無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用講解課件

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用,姓名：李灝,專業(yè)：機(jī)械電子工程,學(xué)號：,SX1505101,無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用 姓名：李灝 專業(yè)：機(jī)械電子工程 學(xué)號,主要內(nèi)容,1,3,無線電能傳輸技術(shù)簡介,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,2,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用,主要內(nèi)容 1 3 無線電能傳輸技術(shù)簡介 磁耦合諧振式無線電能,無線電能傳輸技術(shù)簡介,電能的無線傳輸這一概念的提出最早可以追溯到,19,世紀(jì),末期。,189

2、3,年，,Nikola Tesla,在芝加哥舉行的世界博覽會,上首次展示了通過無線方式供電的熒光照明燈。,1891,年,Tesla,向外展示無線傳輸原理,無線電能傳輸,(wireless power,transfer,WPT),又稱為無接觸,式電能傳輸,(contactless,power transfer CPT),，指的是,電能從電源到負(fù)載的一種沒有,經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸,方式。無線電能傳輸一直是人,類的夢想。,無線電能傳輸技術(shù)簡介 電能的無線傳輸這一概念的提出最早可以,2007,年，美國麻省理工學(xué)院,(Massachusetts Institute of Technology)MI

3、T),的,Marin Soljacic,教授等人基于磁耦合諧振原理在中等距離無線電能傳輸,方面取得了新進(jìn)展。他們“隔空”點(diǎn)亮了,1,盞離電源,2m,開外的,60W,燈泡,，效率達(dá)到了,40%,，并在,Science,雜志上發(fā)表了其研究成果，引起了,世界轟動。隨后，世界各地的研究人員對無線電能傳輸開展了越來越多,的研究。,無線電能傳輸技術(shù)簡介,MIT,無線電能傳輸裝置和實(shí)驗(yàn)組成員,2007年，美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts I,無線電能傳輸技術(shù)簡介,無線電能傳輸,電磁輻射,式,無線電波,激光,電場耦合,式,磁場耦合,式,諧振式,感應(yīng)式,超聲波等,無線電能傳輸分類,無線電能傳輸技術(shù)簡

4、介 無線電能傳輸 電磁輻射式 無線電波 激,無線電能傳輸技術(shù)簡介,空間太陽能發(fā)電站,SHARP,項(xiàng)目中微波供電樣機(jī),微波輻射式無線電能傳輸及相關(guān)應(yīng)用,微波轉(zhuǎn)換,裝置,DC/AC,無線發(fā)射,與聚焦系,統(tǒng),無線接收,微波轉(zhuǎn)換,裝置,AC/DC,能量,輸入,能量,輸出,無線電能傳輸技術(shù)簡介 空間太陽能發(fā)電站 SHARP項(xiàng)目中微波,無線電能傳輸技術(shù)簡介,感應(yīng)耦合式無線電能傳輸及相關(guān)應(yīng)用,感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)就是利用了法拉第電磁感應(yīng)定律，將輸,入線圈與輸出線圈臨近放置，使輸入線圈流入交變電流，進(jìn)而產(chǎn)生交,變磁場，變化的磁場在輸出線圈感應(yīng)出電動勢，完成無線電能傳輸，,整個(gè)過程是電能一磁場能一電能的轉(zhuǎn)化方

5、式。,應(yīng)用,充電式電,動汽車,植入電,子藥療,個(gè)人電子,消費(fèi)產(chǎn)品,日常家,電,無線電能傳輸技術(shù)簡介 感應(yīng)耦合式無線電能傳輸及相關(guān)應(yīng)用,無線電能傳輸技術(shù)簡介,充電式電動汽車,諾基亞,Lumia920,無線充電,無線電能傳輸技術(shù)簡介 充電式電動汽車 諾基亞Lumia920,無線電能傳輸技術(shù)簡介,電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù),是由麻省理工學(xué)院,(MIT,）,Marin Soljacic,教授于,2006,年美國物理學(xué)會工業(yè)物理論壇上首次提出,的，其工作原理是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率且具有高品質(zhì)因數(shù)的電磁,系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射線圈以某一特定頻率工作時(shí)，在與之相距一定的距離的接,收線圈通過分布式電容與電感的耦

6、合作用，產(chǎn)生電磁耦合諧振，高頻電,磁能量在兩線圈之間發(fā)生大比例交換，當(dāng)接收線圈上接有負(fù)載時(shí)，負(fù)載,會將一部分能量吸收，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。,無線電能傳輸技術(shù)簡介 電磁耦合諧振式無線電能,無線電能傳輸技術(shù)簡介,MIT,螺旋式無線電能傳輸樣機(jī),美國高通公司生產(chǎn)的多終端充電臺,海爾無尾電視,無線電能傳輸技術(shù)簡介 MIT螺旋式無線電能傳輸樣機(jī) 美國高通,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,一、基本傳輸結(jié)構(gòu),1.,兩線圈結(jié)構(gòu),2.,四線圈結(jié)構(gòu),磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 一、基本傳輸結(jié)構(gòu) 1.,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,諧振式無線電能傳輸技術(shù)最基本的實(shí)現(xiàn)方式是采用兩線圈結(jié)構(gòu)，即直

7、,接將高頻電源與發(fā)射線圈連接，負(fù)載與接收線圈連接，通過線圈本身的分,散電容或集中補(bǔ)償電容實(shí)現(xiàn)諧振，采用兩線圈結(jié)構(gòu)的電路模型簡單，系統(tǒng),設(shè)計(jì)簡單。但是，采用兩線圈結(jié)構(gòu)模型，將嚴(yán)重限制系統(tǒng)的傳輸距離，盡,管實(shí)現(xiàn)諧振，系統(tǒng)的傳輸距離也很難滿足要求，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)只有發(fā)射線圈,與接收線圈時(shí)，隨著兩線圈距離的微小增加，兩線圈之間的耦合系數(shù)將急,劇減小，從而使傳輸效率急劇下降。,為了提高傳輸距離，研究人員提出四線圈結(jié)構(gòu)模型，四線圈結(jié)構(gòu)是在兩,線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了電源線圈和負(fù)載線圈，之所以采用四個(gè)線圈的結(jié),構(gòu)，是因?yàn)楫?dāng)發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離提高到中等距離后，雖然兩,線圈之間的耦合系數(shù)很小，但是可以通過調(diào)

8、整電源線圈與發(fā)射線圈的耦合,系數(shù)以及接收線圈與負(fù)載線圈的耦合系數(shù)，保證系統(tǒng)獲得最佳的阻抗匹配,，從而獲得較高的傳輸效率。,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 諧,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,二、近場理論,磁諧振耦合無線電能傳輸是在,近區(qū)場進(jìn)行的，在近區(qū)場電磁場能,量不向外輻射，即非輻射性磁耦合。,另外，近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度較強(qiáng)，遠(yuǎn)區(qū),場為弱場，進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)場的電磁場波將不能返回對,線圈產(chǎn)生諧振作用，而在近區(qū)場電磁場的能量基,本上在發(fā)射端與接收端之間周期性的來回流動。,距離發(fā)射線圈中心,的范圍內(nèi)為系統(tǒng)傳輸電能的有效,區(qū)域，超出此區(qū)域系統(tǒng)將不能有效地傳送電能。從這個(gè)角度也,可說明磁諧振耦合式無線

9、輸電的距離主要是在近場區(qū)。,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 二、近場理論,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,三、耦合模理論,磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)是耦合模理論,(Coupled-Mode,Theory),，其基本思想是在兩諧振模式間通過恰當(dāng)?shù)伛詈希摧d流線圈之,間通過彼此磁場的相互聯(lián)系，在某一確定頻率下產(chǎn)生諧振，形成能量在,兩個(gè)諧振腔之間的全轉(zhuǎn)移，從而獲得高效率的能量轉(zhuǎn)移，而其他偏離諧,振頻率的物體之間的相互作用較弱，對能量傳輸影響較小。,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 三、耦合模理論,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,四、電路理論,利用兩線圈結(jié)構(gòu)的等效電路圖，根據(jù)基爾霍

10、夫,定律，可得到兩線圈結(jié)構(gòu)的回路方程：,當(dāng)電源頻率等于系統(tǒng)自諧振頻率時(shí)，發(fā)生諧,振，此時(shí)有：,方程組可進(jìn)一步簡化，從而解出整個(gè)系統(tǒng)。,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 四、電路理論 利用兩線,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,五、磁耦合諧振式無線傳輸特性,磁耦合諧振式無線電能傳輸,(magnetically-coupled resonant,wireless power transfer,MCR-WPT),利用諧振原理，使得其在,中等距,離,（傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍,),傳輸時(shí)，仍能得到,較高,的效率和較大的功率,，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影,響。相比于感應(yīng)式，該方法傳

11、輸,距離較遠(yuǎn),;,相比于輻射式，其,對電,磁環(huán)境的影響較小,，且功率較大。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，,MCR-WPT,得到越來越多的研究。,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 五、磁耦合諧振式無線傳,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用,植入式電子裝置,1.,植入式刺激器,2.,植入式電子測量系統(tǒng),3.,植入式藥療裝置,4.,植入式人工器官及輔助裝置,心臟起搏器、除顫器,膠囊內(nèi)窺鏡,植入式注射泵,人工心臟、人工耳蝸,目前市面上的一些植入式醫(yī)學(xué)電了裝置均采用鋰電池供電，這種,內(nèi)置電池供電方式的最大缺點(diǎn)就是使用壽命的限制，一旦電池能量耗,盡，人們只能通過再次手術(shù)來更換電池，而有些患者由于年事已高或,者其他原

12、因不宜再次手術(shù)，即使可以手術(shù)也會帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用 植入式電子裝置 1.,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用,無線電能傳輸?shù)奶攸c(diǎn)非常適用于醫(yī)學(xué)式植入式,電子器件領(lǐng)域：,?,只有當(dāng)接收線圈存在且與發(fā)射接收線圈具有相同的諧,振頻率時(shí)才能實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，而非該特定頻率的物,體則基本不受影響。,?,由于該技術(shù)屬于近場無損非輻射諧振耦合，相比于電,磁感應(yīng)、體導(dǎo)電等方法，它具有更遠(yuǎn)的傳輸距離和更,高的傳輸效率。,?,該技術(shù)在能量傳輸?shù)倪^程中不受非導(dǎo)磁性障礙物的影,響，這就表示它具有一定的穿透力，可以應(yīng)用于譬如,生物組織內(nèi)部等視線達(dá)不到的地方。,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中

13、的應(yīng)用 無線電能傳輸,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用,2011,年，美國華盛頓大學(xué)、匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與英特爾宣布，利用磁耦合諧振,無線電能傳輸技術(shù)，共同試制出了植入式人工心臟使用的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一般的,直徑為數(shù)十厘米諧振線圈的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在人工心臟上安裝了直徑,4.3cm,的接收,線圈，并且將其放入模擬人體組織環(huán)境的容器中，對能否從容器外部供電進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),研究。結(jié)果顯示，能夠以,80%,的傳輸效率穩(wěn)定施供電。如果把該技術(shù)與容量可為人工,心臟供電約,2,個(gè)小時(shí)的蓄電池組合使用，電源線就無需探出體外感染的風(fēng)險(xiǎn)會因此而驟,降。而且，在蓄電池未耗盡期問，患者還可以取下電源系統(tǒng)，可淋浴、

14、可在泳池游泳,。而且該技術(shù)將不僅限于人工心臟，在其他的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也會有較為廣泛的應(yīng)用。,美國兩所大學(xué)與英特爾試,制成功人工心臟無線供電,系統(tǒng),無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用 20,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用,植入式人工心臟無線電能傳輸臨床試驗(yàn)中出現(xiàn)了幾大問,題：,線圈方位敏感,環(huán)境參數(shù)敏感,植入性和便攜性難題,電磁兼容問題,如果上述問題得不到妥善解決，就無法在患者自由活動的情況下提,供可靠而持續(xù)的無線電能傳輸，患者體內(nèi)就需要植入備用電池，無,線電能傳輸可能就失去其優(yōu)勢。到目前為止，基于磁耦合諧振的人,工心臟無線電能傳輸系統(tǒng)離臨床應(yīng)用還很遠(yuǎn)。,分布式,FREE-D,人工心臟無線電能傳輸概念系統(tǒng),無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用 植入式人工心臟無線電能傳,謝謝觀看,謝謝觀看,