【無線電能傳導(dǎo)輸送裝置設(shè)計與應(yīng)用15000字（論文）】

無線電能傳導(dǎo)輸送裝置設(shè)計與應(yīng)用目錄TOC\o"1-3"\h\u1.前言 .前言1.1選題背景隨著社會的高速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量明顯提高。筆記本電腦，手機，mp3，平板電腦和其他可充電便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前，這些電子設(shè)備通常采用傳統(tǒng)的電能線傳導(dǎo)輸送方式進行充電，而電能傳導(dǎo)輸送是通過插座，充電器和數(shù)據(jù)線綁定的，給人們的生活帶來極大的不便。另外，在水下作業(yè)，礦山，油田，醫(yī)療等特殊領(lǐng)??域，傳統(tǒng)的有線供電設(shè)備由于摩擦和機械磨損而存在與電火花相關(guān)的安全隱患。隨著供電設(shè)備在供電質(zhì)量，安全性，可靠性等方面的要求不斷提高，傳統(tǒng)的點對點線直接接觸式已經(jīng)不能滿足人們的生產(chǎn)和生活需要。迫切需要找到一個沒有電線連接的電源和電氣設(shè)備。一種新型的電力傳導(dǎo)輸送方式，無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)應(yīng)運而生。1.2研究意義磁耦合諧振無線電能量傳導(dǎo)輸送是電力工程領(lǐng)域最受歡迎的研究領(lǐng)域之一。這是一門結(jié)合基礎(chǔ)與應(yīng)用研究的前沿課題，學(xué)術(shù)界是對國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界和工業(yè)新領(lǐng)域的綜合研究和探索。電力系統(tǒng)，電力電子，電磁場，控制技術(shù)，信息技術(shù)，材料科學(xué)，物理學(xué)等諸多領(lǐng)域的綜合利用技術(shù)。目前，諧振無線電力傳導(dǎo)輸送的磁耦合仍處于起步階段。影響技術(shù)分析的許多因素仍然不足，整個系統(tǒng)的性能需要改進。如果以后可以開發(fā)出更高效率，更高功率，更長距離，安全傳導(dǎo)輸送的技術(shù)，將來能有不錯的前景和使用價值，不只是能夠應(yīng)用到電動車的傳導(dǎo)輸送電能系統(tǒng)，無線傳感器，RFID等。同時也能夠應(yīng)用在家用的電器上，小型移動的需要電能的工具，例如工業(yè)的機器操作，運輸使用的車輛和航空航天，醫(yī)療所需的設(shè)計，礦產(chǎn)及水下工作等。除此之外，對于充電的有關(guān)技術(shù)與電磁理論發(fā)展也有極大的作用。1.3國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢近年來，中國無線傳導(dǎo)輸送技術(shù)的研究呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。浙江大學(xué)徐曄研究了電壓無觸點功率變換器。小型無線電設(shè)備的周文琦具有可啟動分析裝置，提出了一種基于功率因數(shù)補償多諧振的通用設(shè)計方法，該方法可以在有效補償系統(tǒng)上進行，使得不同負載下的系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù)。非接觸供電系統(tǒng)在運動器材中的耦合特性由中國科學(xué)院電工研究所吳瑩，閻魯光和徐善剛分析。西安交通大學(xué)電氣學(xué)院王兆安，韓騰，方芳等人研究了小型無線傳導(dǎo)輸送設(shè)備分岔的頻率。南京航空航天大學(xué)的王惠珍等數(shù)位專業(yè)人員研究了小型無線傳導(dǎo)輸送設(shè)備的全橋諧振變換器。部分專家獲得國家自然科學(xué)基金資助，例如朱春波教授的研究團隊為電動汽車和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進行了建模，仿真，實驗研究和設(shè)備開發(fā)。李云輝教授主要研究基于特殊材料的無線電無線電傳導(dǎo)輸送;陳千紅教授主要研究無線傳導(dǎo)輸送功率的高效率和高可靠性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授使用直徑50厘米的螺旋銅線圈和外部級聯(lián)電容器，以0.7米的傳導(dǎo)輸送距離傳導(dǎo)輸送23瓦的功率。在55厘米的傳導(dǎo)輸送距離處接收功率以獲得最大值。效率接近50％。華南理工大學(xué)張波教授利用互感耦合模型分析了傳導(dǎo)輸送效率，負載電阻和線圈尺寸之間的關(guān)系。經(jīng)過測試，振蕩電路和低功率放大電路可以建立無線傳導(dǎo)輸送來驗證該方法的實驗系統(tǒng)。在諧振頻率同步跟蹤補償中，采用相位補償和鎖相環(huán)同步的方法，研究了諧振腔內(nèi)諧振頻率對傳導(dǎo)輸送效率的影響，得到了最大傳導(dǎo)輸送效率的分析方法防止系統(tǒng)不匹配。2012年，以東南大學(xué)黃學(xué)良教授為首的研究團隊研究了電動汽車無線充電技術(shù)及其與電網(wǎng)技術(shù)的互動，反映了“電動汽車作為電網(wǎng)，電動汽車和良性互動的高峰分隔和作用”網(wǎng)格。目前的研究主要是構(gòu)建無線傳導(dǎo)輸送的原本理論和運用，如系統(tǒng)模型，拓撲結(jié)構(gòu)，距離，效率特性，頻率匹配等，并積極探索超聲波能量耦合傳導(dǎo)輸送的機理和電場。此外，中國科學(xué)院劉國強教授，南京理工大學(xué)丁立波教授，清華大學(xué)教授于格杰，天津大學(xué)李興飛教授，上海交通大學(xué)閻國政教授，武漢大學(xué)，重慶大學(xué)孫渝教授和蘇玉剛教授等對磁耦合諧振無線電力傳導(dǎo)輸送各方面進行了卓有成效的研究。但與國外研究水平相比，國內(nèi)技術(shù)相對落后，還有很多地方需要探索。1.4國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢在20世紀80年代，E.Abel和S.M.Third創(chuàng)造了無需接觸形式的功率傳導(dǎo)輸送的有關(guān)概念，使用無需直接接觸形式傳導(dǎo)輸送來代替引線和金屬片相互接觸的方式。90年代以后，新西蘭，美國，日本等技術(shù)專家學(xué)者做了大量的研究。新西蘭奧克蘭大學(xué)電力電子研究中心。約翰博伊斯教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組已經(jīng)選擇研究軌道車輛的使用，例如電動車的電車，運輸車和感應(yīng)充電裝置。它已經(jīng)出版。數(shù)百篇與無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)相關(guān)的文章。關(guān)于直接電感耦合無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)，以紐西蘭奧克蘭大學(xué)JohnT.boys教授為首的研究小組在20世紀90年代率先開展了研究工作。理論研究和工程應(yīng)用技術(shù)團隊已經(jīng)做了大量卓有成效的工作。理論體系和實用技術(shù)體系，率先開發(fā)實際裝置批量生產(chǎn)。技術(shù)原理，系統(tǒng)頻率分析和穩(wěn)定性，功率控制，不同補償電路系統(tǒng)特性分析，能量和信號同步傳導(dǎo)輸送，系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均取得了很好的技術(shù)研究成果。例如用于單軌車輛，有軌電車和軌道交通設(shè)備的電源，例如卡車電感耦合生物統(tǒng)計訪問，植入式設(shè)備和用于電動車輛的感應(yīng)耦合電源系統(tǒng)等。Halo1PT于2010年11月在倫敦成立，通過感應(yīng)技術(shù)成功完成電動車輛的充電。只需將電動接收器定位在電動車輛的底盤下。電動汽車進入電力變送器時，可以直接充電。2011年7月，HaIoIPT宣布與德雷賽車技術(shù)公司建立新的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，旨在引領(lǐng)零排放電動汽車充電技術(shù)的發(fā)展。后來高通將所有HaIoTPT收購，高通作為這一領(lǐng)域的新領(lǐng)域，主要業(yè)務(wù)涉及高功率無線充電技術(shù)和相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)與開發(fā)。關(guān)于磁耦合諧振無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)，如圖1-4所示，2007年7月，由麻省理工學(xué)院（MIT）的MarinSoljacic教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組負責(zé)人在科學(xué)雜志上發(fā)表了一篇論文。據(jù)研究，一種新型的遠距離無線傳導(dǎo)輸送模式，稱為磁耦合諧振無線傳導(dǎo)輸送模式，兩者具有相同頻率的諧振電路互感互感強，線圈2米距離成功前后點亮60W燈殼，傳導(dǎo)輸送效率高達40％，目前1米距離內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率水平為90％。研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的電磁輻射低于國際安全標準，對人體健康無害。其輻射類似于高端核磁共振（NMR），在安全區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)增加了電能的無線傳導(dǎo)輸送距離，從而將無線傳導(dǎo)輸送技術(shù)推向了一個新的階段。2008年，英特爾公司基于磁耦合諧振技術(shù)的J.R.Smith研究表明，75％的系統(tǒng)效率超過60W的功率，后來增加了新功能，同時啟用語音信息。2009年消費電子展在美國，在會議開始之前，以色列的Powermat公司展示了該公司的無線充電系統(tǒng)，其功率轉(zhuǎn)換效率提高了93％，并為系統(tǒng)感知接收器增加了RFID功能。2009年10月，索尼開發(fā)了一種基于磁耦合諧振的技術(shù)，可用于無線傳導(dǎo)輸送距離擴展技術(shù)，該技術(shù)是在中繼設(shè)備之后添加的，在80％傳導(dǎo)輸送效率的情況下，約為傳導(dǎo)輸送距離的1.7倍，特別是排放。接收時距離太遠，效果更明顯。在日本東京大學(xué)，進行了三維實驗來研究非對稱諧振器的相對位置與傳導(dǎo)輸送效率之間的關(guān)系。實驗進行了。對kHz頻段，MHz頻段和GHz頻段的理論分析和演示證明了傳導(dǎo)輸送效率。另一方面，東京大學(xué)采用阻抗匹配方法來提高整個系統(tǒng)的效率，并證明收音機能夠在從kHz到GHz的頻段內(nèi)傳導(dǎo)輸送。2010年10月Witricity首次使用大功率電器進行無線傳導(dǎo)輸送，將其功率提高了幾千瓦，為未來高功率無線電力傳導(dǎo)輸送設(shè)備的研究打開了大門。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授通過對研究多個接收機的無線電能量傳導(dǎo)輸送設(shè)備進行實驗，分析了傳導(dǎo)輸送過程中的頻率分裂現(xiàn)象。這說明國外無線電能量傳導(dǎo)輸送技術(shù)的基本設(shè)計原理和設(shè)計方法，團隊磁場耦合機制的設(shè)計，功率，頻率和效率的分析不斷深入，許多新的方法并提出了新的概念。隨著國家政策的傾斜和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，磁耦合共振無線傳導(dǎo)輸送技術(shù)的快速發(fā)展和展示了廣闊的前景。在未來的幾年里磁耦合的諧振無線傳導(dǎo)輸送技術(shù)中的主要研究方向是如下：（1）磁耦合諧振線圈可以進行無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計：磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)是線圈中最重要的部分，其線圈的適用性和不適宜的質(zhì)量直接關(guān)系到無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的性能好壞。因此，系統(tǒng)效率可以通過使用新材料，提高的品質(zhì)因數(shù)或線圈的耦合系數(shù)和設(shè)計新的線圈結(jié)構(gòu)得到改善。（2）磁耦合諧振可以用無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)，根據(jù)不同的情況和需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過繼電器諧振線圈和發(fā)射機/接收機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及新材料的方法來增加傳導(dǎo)輸送距離，提高傳導(dǎo)輸送效率和功率，讓它能在傳導(dǎo)輸送性能上進一步提升。（3）磁耦合諧振無線傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的電磁環(huán)境及其對生物體的影響：磁耦合諧振收音機內(nèi)部可傳導(dǎo)輸送及其工作環(huán)境，存在各種電子器件，在大功率高頻電磁場中，它們易感干涉。與傳統(tǒng)的無需直接接觸形式功率傳導(dǎo)輸送方式相比，磁耦合諧振式無線電可以傳導(dǎo)輸送很多對高頻電磁場敏感的參數(shù)，等效負載，可以由系統(tǒng)的最佳傳導(dǎo)輸送頻率漂移引起。國內(nèi)外學(xué)者開展電磁環(huán)境對電磁兼容問題，影響傳導(dǎo)輸送性能，傳導(dǎo)輸送和安全性的相關(guān)研究，但大部分研究尚處于起步階段，進一步探索磁耦合諧振可以高頻電磁場無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)對人體健康和自然環(huán)境的影響是今后的研究方向。（4）動態(tài)頻率跟蹤技術(shù)：在磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)中，分頻和頻率漂移頻繁發(fā)生。頻率分裂現(xiàn)象是磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)中的發(fā)射器和接收器之間的耦合系數(shù)的現(xiàn)象。頻率漂移現(xiàn)象是系統(tǒng)受外部干擾的干擾或溫度干擾的現(xiàn)象。分頻和頻率漂移面臨著巨大的問題制約了系統(tǒng)的控制策略，而且很難快速找到全頻率的最佳傳導(dǎo)輸送頻率，因為系統(tǒng)的最優(yōu)工作點已經(jīng)在同一時間，狀態(tài)很難穩(wěn)定。然而，操作頻率的選擇和調(diào)節(jié)對提高整體傳導(dǎo)輸送效率起著決定性的作用。為了有效解決磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，探索實時頻率跟蹤技術(shù)是一個重要的研究項目。（5）均勻磁場技術(shù)：當(dāng)向運動物體充電時，發(fā)射線圈和接收線圈會產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致磁場變化，這會影響輸出電壓和輸出電流的變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會影響。當(dāng)前的解決方案是在系統(tǒng)的接收端添加一個調(diào)節(jié)器，以穩(wěn)定輸出電壓或電流，并且確保系統(tǒng)正常工作。一旦移動物體的速度太快，現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方法難以滿足實際要求，并且它是一個重要的探索均勻磁場的技術(shù)研究方向。2.無線電能傳輸裝置設(shè)計所運用到的原理2.1常用磁性材料的特性（1）磁粉芯磁粉芯是一種由鐵磁粉和絕緣介質(zhì)組成的軟磁材料。由于鐵磁性顆粒非常?。?.5至5微米的高頻），它們被非磁性絕緣薄膜的材料分開。因此，一方面可以分離渦流并且材料適合于高頻。另一方面，由于顆粒之間的間隙的影響，材料具有低導(dǎo)磁率和恒定的磁性。由于顆粒的尺寸小，皮膚收集的現(xiàn)象基本上不存在，并且磁導(dǎo)率和頻率的變化是穩(wěn)定的。主要用于高頻電感。粉末磁芯的磁性主要是根據(jù)磁導(dǎo)率，粉末的尺寸和形狀，填充系數(shù)，電介質(zhì)，成型壓力和熱處理工藝的內(nèi)容。有三種常見的粉芯：鐵粉芯，Pomero合金粉芯和硅鐵粉芯。鐵粉芯：普通鐵粉芯由碳基鐵磁粉和樹脂碳基鐵磁粉組成。核心價格最低。飽和磁感應(yīng)強度約為1.4T;磁導(dǎo)率范圍從10到100;初始滲透率mi隨頻率而變化;直流疊加性能好;但高頻損失很高。坡莫合金粉芯：坡莫合金粉芯主要由鉬坡縷石粉（MPP）和高通量芯（HighFlux）組成。MPP的主要特點是：飽和磁感應(yīng)強度約為7500Gs;滲透率范圍從14到550;粉芯的損耗最低;出色的溫度穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備，戶外裝備。磁致伸縮系數(shù)接近零，工作在不同頻率下不會產(chǎn)生噪聲。主要用于低于300KHZ的高品質(zhì)因數(shù)Q濾波器，電感負載線圈，諧振電路，用于高溫度穩(wěn)定的常用LC電路，交流電路中的輸出電感，功率因數(shù)校正電路等。最昂貴的。高磁通磁芯的主要特點是：飽和磁感應(yīng)強度約為15000Gs;滲透率范圍從14到160;它具有最高的磁感應(yīng)強度和最高的直流偏置能力。核心很小。它主要用于電路濾波器，交流電感器，輸出電感器，功率因數(shù)校正電路等。它常用于直流電路，高直流偏壓，高直流電壓和低交流電壓。價格低于MPP。鐵硅鋁粉芯：硅鐵粉芯可用于8KHz以上的頻率;飽和磁感應(yīng)強度約為1.05T;滲透性26?125;磁致伸縮系數(shù)接近于零，并且在不同頻率處沒有噪聲。比MPP更高的DC偏移量;它具有最佳的性能比。它主要用于交流電感器，輸出電感器，線路濾波器，功率因數(shù)校正電路等，有時也可以用作帶有氣隙鐵氧體的變壓器鐵芯。（2）軟磁鐵氧體(Ferritecore)軟磁鐵氧體磁芯Mn-Zn，Cu-Zn，Ni-Zn，Mg-Zn等類別，其中Mn-Zn鐵氧體的生產(chǎn)量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體電阻率較低，一般在1?10歐姆米以下100KHZ頻率。Cu-Zn和Ni-Zn鐵氧體的電阻率范圍從102到104歐姆米，在100kHz到10MHz的無線電頻帶中有很小的損耗，主要用于無線電天線線圈，射頻變壓器和EMI。電信鐵氧體滲透率從750到2300，具有低損耗系數(shù)，高品質(zhì)因數(shù)Q，穩(wěn)定的滲透率隨溫度/時間的變化，是工作下降速度最慢的，大約每10年減少3％?4％。它廣泛用于高Q濾波器，調(diào)諧濾波器，負載線圈，阻抗匹配變壓器和接近傳感器。寬帶鐵氧體通常分別被稱為磁導(dǎo)率分別為5000,10000和15000的高磁導(dǎo)率鐵氧體。它的特點是損耗因數(shù)低，高磁導(dǎo)率和高阻抗/頻率特性。它廣泛用于共模濾波器，飽和電感器，電流互感器，漏電保護器，絕緣變壓器，信號和脈沖變壓器，以及多功能寬帶變壓器和EMI。功率鐵氧體具有較高的飽和磁通密度，4000?5000Gs。還有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。換句話說，隨著頻率的增加，損失不會增加;隨著溫度的升高，損失不是很大。它廣泛應(yīng)用于功率扼流圈，并聯(lián)濾波器，開關(guān)電源變壓器，開關(guān)功率電感器，功率因數(shù)校正電路等。2.2無線電能傳導(dǎo)輸送裝置能量接入機構(gòu)線圈繞組的特性（1）渦流效應(yīng)根據(jù)電磁感應(yīng)原理，已知通過將線圈纏繞在導(dǎo)體外部并通過交流電流，線圈可以變成交變磁場。可以在磁場中形成以導(dǎo)體為中心的圓形電路。因此，導(dǎo)體的外圍將對應(yīng)于感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。導(dǎo)體周圍的電流沿圓周方向循環(huán)。這種現(xiàn)象被稱為渦流現(xiàn)象，這是由整個導(dǎo)體中的電磁感應(yīng)引起的。渦流的大小隨著導(dǎo)體的外部磁場的頻率的增加而增加。渦流也會造成損耗，特別是當(dāng)導(dǎo)體電阻較小時，渦流的熱效應(yīng)更為明顯。在具有渦流損耗的時變電磁場導(dǎo)體中。根據(jù)右旋螺旋線的規(guī)律，可以確定垂直于時變磁場的感應(yīng)電流。在渦流檢測導(dǎo)體上使用渦流效應(yīng)。根據(jù)文獻[38]，由于金屬導(dǎo)體的位移電流非常小，真空絕對介電常數(shù)為8.8510Fm-120ε=×，電導(dǎo)率為10sm7σ=107s/米：（2-1）其中，符號▽2代表拉普拉斯算子。類似地，可以導(dǎo)出渦旋系統(tǒng)的其他兩個方程（2-2）和（2-3）。它們也是檢測渦流問題和理論分析的重要基本方程。（2-2）（2-3）（2）鄰近效應(yīng)在高頻時，變壓器繞組受渦流效應(yīng)影響，而鄰近效應(yīng)也被考慮在內(nèi)。當(dāng)高頻電流流入相鄰導(dǎo)線時，會產(chǎn)生變化的磁場，并且由于電磁側(cè)特性，導(dǎo)線電流被稱為“鄰近效應(yīng)”。當(dāng)一些導(dǎo)線變成一個導(dǎo)線或一層導(dǎo)線的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)時，磁通勢與匝數(shù)相關(guān)并且基本上線性地成比例，渦流之間的流動的鄰近效應(yīng)指數(shù)，在線或繞組線圈呈指數(shù)規(guī)律地隨纏繞層增加而增大。最危險的情況是繞組之間發(fā)生的鄰近效應(yīng)。在磁力最大的區(qū)域，鄰近效應(yīng)最為明顯。接近效應(yīng)會減少有效的導(dǎo)體流動面積，增加傳導(dǎo)輸送過程中的電流損耗，并降低導(dǎo)體傳導(dǎo)輸送電流的能力。因此，為了削弱鄰近效應(yīng)，需要減小最大磁通勢。初級繞組和次級繞組的正確布置是降低有效措施的最大磁動量，以減少鄰近效應(yīng)的影響。對于變壓器繞組，這種影響是基于相鄰的繞組或鐵芯，以及影響高頻電流繞組的其他配置。鄰近效應(yīng)與相鄰導(dǎo)體的布置不可分離，并且當(dāng)布置不太緊時可以忽略。取而代之的是，導(dǎo)體需要細分為長絲和使用等效電路方法（PEEC）提取的參數(shù)。（3）集膚效應(yīng)在高頻率時需要考慮的另一個影響是趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)也稱為“集膚效應(yīng)”，意味著當(dāng)交流電流通過導(dǎo)體時，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)體電流在橫截面上分布，并且導(dǎo)體表面越接近，電流密度越大。另外，導(dǎo)體中的電流將集中在導(dǎo)體的表面上，導(dǎo)體中的電流密度將隨著與導(dǎo)體表面的距離增加而呈指數(shù)下降。趨膚效應(yīng)是變壓器繞組效應(yīng)的高頻效應(yīng)之一。趨膚效應(yīng)的原理對實際應(yīng)用具有重要意義。例如，在高頻電路中，可以使用中空銅導(dǎo)體來節(jié)省銅材料，而不是固體銅導(dǎo)體。架空輸電線路的中心部分轉(zhuǎn)換為較高的電阻率，但不影響導(dǎo)線的傳導(dǎo)輸送性能和抗拉強度。接下來針對集膚效應(yīng)對于變壓器繞組參數(shù)的數(shù)值影響進行分析，在皮膚效應(yīng)對電纜和變壓器阻抗的影響到目前為止，已經(jīng)做了很多研究。早在1972年，D.R.Holt和N.S.Nahman就提出了同軸電纜集膚效應(yīng)的研究，并采用了函數(shù)A+Bs來近似集膚效應(yīng)下電纜的阻抗。文獻通過三個常見的電纜實驗來驗證結(jié)果。如果使用參數(shù)Z（s）包含導(dǎo)體損失，則表單為（2-4）通過實驗可以證實，當(dāng)達到高頻極限時，A=0，B=K，其中K是常數(shù)，則（2-5）在低頻極限下，則A=R，B=0（2-6）當(dāng)穿透深度遠小于圓柱形導(dǎo)體的半徑時，Ks是單位面積的趨膚效應(yīng)，R是每單位長度同軸電纜的直流阻抗。因此，最終阻抗可近似表示為：（2-7）在分析實驗結(jié)果后，我們可以發(fā)現(xiàn)趨膚效應(yīng)A+Bs的近似表達式的近似效應(yīng)。在給定的情況下，可以使用表達式A+Bs，并且可以使用適當(dāng)?shù)闹祦泶孚吥w效應(yīng)時的時域響應(yīng)中的電纜導(dǎo)體的阻抗。從表面效應(yīng)對導(dǎo)線阻抗的影響的實驗觀點分析上述情況，現(xiàn)在從集膚效應(yīng)方程本身進行分析。。圖2-1一對無限寬平行金屬板斷面如圖2-1所示，對于無限寬的平行板，如果所有電流都沿Z方向流動，則導(dǎo)體內(nèi)部的電流也必須是Z方向。但是，電場只能在Y方向上。這時，皮膚效應(yīng)方程：（2-8）使用安培法則，可以看出Z方向電流產(chǎn)生的電場可以用（）zEy表示，即電場方向為Y方向。然后（2-8）可以寫成下面的形式：（2-9）式中（2-10）這里定義集膚深度（2-11）方程（2-11）的通解為（2-12）對于圖2-1，僅考慮上部導(dǎo)體，因為此導(dǎo)體的電流必須反映下部導(dǎo)體的電流。但是，考慮到傳導(dǎo)輸送線每單位長度的總損耗，它是上部導(dǎo)體損耗的兩倍。而且，上導(dǎo)體應(yīng)該具有任何厚度，即從y=0到y(tǒng)=∞。此時（2-12）類型的邊界條件（2-13）邊界條件代入（2-9）：因此（2-14）單位寬度的總電流（即單位x）是所有y的JZ（y）的積分，即，（2-15）其中W是導(dǎo)體的單位寬度。表面電場EZ（即，y=0的電場）可以從歐姆定律獲得（2-16）我們將導(dǎo)體的表面電場與流入導(dǎo)體的每單位寬度的總電流之比定義為皮膚阻抗Zs。從公式得到（2-17）Ls稱為傳導(dǎo)輸送線的內(nèi)部電感，符號Rs代表傳導(dǎo)輸送線的表皮電阻。從公式（2-19）可以看出，表面電阻和內(nèi)部電感在數(shù)值上是相等的,都等于。在計算Rs時得到（2-18）通過以上不難發(fā)現(xiàn)，頻率變化阻力與屁女人正常成正比，頻率越高，相應(yīng)頻率變化阻值越高。通過以上研究，發(fā)現(xiàn)上述這些頻率的不同影響對于高頻變壓器繞組模型的研究具有重要意義。這些頻率變化的影響會給變壓器的正常運行帶來不同程度的損失。發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率增加時，趨膚效應(yīng)對參數(shù)有更顯著的影響。趨膚效應(yīng)頻率參數(shù)是平方根相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)。因此，通過討論變頻效應(yīng)，特別是集膚效應(yīng)，可以找到相應(yīng)的逆變器繞組模型，這使得變壓器的工作特性更加準確和直觀。2.3能量接入機構(gòu)中的互感M和互感系數(shù)K之間的關(guān)系磁場耦合無線電傳導(dǎo)輸送包含電磁感應(yīng)和磁耦合諧振，兩者都使用電磁效應(yīng)來影響無線能量傳導(dǎo)輸送。磁耦合諧振無線電力傳導(dǎo)輸送是可以無線傳導(dǎo)輸送的磁場耦合的特殊情況。與電磁感應(yīng)類型的區(qū)別在于兩個固有頻率收發(fā)線圈的系統(tǒng)是相同的。當(dāng)驅(qū)動信號的頻率與固有頻率相位線圈的頻率相同時，在發(fā)送和接收線圈之間發(fā)生諧振，諧振耦合電路的阻抗被最小化，并且由諧振耦合最大輻射的能量被傳導(dǎo)輸送到負載。圖2-2磁耦合諧振式無線電能傳導(dǎo)輸送示意圖圖2-2顯示了磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送的示意圖。系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程是電磁場的電場。高頻電場在發(fā)射線圈的電磁諧振電容改變后，從高頻電源端產(chǎn)生相應(yīng)的輸入信號。借助高頻磁場，發(fā)送和接收線圈產(chǎn)生諧振。最后，接收線圈磁電轉(zhuǎn)換諧振電路被用作為無線傳導(dǎo)輸送供電的負載。具體而言，該系統(tǒng)是在高頻電源側(cè)生成的高頻輸入信號的基本思想。當(dāng)輸入信號頻率和固有頻率的諧振頻率的發(fā)送線圈LS和電容器CS諧振時，電能的供電被轉(zhuǎn)換成磁場電路的諧振，電場可以被發(fā)射并存儲在線圈的電感和電容分別和大小相同，線圈電感LS和補償電容CS的能量工作頻率振蕩兩倍。此時，如果LSCS的磁場區(qū)域附近的共振體放置具有相同固有頻率的接收共振LdCd體，則發(fā)送和接收線圈與感應(yīng)電流的頻率接收線圈互感耦合，這對應(yīng)于相同的自然頻率諧振器增加了激勵源功能并產(chǎn)生諧振，從而實現(xiàn)了磁場與周圍空間電場之間的振蕩交換?？梢钥闯?，整個輸電系統(tǒng)具有三個能量交換：兩個諧振線圈電路之間的磁能交換;發(fā)射線圈的諧振電路的磁場能量和電場能量的交換;接收線圈的諧振電路的磁能量和電場能量的交換?？傊?，磁耦合和諧振是磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送的兩個關(guān)鍵條件。。圖2-3（a）是包含電源，線圈（S），發(fā)射線圈（Tx），接收線圈（Rx），負載線圈（L）和負載阻抗分析的磁耦合諧振無線電能量傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的總體視圖，純電阻Rw）。D代表發(fā)射線圈和接收線圈之間的直線距離。圖2-3（b）是磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的等效電路模型。線圈在磁場中相互耦合，并且源線圈直接將能量傳導(dǎo)輸送到傳導(dǎo)輸送線圈。類似地，接收線圈通過直接耦合將能量傳導(dǎo)輸送到負載線圈。線圈發(fā)送和接收線圈通過空間磁共振耦合。無線傳導(dǎo)輸送電力。非相鄰線圈之間的耦合系數(shù)小于相鄰線圈之間的耦合系數(shù)。在本章中，不相鄰線圈之間的耦合系數(shù)被忽略。（a）無線電能傳導(dǎo)輸送的系統(tǒng)框圖（b）無線電能傳導(dǎo)輸送的等效電路圖圖2-3磁耦合諧振式無線電能傳導(dǎo)輸送的系統(tǒng)到現(xiàn)在為止，磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送的理論分析模型有兩種：耦合模理論和等效電路理論。與等效電路理論相比，耦合模理論對諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的分析更加直觀和簡單。利用耦合模理論，磁耦合諧振無線電能量傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)的模型如式（2.1）所示。（2.19）（2.20）式中：I——（i=1,2,3,4）其中1表示S，2表示Tx，3表示Rx，并且4表示L;Ri-第i個線圈的等效電阻（包含線圈的電阻和外部諧振電容的寄生電阻）;Rs--功率放大裝置的內(nèi)部阻抗;Rw-負載電阻;Ci-外部諧振電容的第i個線圈;第i個線圈的Li自感;Mij-i和j線圈之間的互感（i，j=1,2,3,4;i≠j）;Kij=i和j線圈之間的耦合系數(shù)，Ai（t）-第i個線圈的能量模式振幅的正頻率分量;Ωi-第i個線圈的諧振頻率;Гi-第i個線圈的固有損耗率Гw-負載消耗率（Гw=Rw/（2L4））;Гs--功率放大裝置損耗率（Гs=Rs/（2L1））;Гs--功率放大裝置損耗率（Гs=Rs/（2L1））;F（t）-系統(tǒng)驅(qū)動信號;為了簡化分析，假設(shè)每個線圈的固有諧振頻率等于ω0并且電源角頻率等于ω，則每個線圈的能量模態(tài)振幅的正頻率分量ai（t）可以表示為ai（t）=Aie-jωt，驅(qū)動信號可表示為F（t）=Fe-jωt，第i個線圈的損耗功率為Pi=2πi|Ai|2，系統(tǒng)傳遞給負載電阻的功率為Pw=2Гw|A4|2。方程（2.22）可以通過求解方程（2.19）。（2.22）式中：，，，系統(tǒng)的效率可以表示為（2.3）。（2.23）通過組合（2.22）和（2.23）可以獲得完整的效率表達式（2.24）。（2.24）如圖2.2（a）所示，兩個同軸單圈圓形線圈之間的互感計算如下：（2.25）（2.26）其中：RP，RS是兩個單圈圓形線圈的半徑;h是兩個同軸單圈圓形線圈之間的軸向距離;K（b）是第一類完全橢圓積分;E（b）是第二類完全橢圓積分;μ0=4π×10-7H/m。對于兩個螺旋線圈，如果銅線的半徑遠小于線圈的半徑，則兩個螺旋線圈之間的互感可以使用公式（2.22）。（2.27）其中：N1和N2分別是兩個螺旋線圈的圈數(shù);Mpq是第一螺旋線圈的第p圈與第二螺旋線圈的第q圈之間的互感，Mpq可以使用公式（2.25）和公式（2.26）計算。圖2-4所示的兩個非同軸單圈圓形線圈模型（b-d）。定義：半徑為RP的單圈圓形線圈的中心點為（0,0,0）;一個半徑為RS的單圈圓形線圈的中心點為（xC，yC，zC），單圈圓形線圈的平面為λ≡ax+by+cz=0。兩個單圈圓形線圈的水平偏移量為d，角度偏移量為θ。圖2-4單匝圓形線圈模型兩個非同軸單圈圓形線圈之間的互感公式如下：（2.28）式中：3.無線電能傳輸裝置的分類3.1電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)無線電力傳導(dǎo)輸送是一項相對成熟的無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)，國內(nèi)外都對這項技術(shù)進行了具體研究。2005年英國Splashpower公司推出了一種電磁感應(yīng)無線充電裝置。由重慶大學(xué)孫悅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在誘導(dǎo)無線傳導(dǎo)輸送研究和大功率產(chǎn)品開發(fā)方面做了大量工作。但是，由于傳導(dǎo)輸送距離非常近，電磁感應(yīng)無線電不能廣泛使用。圖3-1電磁感應(yīng)式無線電能傳導(dǎo)輸送示意圖3.2磁耦合諧振式磁耦合諧振無線電能量傳導(dǎo)輸送技術(shù)的主要特點是發(fā)射端和接收端是兩個頻率相同的諧振電路，兩個諧振電路通過交變電磁場建立緊密連接。這是與電磁感應(yīng)無線電能量傳導(dǎo)輸送技術(shù)最大的區(qū)別。正是由于這一特點才實現(xiàn)了中長距離無線電能量傳導(dǎo)輸送的目的。由于具有相同共振頻率的物體將接收能量，因此使用此技術(shù)傳導(dǎo)輸送能量。選擇性好，有利于避免器件上具有不同諧振頻率的異物干擾，也可達到信號和能量雙通道傳導(dǎo)輸送的目的。圖3-2MIT磁耦合諧振式無線電能傳導(dǎo)輸送示意圖3.3微波輻射式微波輻射無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)屬于遠程無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)。其主要原理是將電能轉(zhuǎn)換成可通過微波轉(zhuǎn)換裝置由天線發(fā)射和接收的微波，然后由接收端將接收天線接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為負載可用的電能微波轉(zhuǎn)換裝置。微波輻射無線電傳導(dǎo)輸送示意圖如圖3-3所示。。圖3-3微波輻射式無線電能傳導(dǎo)輸送示意圖微波輻射式無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)具有傳導(dǎo)輸送功率大，傳導(dǎo)輸送距離長的特點，但傳導(dǎo)輸送過程中能量損失嚴重，傳導(dǎo)輸送效率極低。同時，發(fā)射天線和接收天線需要在能量傳導(dǎo)輸送過程中對準和對準。傳播方向受到限制，微波輻射對人體健康構(gòu)成一定危害。因此，這種無線電能量傳導(dǎo)輸送技術(shù)不適合民用應(yīng)用。它通常應(yīng)用于太陽能發(fā)電站，低軌道軍用衛(wèi)星和航天飛機等特殊領(lǐng)域。不同的無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)具有不同的結(jié)構(gòu)特征，但也具有不同的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)有主要無線電力傳導(dǎo)輸送技術(shù)總結(jié)，其傳導(dǎo)輸送距離，傳導(dǎo)輸送功率和傳導(dǎo)輸送效率因傳導(dǎo)輸送原理不同而不同。能量傳導(dǎo)輸送距離作為標準大致可以分為三類：短程，遠程和遠程無線電力傳導(dǎo)輸送。能量傳遞的原理可分為無線能量傳導(dǎo)輸送技術(shù)的三種主要類型：電磁感應(yīng)耦合，磁共振和微波輻射傳導(dǎo)輸送技術(shù)。表1-1比較了三種傳導(dǎo)輸送模式的能量傳導(dǎo)輸送原理和特性。另外，還有其他的無線傳導(dǎo)輸送方法在本文中沒有詳細描述，例如：通過激光，超聲波，電場等作為傳導(dǎo)輸送介質(zhì)的無線電能傳導(dǎo)輸送。表3-1三類無線電能傳導(dǎo)輸送方式的對比類別電磁感應(yīng)耦合式磁耦合諧振式微波輻射式傳導(dǎo)輸送原理電磁感應(yīng)原理諧振線圈之間的磁場共振通過天線發(fā)送接收轉(zhuǎn)換電磁波傳導(dǎo)輸送功率大較高大傳導(dǎo)輸送效率高中高低傳導(dǎo)輸送距離幾毫米幾十厘米至幾米上百公里應(yīng)用場合便攜電子設(shè)備充電、電動汽車、交通軌道供電等家用電器供電、便攜電子產(chǎn)品充電、電動汽車充電、醫(yī)療產(chǎn)品體外充電等太陽能電站、低軌道軍用衛(wèi)星、航天飛機等4.設(shè)計4.1變換器的設(shè)計變頻器可分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩種。電壓型逆變器：指直流側(cè)為電壓源，直流側(cè)電容量大，直流電路呈現(xiàn)低阻抗特性。電流模式轉(zhuǎn)換器：直流側(cè)是電流源，直流側(cè)連接大電感，直流電路呈現(xiàn)高阻抗特性。由于電流變換器的直流側(cè)具有大的電感，因此考慮小型無線電傳導(dǎo)輸送設(shè)備的尺寸，重量，成本和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。本文設(shè)計的逆變器采用電壓單相全橋逆變器。如圖4-1所示。圖4-1全橋式逆變器4.2補償拓撲的設(shè)計磁耦合諧振無線電傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)主要由三部分組成：高頻電源，諧振耦合電路和負載接收端子。忽略高頻功率，直接研究諧振耦合電路。諧振耦合回路中兩個線圈之間的間隙使系統(tǒng)具有較大的漏感。為了增加系統(tǒng)的有功功率，經(jīng)常使用補償電容平衡電路中的電感。根據(jù)勵磁線圈和接收線圈補償結(jié)構(gòu)的不同，SS，SP，PS和PP四種拓撲結(jié)構(gòu)分為四種拓撲結(jié)構(gòu)，其中P代表并聯(lián)補償，S代表串聯(lián)補償。圖4-2可以等效地簡化為諧振系統(tǒng)的勵磁線圈和接收線圈。其中，Cs和Cd是補償電容，Ls和Ld是發(fā)送和接收線圈電感，Id，勵磁線圈電流和負載電流，R是限流電阻，Rs，Rd是線圈電阻，Rw是負載電阻，M是互感。線圈，Ui-V是由電壓型逆變器電路輸出的系統(tǒng)的電壓值，Ui-C??是由電流型逆變器電路輸出的系統(tǒng)的電壓值。圖4-2四種基本拓撲結(jié)構(gòu)圖在圖3-11中，（a）和（b）中發(fā)射電路的串聯(lián)等效阻抗為：圖(c)、(d)發(fā)射回路的并聯(lián)等效阻抗為系統(tǒng)諧振即時，串聯(lián)諧振諧振電路的阻抗相當(dāng)于線圈阻抗近似為0，等效阻抗為并聯(lián)諧振無限大。因此，當(dāng)負載很小時，變送器使用串聯(lián)補償更為合適。在圖3-11中，圖(a)、(c)接收回路的串聯(lián)等效阻抗為：圖(b)、(d)接收回路的并聯(lián)等效阻抗為：用Zr、Zd分別表示次級對初級的反射阻抗和接收回路阻抗，則，諧振發(fā)生時，圖(a)、(c)接收回路串聯(lián)諧振的反射阻抗等效為：圖(b)、(d)接收回路并聯(lián)諧振的反射阻抗等效為：反射阻抗由反射電阻和反射電阻組成。反射電抗是反射阻抗的虛部，這會導(dǎo)致線圈諧振頻率的小偏差。反射電阻是反射阻抗的實際部分，其代表從初級到次級的傳導(dǎo)輸送效應(yīng)。從上面的兩個公式，反射電阻是：反射電阻越大，能量傳導(dǎo)輸送效果相對就越好。比較Zr1，Zr1'可知，與有關(guān)，且越大越大，而與無關(guān)。當(dāng)其相等時解得，次頻率值就是決定接收端選擇串聯(lián)、并聯(lián)拓撲的分界值。所以當(dāng)系統(tǒng)接收端采用串聯(lián)補償較好，反之接收端采用并聯(lián)補償較好。根據(jù)上述研究，當(dāng)負載較小時，發(fā)送回路采用串聯(lián)補償較好，發(fā)送回路并行補償較好。當(dāng)諧振頻率較大時，接收電路串聯(lián)補償效果較好，接收電路并聯(lián)補償較好。4.3驅(qū)動電路的設(shè)計選擇MOSFET驅(qū)動器時，請考慮以下要求。MOSFET的柵極和源極之間有一個大約1300pF的輸入電容。為了加快驅(qū)動電壓的設(shè)置，要求驅(qū)動電路具有小的內(nèi)部電阻，并且電網(wǎng)控制電壓的前沿和后沿足夠陡峭。驅(qū)動電源的電力源頭的電壓應(yīng)足夠高，以確保在MOSFET導(dǎo)通后MOSFET的功率輸出將達到飽和，從而使MOSFET開關(guān)可靠并防止導(dǎo)通期間發(fā)生飽和故障。為了提供適當(dāng)?shù)恼蝌?qū)動電壓，高柵極源之間的電壓將增加功率MOSFET開關(guān)的充電和放電時間，從而降低開關(guān)速度。另外，柵極源之間的電壓不能超過MOSFET本身的標稱值（通常為20V），正常柵極源之間的驅(qū)動電壓為10?11V，此選擇約為12V。為避免誤導(dǎo)，最好在MOSFET關(guān)閉時提供負柵極電力源頭的電壓。除了自身強大的抗干擾能力之外，必須保證電壓型逆變器和下臂的驅(qū)動信號產(chǎn)生死區(qū)時間。為了滿足MOSFET開關(guān)管的驅(qū)動需求，需要對驅(qū)動芯片進行研究。本文選用驅(qū)動芯片HIP2101如圖4-3所示，HIP2101是一個半橋驅(qū)動器，驅(qū)動電路簡單，可驅(qū)動橋臂上下驅(qū)動，具有獨立的低端和高端輸入通道：自舉電路，設(shè)計提高了驅(qū)動芯片的可靠性，主要特點如下：通過自舉高端暫停通道可工作在114v，完全滿足電壓要求;高端和低端驅(qū)動器峰值輸出/吸收驅(qū)動能力為2A。該芯片與一個1歐姆自升壓二極管集成在一起;4）芯片也有很快的可控時間。在驅(qū)動1000pF負載時，典型的上升和下降時間僅為10ns。該芯片與TTL/CMOS輸入電平模式兼容，以增加靈活性和抗干擾性。由于HS緩沖器的較高dv/dt值，輸出不受功率波動的影響。還具有低功耗，寬電力源頭的電壓范圍，3Ω輸出阻抗和電壓閉鎖功能;工作環(huán)境溫度范圍為-40℃?125℃。圖4-3控制芯片HIP2101驅(qū)動芯片的電力源頭的電壓VDD最低為9V，最大值為14V，本文特意選擇12V電源供電，因為在芯片上HS電壓的最大值為100V，所以本文中VCC只要不能超過100V，本文中實際最大電壓僅為40V，通過實驗測試充分滿足實際需要。4.4保護電路（1）過壓保護由于電路中存在電感性負載，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，漏極電流會產(chǎn)生非常高的漏極電壓過沖，導(dǎo)致管損壞，因此需要設(shè)置開關(guān)關(guān)閉RCD緩沖吸收電路來實現(xiàn)過壓保護，電壓保護，如圖4-4所示。圖4-4開關(guān)管RCD關(guān)斷緩沖電路根據(jù)下式計算RC吸收電路參數(shù)（tr是接通上升時間，tf是下降時間，ton開放時間），其中：緩沖電容：緩沖電阻：（2）過流保護如果同一個橋臂通過開關(guān)，電流會很大，則必須采取過電流保護措施：主回路串聯(lián)霍爾傳感器時，流過霍爾傳感器的電流與電壓成線性關(guān)系k=0.6V/A，電壓信號送至比較器，與基準電壓比較，形成邏輯電平控制芯片，當(dāng)回路過流控制芯片產(chǎn)生動作，關(guān)閉開關(guān)。過流保護電路如圖4-5所示。圖4-5過流保護電路②驅(qū)動脈沖設(shè)定一個合理的死區(qū)時間，可以防止同一個橋臂開關(guān)管同時導(dǎo)通，同時結(jié)合本系統(tǒng)，系統(tǒng)初始階段單片機以主電路啟動振蕩軟件設(shè)定死區(qū)時間，系統(tǒng)軟啟動開關(guān)部分使用硬件電路實現(xiàn)死區(qū)時間的設(shè)置，死區(qū)時間的設(shè)置與開關(guān)的開關(guān)延時密切相關(guān)，如圖4-6所示。圖4-7死區(qū)時序圖4.5控制電路設(shè)計傳統(tǒng)無線電能量傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)控制部分的主要功能是：PWM頻率輸出調(diào)節(jié)，過壓，過流保護等功能，但只有單向能量傳導(dǎo)輸送，不能將接收端的工作狀態(tài)傳導(dǎo)輸送到發(fā)送端進行分析和調(diào)整。閉環(huán)控制未實現(xiàn)。本項目設(shè)計的無線電能量傳導(dǎo)輸送系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了變送器的頻率輸出，過壓和過流保護功能，還實現(xiàn)了接收機工作狀態(tài)信息的返回，完成了前后臺的通信。特征。由于本實驗的功放部分采用傳統(tǒng)的H橋電路，發(fā)射端的工作頻率不能太大，一般為100KHz-1MHz，選擇普通的ARM芯片作為發(fā)射端的主控芯片，而STM32系列主控的晶振頻率一般在72MHz以上，完全可以滿足1M高頻方波輸出，接收器不需要工作頻率，選擇STM8S系列單片機進行數(shù)據(jù)采集，處理和發(fā)送。發(fā)射器選擇ST的非常強大的STM32103RBT6處理器，該處理器使用高達72MHz的工作頻率。兩個高級外設(shè)總線（APB），一個APB（高達CPU的工作頻率），連接到總線的外設(shè)可以以更高的速度運行。出色的功率控制，內(nèi)置電源監(jiān)控器，減少對外部設(shè)備的需求，包含上電復(fù)位，低電壓檢測，掉電檢測和帶時鐘的看門狗定時器，并且附帶STM32固件庫，穩(wěn)定可靠，易于使用操作，縮短開發(fā)周期。接收端還選擇意法半導(dǎo)體高性價比的STM8S003作為處理器，先進的STMBS核心，三級流水線哈佛架構(gòu)，高達24MHz的CPU，靈活的時鐘和電源管理以及豐富的外設(shè)接口。，具有高達400Kbps的IIC接口速率，10MbpsSPI接口，UART接口，CAN2.0接口等一系列優(yōu)點。主題設(shè)計使用STM32定時器功能，其中包含高級定時器TIM1的可編程互補輸出，捕捉比較和死區(qū)時間，通過改變計數(shù)器的值，以實現(xiàn)具有可調(diào)整死區(qū)時間的PWM互補輸出。雙路互補PWM連接到逆變器驅(qū)動ICIR2110，驅(qū)動逆變器實現(xiàn)功率逆變放大。STM32最小系統(tǒng)如圖4-8所示。圖4-8STM32最小系統(tǒng)原理圖該接收器還選擇意法半導(dǎo)體高性價比的STM8S003作為處理器，先進的STM8S內(nèi)核，三級流水線式哈佛架構(gòu)，高達24MHz的CPU，靈活的時鐘和電源管理以及豐富的外設(shè)接口。速率高達400Kbps的IIC接口，10MbpsSPI接口，UART接口，CAN2.0接口等一系列優(yōu)點。STMBS的最小系統(tǒng)框圖如圖4-9所示。它配備了一個12位分辨率ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將所收集電池的充電電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。經(jīng)過編碼過程，判斷過程，然后控制開關(guān)控制開關(guān)工作，形成負載電容調(diào)制模式，將信號磁耦合傳導(dǎo)輸送到變送器的主控制器，之中的單片機有著HSE.HSI.LSI這三種情況可以進行選取，在這類設(shè)計之中，選取高速內(nèi)部RC振蕩器HSI，它的頻率達到了16MHz。圖4-9STM8S003F3U6TR最小系統(tǒng)圖4.6耦合諧振參數(shù)設(shè)計E類形式的功率增大裝置的電力源頭的電壓Vcc是根據(jù)晶體管能夠承載的最大電壓值。一旦E類功率增大裝置運行的時候，晶體管兩處的最大值的電壓中的電流和運行電壓的電流兩者之間的關(guān)系滿足下面的式子：：顧忌到110V的晶體管擊穿電壓和電路裕量，工作電壓Vcc的設(shè)計選擇為20V。為了找到負載網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)電容電感器C1，L1的值，首先引入負載阻抗RC1、L1的值可得：利用負載品質(zhì)因素QL，負載網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)諧振C2、L2的值可以得到5.實驗結(jié)果分析結(jié)合前面的設(shè)計，如圖所示構(gòu)建系統(tǒng)的仿真電路5-1：圖5-1磁耦合諧振系統(tǒng)仿真電路仿真電路采用24V直流電壓源，通過占空比為40％的矩形波脈沖信號驅(qū)動半橋中的MOS管，使得發(fā)送回路輸入電壓的有效值約為10V。通過將M1和M2的開關(guān)周期設(shè)置為666.6ns，系統(tǒng)的工作頻率可以為1.5mhz，符合系數(shù)為0.2，負載為50.負載兩端的電壓波形可以通過仿真獲得，并且可以獲得流經(jīng)負載的電流波形。系統(tǒng)中的輸出功率和輸電效率。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5-2所示:(a)系統(tǒng)輸出電壓、電流波形（b)系統(tǒng)輸入功率與輸出功率圖5-2磁耦合諧振系統(tǒng)仿真波形仿真結(jié)果分析:（1）如圖5-2（a）所示，負載電阻表示為流過R8和R8的負載電流的電壓波形和波形。降壓電路降壓后，輸出電壓穩(wěn)定在12.1V，負載電流約為4.75，輸出波形平滑。（2）在圖5-2（b）中，圖形的消耗是R8電源V1的波形和功耗（如你可以從圖V1的負