無線電能傳輸技術及應用講解課件

單擊此處編輯母版標題樣式,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,*,*,無線電能傳輸技術及應用,姓名：李灝,專業(yè)：機械電子工程,學號：,SX1505101,無線電能傳輸技術及應用 姓名：李灝 專業(yè)：機械電子工程 學號,主要內(nèi)容,1,3,無線電能傳輸技術簡介,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)療器械中的應用,主要內(nèi)容 1 3 無線電能傳輸技術簡介 磁耦合諧振式無線電能,無線電能傳輸技術簡介,電能的無線傳輸這一概念的提出最早可以追溯到,19,世紀,末期。,1893,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，美國麻省理工學院,(Massachusetts Institute of Technology)MIT),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,方面取得了新進展。他們“隔空”點亮了,1,盞離電源,2m,開外的,60W,燈泡,，效率達到了,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。,無線電能傳輸技術簡介,MIT,無線電能傳輸裝置和實驗組成員,2007年，美國麻省理工學院(Massachusetts I,無線電能傳輸技術簡介,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,感應式,超聲波等,無線電能傳輸分類,無線電能傳輸技術簡介 無線電能傳輸 電磁輻射式 無線電波 激,無線電能傳輸技術簡介,空間太陽能發(fā)電站,SHARP,項目中微波供電樣機,微波輻射式無線電能傳輸及相關應用,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,無線電能傳輸技術簡介 空間太陽能發(fā)電站 SHARP項目中微波,無線電能傳輸技術簡介,感應耦合式無線電能傳輸及相關應用,感應式無線電能傳輸技術就是利用了法拉第電磁感應定律，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，進而產(chǎn)生交,變磁場，變化的磁場在輸出線圈感應出電動勢，完成無線電能傳輸，,整個過程是電能一磁場能一電能的轉(zhuǎn)化方式。,應用,充電式電,動汽車,植入電,子藥療,個人電子,消費產(chǎn)品,日常家,電,無線電能傳輸技術簡介 感應耦合式無線電能傳輸及相關應用,無線電能傳輸技術簡介,充電式電動汽車,諾基亞,Lumia920,無線充電,無線電能傳輸技術簡介 充電式電動汽車 諾基亞Lumia920,無線電能傳輸技術簡介,電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術,是由麻省理工學院,(MIT,）,Marin Soljacic,教授于,2006,年美國物理學會工業(yè)物理論壇上首次提出,的，其工作原理是利用兩個具有相同諧振頻率且具有高品質(zhì)因數(shù)的電磁,系統(tǒng)，當發(fā)射線圈以某一特定頻率工作時，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，當接收線圈上接有負載時，負載,會將一部分能量吸收，從而實現(xiàn)了電能的無線傳輸。,無線電能傳輸技術簡介 電磁耦合諧振式無線電能,無線電能傳輸技術簡介,MIT,螺旋式無線電能傳輸樣機,美國高通公司生產(chǎn)的多終端充電臺,海爾無尾電視,無線電能傳輸技術簡介 MIT螺旋式無線電能傳輸樣機 美國高通,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性,一、基本傳輸結構,1.,兩線圈結構,2.,四線圈結構,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 一、基本傳輸結構 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最基本的實現(xiàn)方式是采用兩線圈結構，即直,接將高頻電源與發(fā)射線圈連接，負載與接收線圈連接，通過線圈本身的分,散電容或集中補償電容實現(xiàn)諧振，采用兩線圈結構的電路模型簡單，系統(tǒng),設計簡單。但是，采用兩線圈結構模型，將嚴重限制系統(tǒng)的傳輸距離，盡,管實現(xiàn)諧振，系統(tǒng)的傳輸距離也很難滿足要求，因為當系統(tǒng)只有發(fā)射線圈,與接收線圈時，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構模型，四線圈結構是在兩,線圈結構的基礎上增加了電源線圈和負載線圈，之所以采用四個線圈的結,構，是因為當發(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)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)場的電磁場強度較強，遠區(qū),場為弱場，進入遠區(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。從這個角度也,可說明磁諧振耦合式無線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?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,利用兩線圈結構的等效電路圖，根據(jù)基爾霍夫,定律，可得到兩線圈結構的回路方程：,當電源頻率等于系統(tǒng)自諧振頻率時，發(fā)生諧,振，此時有：,方程組可進一步簡化，從而解出整個系統(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，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。相比于感應式，該方法傳輸,距離較遠,;,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，,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來更換電池，而有些患者由于年事已高或,者其他原因不宜再次手術，即使可以手術也會帶來一定的風險。,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應用 植入式電子裝置 1.,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應用,無線電能傳輸?shù)奶攸c非常適用于醫(yī)學式植入式,電子器件領域：,?,只有當接收線圈存在且與發(fā)射接收線圈具有相同的諧,振頻率時才能實現(xiàn)能量的傳遞，而非該特定頻率的物,體則基本不受影響。,?,由于該技術屬于近場無損非輻射諧振耦合，相比于電,磁感應、體導電等方法，它具有更遠的傳輸距離和更,高的傳輸效率。,?,該技術在能量傳輸?shù)倪^程中不受非導磁性障礙物的影,響，這就表示它具有一定的穿透力，可以應用于譬如,生物組織內(nèi)部等視線達不到的地方。,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應用 無線電能傳輸,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應用,2011,年，美國華盛頓大學、匹茲堡大學醫(yī)學中心與英特爾宣布，利用磁耦合諧振,無線電能傳輸技術，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上進行了改進，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行了實驗,研究。結果顯示，能夠以,80%,的傳輸效率穩(wěn)定施供電。如果把該技術與容量可為人工,心臟供電約,2,個小時的蓄電池組合使用，電源線就無需探出體外感染的風險會因此而驟,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、可在泳池游泳,。而且該技術將不僅限于人工心臟，在其他的醫(yī)學領域也會有較為廣泛的應用。,美國兩所大學與英特爾試,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)療器械中的應用 20,無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應用,植入式人工心臟無線電能傳輸臨床試驗中出現(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)離臨床應用還很遠。,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)療器械中的應用 植入式人工心臟無線電能傳,謝謝觀看,謝謝觀看,