟，经济投资少，市场广阔，维修方便，替代品很多. 有线充电的缺点是，当有多个设备时，导线过多，会影响外观. 频繁的插入和拔出很容易引起设备磨损和安全性等问题. 与有线方法相比，无线充电具有明显的优势. 首先，它可以使人们摆脱连接的束缚. 无线充电还可以使设备不可见，设备的磨损率低，可以同时支持多个设备，而不会影响外观和清洁度，并且更安全，因为它避免了物理上的电气连接.

随着无线充电技术的发展变得越来越成熟，未来的无线充电技术有望在我们的生活中得到普及，并取代各种有线电子设备充电器. 力传输技术还可以在不方便安装电力传输线的地方提供另一种有效的电力传输方法. 1.1无线充电技术的发展和研究状况可以追溯到20世纪初，当时那时还没有电网，物理学家特斯拉（Tesla）设想建造一个大线圈，利用地球和电离层作为内外导体. 通过共振电磁波在地球表面传输. 尽管从理论上讲是可行的，但当时如何发送如此大量的能量本身就是一个问题. 即使到了今天，考虑到巨大电磁场对人的伤害，这个想法仍然很难实现. 自1820年代以来电网出现和日用电气设备的增加以来，人们的生活已被各种电源电缆淹没. 电线杆和纵横交错的传输数据在城市中随处可见. 杭州电子科技大学的硕论文线路，以及一些偏远的地方，如山区，岛屿等，都受到环境的限制，传输电缆的安装难度也更高. 受特斯拉源概念的启发，清洁能源太阳能日益受到关注. 最早的现代源概念来自美国工程师彼得·格拉瑟（Peter Glaser），他于1968年提出了空间太阳能发电的概念（空间太阳能（SSP）的概念是在太空中建立一个空间站以收集太阳能，并且然后将其转换为微波到地面无线充电器线圈，地面站的接收设备接收微波能量并将其转换为电能以供用户使用.

他的想法很快得到了认真的对待，然后在1979年，NASA和美国能源部联合提出了建立“ SPS太阳卫星参考系统”的计划. 然后，2003年，欧盟建立了一个实验设备，通过微波能传输为非洲一个小岛的居民供电. 日本还制定了在2020年建造太空太阳能发电站的计划. 小规模的短程无线充电在2000年之后开始出属或其他电器，也不会影响灯泡的发光.

麻省理工学院的科学家对磁耦合力传输进行的理论研究表明，当接收线圈的固有频率与发射线圈的固有频率和工作频率一致时，两个线圈之间的耦合将大大增强，并且大大降低了辐射造成的能量损失，无线能量的传输效率大大提高，当收发双方相距2m时，发射60W功率的辐射损耗仅为5W. 因此，在几米之内的“中等范围”（与“短距离”和“远程”相比）中传输功率是可行的. 在安全性方面，由于共振状态下的磁场强度大约为10，仅相当于地磁场的强度，因此不会对人体造成伤害. 耦合共振的高效率和长的传输距离吸引了更多的科学家对其进行研究. 2008年8月，英特尔西雅图实验室的约书亚·史密斯研究小组开发了一种无线能量传输设备，该设备可以基于磁共振耦合的无线能量传输技术为小型设备充电. 对于60W灯泡，在1m的距离内可以达到75W的能量效率. 匹兹堡大学的孙敏贵教授的研究小组对植入式电子设备的无线能量传输进行了深入研究. 他们制成了薄膜螺旋线圈谐振器，在实验中，在20 cm的传输距离下，传输效率可以达到50％. 2010年，日本富士通使用磁耦合共振技术为两个设备充电. 测试结果表明，无线传输距离约为15厘米无线充电器线圈，并且在充电过程中设备相对于充电器的位置没有限制. 另外，国内在传动方面也有很多研究，并取得了良好的进展.

哈尔滨工业大学朱春波教授将直径为50cm的螺旋铜线圈与电容器串联使用，形成LC谐振器，使23W的能量可以在0.7m的距离处传输. 针对谐振耦合功率无线传输中谐振频率失谐导致的传输效率低的问题，由华南理工大学张波教授领导的研究小组设计了一种频率跟踪系统. 重庆大学孙悦教授领导的研究小组开发了一种基于电感耦合的大功率力传输设备，该设备能够输出600W和1000W的电能，传输效率为70％，能够同时向多个消费者，并与海尔合作开发了无尾电视1.2不同无线能量传输方法的原理. 根据无线充电技术的不同原理，主要有以下几种方法: 电场耦合类型，磁场耦合类型（包括电磁感应和电磁共振类型），电磁辐射类型（主要是微波，激光等）. 电场耦合和电磁感应适合短距离，磁耦合共振适合短距离和中等距离，电磁波和激光方法适合远程电力传输. 每种无线充电方法都有其自身的优缺点，以及合适的场合. 目前，有些技术还有待改进，有些还处于技术研发阶段. 因此，无线能量传输的研究方向是改进和完善这些技术，以使其最终成为现实. 万方数据杭州电子科技大学硕士论文无线能量传输磁场耦合电磁辐射电场耦合感应谐振微波激光图1.2无线能量传输方法分类电磁感应耦合功率传输（ICPT，感应耦合功率传输）类似于在变压器的原理上，交流电流流入发射线圈的一端，发射线圈产生交流磁场. 根据法拉第电磁感应定律，这种变化的磁场将在接收线圈中产生交流电.

以这种方式，电能从发送线圈传输到接收线圈. 与变压器不同，感应无线充电中没有铁芯，因此发送和接收的两个电感处于松耦合状态，耦合系数很低，并且传输效率对距离敏感. 如果不采取任何措施，将会有一些电磁波. 外部辐射. 电磁感应传输方法的结构简单，但缺点是传输距离远. 随着距离的增加，传输的能量将迅速减少. 磁耦合共振力传输（MCR-WPT，磁耦合共振力传输）是一种新方法，如上所述由麻省理工学院首先提出，后来被许研究. 高度希望可以进一步实现这一点. 与电磁感应类型不同，远距离无线能量的传输必须非常接近才能具有相当高的效率. 图1.3磁耦合共振无线能量传输该结构通常由四个线圈组成: 驱动线圈A，发送线圈S，接收线圈D和负载线圈B. A在其固有频率和A的工作频率上谐振具有以下关系（1.1）. 它与耦合系数之间的模式耦合因子是杭州电子科技大学万方数据研究所的硕论文. 那么对于由线圈S和D组成的系统，有（1.2）在哪里？ （1.3）为了使线圈S的能量向线圈D的传递最大化，必须满足: ωs=ωd=ω. 电磁波式力传输（MWPT，微波力传输）是在通过整流滤波器接收负载的天线之后，以微波的形式通过天线发送能量.

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