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1、1,电气工程新技术讲座新型无线传能技术及应用,2,新型无线传能技术及应用-概论,发展历史无线传能技术分类及原理电磁共振式无线传能电容式无线传能前景结语,3,如何开展科学研究工作-概论,4,新型无线传能技术及应用-发展历史,被人类遗忘的天才-尼古拉特斯拉：对电力学和磁力学做出了杰出贡献。他的专利和理论工作是现代交变电流电力系统依据，包括多相电力分配系统和交流电发电机，帮助他带起了第二次工业革命。1882年，他继爱迪生发明直流电（DC）后不久，发明了交流电（AC），制造出世界上第一台交流发电机，并创立了多相电力传输技术。他的成就还包含创立双线线圈无线电技术，以及无线电能传输技术。诺贝尔物理学奖自创
2、立开始的三十年里，尼古拉特斯拉一个人就被评选出九次，与爱迪生一起二次，而他把这十一次的诺贝尔奖全部让贤。,5,1908年6月30日，通古斯大爆炸：爆炸产生的能量相当于广岛原子弹的1000倍，超过2150平方公里内的6千万棵树焚毁倒下。此事件与3000多年前印度的死丘事件及1626年5月30日北京的王恭厂大爆炸并称为世界三大自然之谜。,新型无线传能技术及应用-发展历史,6,纽约长岛-沃登克里弗塔,新型无线传能技术及应用-发展历史,7,新型无线传能技术及应用-分类及原理,目前，无线电能传输技术主要分为五类，电磁感应耦合，这种方式能传送较大功率、效率也较高，但要求传送距离很近。电磁辐射，即电磁波，这
3、种方式是利用电磁场传递能量，特点是传送距离远，但效率低。地球电离层传输，特斯拉尝试的方式，以天地为介质，通过空间电离层，将大功率能量传送到地球的任何一个角落。电磁共振，这种方式就麻省模式，能传输较远的距离，但功率、效率相应较小。电容式无线传能，特点为传送电压大、频率高、电流很小，传送距离中等。,8,新型无线传能技术及应用-分类及原理,1.电磁感应耦合通过相对很直接的接触来进行能量传输，主要应用于近距离的能量传输。典型应用是可分离式变压器，系统主要由交流电源、一次侧变换器、可分离变压器和二次侧变换器四部分构成。系统结构图如图所示：,9,新型无线传能技术及应用-分类及原理,它利用了感应耦合系统和电
4、力电子技术相结合的方法，实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器的紧密型耦合磁路分开,初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上,实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接。感应耦合技术的优点在于原理简单，容易实现，近距离能量传输效率高，可高达99%。但是缺点在于传输距离近，对位移和频率变化的稳定性差。需要一次、二次线圈尽量保持在对齐状态，一旦出现相对位移，效率会急剧下降，而且电磁污染较严重。可以应用于传输功率不大，相对位置基本不变的场合，例如手机无线充电，电磁炉等。,10,新型无线传能技术及应用-分类及原理,2.电磁辐射远场就是远远大于发射接收设备尺寸的千米计的电能传输距离。对于远
5、距离输电，现在主要都是有线高压传输。然而，远距离有线传输成本高，能量损失大，消耗资源多，所以，电能远距离无线传输势必会成为发展的趋势。远场电能传输，有普通的地面电能传输，有太空-地面-地面电能传输等几个应用。,11,新型无线传能技术及应用-分类及原理,布朗的微波传输系统在地面上，传输装置大概分成三部分：微波源，发射天线，接收天线三部分。微波源内有磁控管；微波源输出的能量通过同轴电缆连接至和波导管之间的适配器上；亚铁酸盐的循环器连接在波导管上,使波导管和发射天线相匹配。硅控整流二极管天线用来收集微波并把它转换成直流电，这种天线在2.45GHz测试时曾经达到甚至超过90%的效率。,12,新型无线传
6、能技术及应用-分类及原理,太空-地面微波电能传输通过在太空安装一组的太阳能电池板，采集太阳能，然后以定向微波或激光技术源源不断地把能量传回地球接收处，再由接收处经过分配后把分配好的微波发送给用电处。,太阳光通过太阳能电池转换为直流电,直流电通过微波源转换为微波,微波传回地球，并被接收天线接收,用电处的接收天线将微波转换为直流电，再转换为交流电,接收天线把接收信号经过处理后传输给用电处的接收天线,13,新型无线传能技术及应用-分类及原理,3.地球电离层传输特斯拉尝试的方式，以天地为介质，通过空间电离层，将大功率能量传送到地球的任何一个角落。,1902年，特斯拉在纽约长岛建立沃登克里夫高塔，试图利
7、用电离层进行无线电能传输，建立一座“世界电力系统”，容量达750万千瓦。该系统实际采用频率150kHz的高频交流发射300kW功率，但失败了，原因是发射的功率太过发散。,14,新型无线传能技术及应用-电磁共振,共振磁耦合的理论依据：如果两个振荡电路具有相同频率，那么在波长范围内，是通过近场瞬逝波耦合。感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内允许能量高效地从一个物体传到另一个物体。由于共振波长远远大于振荡器尺寸，所以可以不受附近物体的影响。,15,新型无线传能技术及应用-电磁共振,系统由以下几部分组成：两个具有相同谐振频率的谐振器、驱动电路和输出电路。高频交流信号输入到驱动电路，驱动源振荡器通过电磁
8、感应从驱动电路获得能量，通过磁场共振强耦合，能量通过“隧道”被传递到接收器，与负载直接相连的输出电路通过电磁感应获得能量。系统设计基础在于两个振荡电路之间重叠存在的瞬逝波耦合，属于近场无损非辐射共振耦合。,16,新型无线传能技术及应用-电磁共振,传统电磁感应无线传输：给发射线圈施加一个交变激励，产生周围发散的交变磁场，交变磁场穿过接收线圈的部分在接收端感应出交变电流，完成电能传输。问题：辐射大，传输距离短；随传输距离增大，传输效率指数递减。,共振磁耦合无线传输：将磁共振与电磁感应相结合，发射线圈和接收线圈具有共同或近似的本征频率，给发射线圈施加一个本征频率的交变激励，产生的交变磁场由于磁共振作
9、用大部分传输到接收端，完成电能传输。理论上接近于点对点传输。优点：传输距离增大至几米，同时传输效率显著提高；对周围非共振物体辐射大大减小。,磁共振与物理共振相对应,17,静态充电、尼桑轿车用无线充电底盘、宝马-四门子无线充电概念车,安装高通公司充电板的电动汽车、美国橡树林实验室磁耦合共振充电汽车仿真模型,新型无线传能技术及应用-电磁共振应用,18,新型无线传能技术及应用-电磁共振应用,ANSYS高频有限元无线传能仿真模型,ANSYS整车仿真模型,19,新型无线传能技术及应用-电磁共振应用,电磁共振无线传能多物理场联合仿真模型,20,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,车载器件电磁共振充电
10、装置,21,(a) Four copper strips,(b) Four separated copper strips,(c) Four separated copper strips with small angular misalignment,(d) Four copper strips with large angular misalignment,(e) Twenty copper tapes,线圈、铜带布置和电磁分布,5种不同铜带布置仿真共振频率和空载品质因数。,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,22,应用于植入式深部脑刺激器的电磁共振充电器：空载品质因数Q的仿真数值为
11、227，自感约为11.6 uH.,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,23,网络分析仪测得的系统S参数以及Smithchart图,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,24,(a) at the center of the receiver box, (b) at the distance of 10 mm,(c) at the distance of 20 mm, (d) at the distance of 30 mm,(e) at the distance of 40 mm, (f) at the distance of 50 mm,(g) at the distance of
12、 60 mm, (h) at the distance of 70 mm,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,25,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,8月份已在实验室实现3米距离点亮9瓦灯泡，效率在50%左右，已达到特殊场合应用的要求。,26,新型无线传能技术及应用-电磁共振所做工作,(a),(b),(c),(d),带铁芯阵列线圈初步探索,27,新型无线传能技术及应用-电磁共振需解决问题,无线能量传输系统在工作时周围空间会存在高频电磁场，这就要求 系统本身具有较高的电磁兼容指标。系统要发生电磁兼容性问题，必 须存在三个因素，即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。所以，在遇 到电磁兼容
13、问题时，要从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一 个因素，就能解决电磁兼容问题。因此采取有效的抗干扰措施、屏蔽 技术、合理使用电磁波不同的频段、避免交叉，重叠等造成不必要的 电磁干扰。,28,新型无线传能技术及应用-电磁共振需解决问题,目前无线能量传输技术整体上传输的效率不高，主要原因是能量的控制比较困难，无法真正实现能量点对点的传送，在传输的过程中会散射等损耗一部分能量，能量转换 器的效率不高也是影响整个系统效率的关键因素。当然随着电子技术的不断进步，传 输的效率也会逐渐提高。,29,新型无线传能技术及应用-电容式充电,电容式充电原理图,电容式充电优势,30,新型无线传能技术及应用-电容式
14、充电,特点：高频kHZ，高电压kV，小电流mA,电容式无线充电,31,新型无线传能技术及应用-应用前景,32,新型无线传能技术及应用-应用前景,33,新型无线传能技术及应用-应用前景,Powercast公司研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电 池充电。,34,新型无线传能技术及应用-应用前景,同时充电的汽车数目有限,户外有线充电桩易受到侵害,建专用充电站占用大量用地,采用无线充电形式,35,新型无线传能技术及应用-应用前景,36,新型无线传能技术及应用-应用前景,随着低碳经济的到来，轨道交通将主导未来运输的发展的趋势。目 前，采用无线方式为轨道交通供电 也是目前的研究热点之一,37,经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be,写在最后,38,谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way,演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日,
