一种三线圈磁谐振式无线能量传输系统的小型化设计

针对植入式医疗设备、无线传感器以及手机等便携式电子设备的特殊应用,设计实现了一套基于三线圈结构的小型化非对称能量传输系统.基于三线圈系统的等效电路模型,推导了三线圈系统传输效率的表达式,分析了三线圈系统的传输特性和最大效率传输的耦合匹配条件.设计实现的系统接收线圈的外径仅为38.0 mm,厚度为0.6 mm,在10 mm距离下测得的传输效率达79.4%,在100 mm距离内传输效率超过50%.通过仿真和实验对比研究了接收端线圈垂直平移、水平平移和偏转对系统传输效率的影响.     

线圈方位对磁耦合谐振式无线电能传输系统性能影响分析

针对磁耦合谐振无线电能传输系统中线圈之间方位改变对系统传输性能的产生影响的问题,利用互感耦合模型,得出了互感系数与系统传输功率和效率的关系,进一步分析了轴向距离、径向距离和偏转角度的改变对传输性能造成的影响,并利用有限元软件进行仿真建模分析,研究表明：存在最佳的轴向和径向距离使得系统传输功率最大,而传输效率却随着轴向和径向距离的增大而减小;偏转角度在一定范围内,系统传输功率和效率基本不变,超出一定范围则逐渐较小,当偏转夹角为90°,传输功率和效率几乎为0。实验验证了理论分析的正确性,可为移动物体的无线充电系统设计和参数优化提供了有效的参考。     

线圈方位对磁耦合谐振式无线电能传输系统性能的影响

针对磁耦合谐振无线电能传输系统中线圈之间方位改变对系统传输性能的产生影响的问题,利用互感耦合模型,得出了互感系数与系统传输功率和效率的关系;进一步分析了轴向距离、径向距离和偏转角度的改变对传输性能造成的影响,并利用有限元软件进行仿真建模分析。研究表明:存在最佳的轴向和径向距离,使得系统传输功率最大;而传输效率却随着轴向和径向距离的增大而减小。偏转角度在一定范围内,系统传输功率和效率基本不变;超出一定范围则逐渐较小。当偏转夹角为90°,传输功率和效率几乎为0。实验验证了理论分析的正确性,可为移动物体的无线充电系统设计和参数优化提供了有效的参考。     

考虑非纯阻性负载阻抗匹配的无线充电系统

为了提高电能传输效率，提出一种基于动态电容和Boost-Buck变换器的无线充电非纯阻性负载阻抗匹配的方法。可根据负载变化来改变电容和Boost-Buck变换器开关管占空比，分别补偿负载的虚部与实部，从而达到最佳阻抗点以提高系统传输效率。在MATLAB/Simulink环境下搭建系统仿真模型，并建立系统实验平台。仿真与实验结果表明，当接不同性质负载时，所提出阻抗匹配方法的系统传输效率都比未进行阻抗匹配时的高，最大系统传输效率可达83.14%,比无阻抗匹配提升了3.21%。同时，在等效阻抗为18～35Ω时，系统传输效率均保持在80%以上，具有阻抗匹配范围大的性能。     

电动汽车无线充电系统SS型补偿拓扑研究

随着电动汽车的普及,电动汽车的无线充电技术受到了广泛的关注.磁耦合谐振式无线传输系统的传输功率大,传输距离适中,因此磁耦合谐振式无线充电技术普遍应用于电动汽车无线充电.磁耦合谐振式无线充电系统可视为松耦合变压器,系统的原、副边线圈之间存在较大的漏感,需要添加相应的补偿拓扑来提升系统的功率和传输效率.对SS型补偿拓扑进行分析,并通过Matlab软件对其进行仿真,分析在不同的负载、电感和频率下系统的输出功率、传输效率的改变.结果显示SS型补偿拓扑的磁耦合谐振式无线传输系统可以承受较大范围的频率波动,输出功率和传输效率也较高,表明该拓扑结构适用于电动汽车无线充电系统中.     

新人造肛门括约肌系统充电模块热分析与控制

仿耻骨式人造肛门括约肌系统(PAAS)采用经皮能量传输(TET)为集成在充电模块内部的锂电池进行充电,使系统可长期稳定地在活体内工作.很多体内实验表明,无线充电过程中产生的大量热量对PAAS植入后充电模块附近活体组织的生物安全性不利,故需对无线充电过程进行合理规划.本文通过分析充电模块内部各组件的热传导关系,建立充电模块内部热阻模型,并利用体外实验对该模型进行验证及修正,经修正后的模型可以可靠地描述充电过程中活体组织温度变化情况.基于修正后的模型,本文制定了体内实验过程中单次最大连续无线充电时间,从而提高体内实验中PAAS的生物安全性,进而延长PAAS植入时间.     

人工肛门括约肌无线供能系统设计与优化

基于电磁耦合原理,针对人造肛门括约肌系统,设计了一套无线供能系统.该系统主要包括无线能量发射端、接收端、整流模块、稳压模块和充电模块.研究了发射端的发射频率(40～120 kHz)对传输功率的影响,进而优化了稳压模块,并比较了锂电池充电效果.结果表明:在一定发射频率范围内,无线供能传输效率随着发射频率的增大而升高;发射频率为120 kHz时,传输效率可以达到57.47%,接收功率为1.12 W;锂电池能快速充电,为人造肛门括约肌系统提供稳定能量保障.     

基于铁氧体反射器的磁谐振无线能量传输效率的优化

为了改善磁耦合无线能量传输系统的传输效率随距离增加而快速衰减问题,提出一种基于铁氧体结构的优化设计方案.将四谐振体无线能量传输系统等效为二端口网络,分析推导了系统传输效率的表达式.仿真并设计制作了收发线圈直径为30cm的磁耦合无线能量传输系统,实测在30cm传输距离内传输效率达90%以上,在60cm处传输效率约40%,测试结果与仿真结果相吻合.在此基础上,保持原始系统的结构参数不变,引入基于铁氧体结构的磁反射面.研究了两种不同面积大小的磁反射面对系统传输效率的影响,发现不同面积的磁反射面对系统的传输效率有积极和消极两种影响.通过对铁氧体结构的优化设计,实现在30cm到90cm的传输距离内,相比原始系统传输效率最大有15%的提升.     

基于PWM控制的可调电感补偿的谐振式无线充电技术

磁耦合谐振式无线充电技术是电动汽车充电领域新的发展方向,与强耦合感应式无线充电技术相比,磁耦合谐振式无线充电方式传输距离更远,无辐射污染,穿透性强。然而,在定距离串并磁耦合谐振式无线充电装置中,当发射线圈与接收线圈的距离由于某种原因发生变化时,原方和副方的谐振频率不一致,需要实时调整补偿电容,才能保证工作在当前距离下的最大效率。在分析前述问题的基础上,提出了一种基于PWM控制可调电感补偿方案,并通过实验验证了该方法能在一定距离范围内有效提高系统在变距离中的传输效率。     

基于风光互补发电无线电能传输系统的研究与设计*

风光互补发电系统作为一种绿色能源可独立对外部供电,无线电能传输(Wireless Power Transfer)技术又提供了一种方便快捷的能量传输方式,本文结合两者的优点,将风光互补发电系统的输出作为WPT谐振电路的输入端,利用无线电能传输技术对负载供电,利用了绿色能源的同时又能节约电力运输成本。分析了磁耦合感应与磁耦合谐振之间的联系以及平面线圈频率分裂的相关因素,针对目前小型平面谐振无线充电设备随发射端和接收端距离的变化而产生传输波动的问题,在发射端采用XKT-408集成电路进行自动频率锁定,在发生频率分裂时调整线圈偏移角度可削弱两线圈的互感系数来抑制频率分裂现象,提高了接收线圈峰值电压。最后搭建了小光互补无线能量传输系统,在径向距离50mm处可成功对负载充电,该模型为基于风光互补发电无线充电系统的应用提供了参考。     

基于脉宽调变控制的可调电感补偿的谐振式无线充电技术

磁耦合谐振式无线充电技术是电动汽车充电领域新的发展方向,与强耦合感应式无线充电技术相比,磁耦合谐振式无线充电方式传输距离更远、无辐射污染、穿透性强。然而,在定距离串并磁耦合谐振式无线充电装置中,当发射线圈与接收线圈的距离由于某种原因发生变化时,原方和副方的谐振频率不一致,需要实时调整补偿电容,才能保证工作在当前距离下的最大效率。在分析前述问题的基础上,提出了一种基于脉宽调变(pluse-width modulation,PWM)控制可调电感补偿方案;并通过实验验证了该方法能在一定距离范围内,有效地提高系统在变距离中的传输效率。     

风光互补发电无线电能传输系统的研究与设计

风光互补发电系统作为一种绿色能源可独立对外部供电,无线电能传输(wireless power transfer)技术又提供了一种方便快捷的能量传输方式。结合两者的优点,将风光互补发电系统的输出作为WPT谐振电路的输入端,利用无线电能传输技术对负载供电,利用了绿色能源的同时又能节约电力运输成本。分析了磁耦合感应与磁耦合谐振之间的联系以及平面线圈频率分裂的相关因素,针对目前小型平面谐振无线充电设备随发射端和接收端距离的变化而产生传输波动的问题,在发射端采用XKT-408集成电路进行自动频率锁定,在发生频率分裂时调整线圈偏移角度可削弱两线圈的互感系数来抑制频率分裂现象,提高了接收线圈峰值电压。最后搭建了风光互补发电无线能量传输系统,在径向距离50 mm处可成功对负载充电,该模型为风光互补发电无线充电系统的应用提供了参考。     

超颖材料特性对无线电力传输系统的影响

为了提高无线电力传输系统的传输效率和增大传输距离,在无线电力传输系统中采用了超颖材料.从负折射率和倏逝波出发,通过公式推导和仿真分析,探讨了超颖材料对倏逝波的增强效应.结果表明:当磁导率为负值时,超颖材料对倏逝波磁场的增强效应可使耦合系数成倍增大;而负的介电常数所引起的电场增强效应对耦合系数的影响较小;在现有无线电波段工作频率和厘米量级的传输距离条件下,负折射效应无法提高耦合系数,即无法提高传输效率,而需要制作工艺相对简单、磁导率为负的单负材料,以达到提高无线电力传输效率的目标.     

温度与功率双闭环控制的经皮能量传输

经皮能量传输(TET)在近年临床实践中暴露出严重的热伤害风险,引发了多例病人烫伤及大规模的设备召回。针对该问题,该文将体外发射功率调整与体内充电功率调整相结合,提出外环温度控制、内环功率控制的双闭环能量传输方案。根据植入线圈的接收功率调整体外发射功率,确保植入设备接收的能量恰好满足后端电池充电所需,维持稳定能量传输并避免额外功耗及发热;根据植入设备温度调整体内电池充电功率,改变设备的功率需求及发热量,避免热伤害。通过离体、活体实验,验证控制方案的有效性。结果表明,双闭环系统在保障温度安全的同时实现了快速的能量传输,为相关植入式医疗设备提供了一套安全有效的能源解决方案。     

基于计算流体力学的总静压复合探针设计及试验分析研究

针对航空发动机及燃气轮机内流场压力测试探针尺寸小、测点多、高精度、高可靠性的要求,基于计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真分析手段,根据圆柱绕流的特点,对不同直径的探针进行了气动性能分析,研究其表面压力分布规律,根据CFD分析结果确定了总静压复合探针设计方案并加工了试验件,试验件的风洞校准试验分析结果表明：在来流无偏角的情况下,马赫数Ma为0.2～0.6的范围内,Φ10 mm探针静压孔角度在±50°时、Φ12 mm探针静压孔角度在±47.5°时、Φ14 mm探针静压孔角度在±45°时(Φ为探针支杆直径),测量误差在±1%以内,可满足一般试验的精度要求。另外,在满足探针±1%的测量误差的前提下,Φ10 mm探针静压测量不敏感角在Ma为0.2～0.5范围内,可达到±18°;在Ma为0.6时,能达到±15°。Φ12 mm和Φ14 mm探针静压测量不敏感角在Ma为0.2～0.4范围内,可达到±18°;在Ma为0.5时,能达到±12°;在Ma为0.6时,可达到±3°。探针的总压测量误差在Ma为0.2～0.6、±15°的偏转角度范围内可达到±0.3...     

无线充电系统电能传输距离的研究

针对双线圈无线充电系统电能传输距离较短的问题,采用增加中继线圈的方法来提高传输距离,首先利用电路互感理论对系统进行建模分析,分别推导出系统传输效率关于线圈间距的函数表达式,然后通过编程仿真分析其变化关系,最后进一步利用Matlab搭建系统模型验证其可行性,仿真结果表明:在系统传输效率较高且稳定的情况下,相比双线圈系统,带中继线圈的系统可以使传输距离提高0.2 m.     

低功耗微型胶囊内窥镜图像采集系统设计

为实现在消化道疾病检查时延长胶囊内窥镜的可工作时长,研究并设计了一种具有五维磁定位功能的基于OV2640及STM32系列低功耗MCU的胶囊内窥镜无线图像采集传输系统。该系统由胶囊内窥镜本体和体外图像接收端组成,硬件上选取低功耗的MCU为STM32L4R5及低功耗射频收发芯片nRF24L01和CMOS图像传感器OV2640。同时针对功耗较大的闪光拍照、无线收发部分进行了软件设计。该系统直径为12 mm、长度24 mm,每秒传输图片2帧,最大稳定通讯距离2 m,定位精度1. 37 mm,定向精度为3. 39°。实验表明:该系统可获取压缩后传送的清晰图像,测试功耗为99 m W,降功耗后延长了可工作时长,满足了胶囊内窥镜图像采集系统低功耗实时图像采集传输的要求。     

多媒体无线设备感应充电装置设计

感应充电电源是通过电磁波进行电能传输的装置,其包括高频激发和接收两个部分.文中以推挽式电路结构为原型,设计了感应充电装置,并利用耦合感应器的漏感与串联补偿电容实现串联谐振.控制电路中采用了脉宽调制芯片与单片机技术,完成了感应充电谐振点频率的跟踪与输出功率的稳定控制.这样克服了松耦合变压器的漏感大,耦合系数随着耦合的松紧而实时改变,电磁干扰大,变换器效率低等缺点.经实验验证,在24 V交流电源供电下,初级次级线圈耦合的距离从2 mm至100 mm都能完成充电控制,结果表明该装置及其控制方法具有好的推广价值.     

双折射光子晶体光纤中不同偏振角导致的脉冲俘获

基于耦合非线性薛定谔方程,研究了双折射光子晶体光纤中单个光脉冲的非线性传输.当输入脉冲位于反常色散区且偏振角偏离光纤快轴0°和90°时可观察到脉冲俘获现象,脉冲俘获效率在偏振角为45°时最小,当脉冲的入射角度互余时,小角度的脉冲俘获效率更高.此外,增加输入脉冲功率俘获脉冲能够获得更大的频谱偏移.     

磁耦合谐振式无线电能传输系统特性研究

在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时,其参数选择对系统传输性能至关重要.对发射与接收端都采用串联电路模型来分析其传输特性,得出系统频率、传输距离和负载电阻与传输功率及传输效率的关系方程.通过仿真发现系统频率的改变对传输功率的作用更为显著,不同的负载电阻对应一个最佳传输距离使得传输功率最大.基于NE555多谐振荡器设计了一套频率可调的无线电能传输装置,通过实验验证了仿真分析的合理性,研究结果可指导磁耦合谐振式无线电能传输系统选择合适的频率、传输距离及负载电阻,使得传输性能较优.