无线充电小车设计报告.docx

摘要：本文设计了一辆基于电磁感应原理的无线充电小车；基于电磁感应原理，借助发射线圈和接收线圈的能量耦合来实现电能的传递，并将电能输送给储能元件，在控制元件的操纵下，小车在电量充满后自启动。关键词：电磁感应；无线充电；能量耦合；自启动目录一、方案论证41.1 整体方案论述41.2 无线充电5方案1电磁感应方式5方案2电磁共振方式5方案确定：结合题目对小车的要求及两种无线充电方式的差别，采用电磁感应充电方式。51.3 整流电路5方案1半波整流电路5方案2桥式整流电路51.4 自启动5方案1单片机控制5方案2继电器控制6二电路设计62.1 基本工作原理62.2 电磁感应无线电能传输模型62.4 单元电路设计7（1）能量发送单元7（2）能量接收单元7（3）自启动单元7三测试方法与测试结果83.1 测试仪器8（1）恒压源恒流源（2）数字示波器（3）电表（4）木板83.2 测试结果8充电时间与电容电压有如下对应关系：83.3 测试结果分析：8通过测试可以发现：8（1）将自启动装置设置得尽可能快速、准确；9（2）充电线圈匝数在合理的范围内尽可能多；9（3）接收线圈与发射线圈的距离尽可能低，减少能量损耗；9四竞赛设计总结9五参考文献：9附录一：9附录二：10一、方案论证1.1 整体方案论述首先，交流电输送至发送线圈，接收线圈感应到电能，并将电能经过整流电路输送给电容，给电容充电；继电器与发送线圈相连，在充电时间到达后，继电器断电，使触点闭合，负载电路接通，电机启动，小车运行；整体方案流程如1.2 无线充电方案1电磁感应方式优点：设备制作简单，电能传输效率高；能够实现近距离电能传输；缺点：无法进行远距离电能传输；方案2电磁共振方式优点：能够实现远距离电能传输，使用灵活；缺点：电能传输效率不高，设备复杂不稳定；方案确定：结合题目对小车的要求及两种无线充电方式的差别，采用电磁感应充电方式。1.3 整流电路方案1半波整流电路优点：电路简单，便于建立；缺点：在一个周期内只能转化半个周期的直流，转化效率低；方案2桥式整流电路优点：能够在一个周期内将交流电转化为直流电，转化效率高；缺点：电路较半波整流电路复杂；方案确定：结合充电效率和题目对小车的要求，整流采用桥式整流法；1.4 自启动方案1单片机控制优点：控制准确，稳定性良好;缺点：能耗高;方案2继电器控制优点：稳定性好，能耗低，设备简单；缺点：对搭载技术要求高方案确定：由于采用电磁感应无线充电方式，要求电能损耗尽可能低，同时设备实用，简单可靠；综上采用继电器控制方式。二电路设计2.1 基本工作原理基于电磁感应原理，变化的电场可以产生磁场，变化的磁场可以产生电场；以变压器为例，如图2,左侧为输入端（原边），变化的电流I。产生变化的磁场；磁场以铁芯为介质传递至右侧（右侧），磁场变化，在右侧产生感应电流，从而实现电能的传输。图1本电能传输系统与变压器类似，区别在于，本系统的磁场传递介质为空气，而非铁芯，原边与副边未连接，变化的电流流经发射线圈，产生磁场，磁场以空气为介质传递至接收线圈，在接受线圈中产生感应电流。2.2 电磁感应无线电能传输模型2.3 整流电路图3如图，为全桥整流电路，在一个周期内，正半周期流经二极管后，在负载端产生上正下负的直流电；负半周期流经二极管后，在负载端产生上正下负的直流电；从而实现将交流转化为直流的目的；2.4 单元电路设计(1)能量发送单元交流电输送至线圈，由于是交变电流，基于电磁感应原理，交变的电流在线圈上产生变化的磁场；电路图见附录一。(2)能量接收单元变化的磁场以空气为介质传递至接收线圈，接收线圈感应变化的磁场产生变化交变电流，交变电流流经全桥整流电路形成直流电压，从而对电容充电；电路图见附录二。（3）自启动单元继电器线圈部分串接在发送线圈电路中，开关部分即为负载电路开关，放置在小车上，初状态为电路闭合状态；充电过程中，继电器线圈接点，使开关闭合，负载电路变为断开状态；充电结束后，继电器线圈断电，是开关断开，即变为初状态，负载电路接通，小车运行；电路原理图见附录三。三测试方法与测试结果3.1 测试仪器（1）恒压源恒流源（2）数字示波器（3）电表（4）木板3.2 测试结果（1）恒压源设置为5V,连接发射线圈，用电压表测试电容两端电压；电容两端电压随充电时间的增加而平稳增加，充电电流低于1A。充电时间与电容电压有如下对应关系：充电时间/s1530455560电容电压v1.12.84.04.75（2）小车经木板运行测试：在45度范围内，小车能平稳地在木板上爬行；经测试小车爬行高度随木板角度的变化关系为:木板角度/。2025303540爬行高度/cm9695949290注：爬行高度=爬行长度*sin（木板角度）（3）小车在平地上能够快速平稳运行，运行距离约为50米;3.3 测试结果分析:通过测试可以发现：（1）电容电量随充电时间的增加而增加，且随充电时间的延长，电容电量的增加量越来越低。（2）爬坡高度随模板角度的增加而略有下降；为获得最佳效果，可得以下改进方法：（1）将自启动装置设置得尽可能快速、准确；（2）充电线圈匝数在合理的范围内尽可能多；（3）接收线圈与发射线圈的距离尽可能低，减少能量损耗；四竞赛设计总结小车的设计总体上满足了目标任务要求，能够实现无线充电，自启动，平稳运行和爬坡；但也存在着一些不足：一方面由于线圈之间的间隙是的有一定的能量流失；小车的重量有限，要提升爬坡高度，一方面可以增加轮胎的摩擦力，另一方面增加小车负载，从而实现小车在木板上摩擦力的增加，但无法实现高负载的同时实现电能的节省，只能在小车重量、电能损耗和爬坡高度之间取平衡。五参考文献：（1）模拟电子技术基础童诗白，华成英，高等教育出版社（2）电力电子技术王兆安，进军，机械工业出版社（3）无线电能传输技术及其应用杨庆新，机械工业出版社（4）电磁场与电磁波谢处方，饶克谨，高等教育出版社附录一:发射端电路附录二：接收端电路附录三:自启动电路原理图维电三10