CN107067914A - 电磁感应与电磁谐振对比实验系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁谐振无线充电装置技术领域，尤其涉及一种电磁感应与电磁谐振对比实验系统及其实验方法，包括开关电源、信号发生模块、高频发射模块、发射线圈、谐振线圈、负载小车、232通讯模块、蓝牙接收模块、单片机微型处理模块、显示屏、水平跑道、刻度尺、电源管理模块、单片机A\D采集模块、蓝牙发送模块、调频旋钮.本装置使学生更加清晰直观的明白电磁感应、电磁谐振、电磁场、高频电力电子、电磁感应的意义。

Description

电磁感应与电磁谐振对比实验系统及其实验方法

技术领域

本发明涉及电磁谐振无线充电装置技术领域，尤其涉及一种电磁感应与电磁谐振对比实验系统及其实验方法。

背景技术

无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，它集基础研究与应用研究为一体，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科、前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多技术。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。而无线电能传输可分为三种，第一种为电磁感应式电能传输，它利用变压器原理进行传能，发射端与接收端，一般存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁感应技术和电磁谐振技术在实际应用中非常普遍，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究，但是没有相应的配套实验装置测得精确的实验数据进行性能对比。对比这两种供电方法的优缺点。

电磁谐振技术和电磁感应技术也是高等院校中电工基础、电路原理以及高频电路等课程中都涉及到的一个重要的知识点和授课难点，而目前高校电子电路实验中关于电磁谐振技术和电磁感应技术的实验研究却很少。教师基本采用讲授模式进行理论讲解和公式推导，缺少配套实验装置给学生清晰直观的演示和实验练习，更谈不上对电磁谐振式传能方式和电磁感应式传能方式之间的对比，无法从直观和确切的实验数据进行学习和理解，例如专利文献：CN106448376A中提到：一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，点亮发光二极管，通过点亮发光二极管静态形式展示无线传输，却不能以动态形式进行直观展示无线传能的效果，更不能做电磁谐振式传能方式和电磁感应式传能方式之间的对比实验。

本发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种电磁感应与电磁谐振对比实验系统及其实验方法，便于教学，能够使学生直观的观察到电磁谐振和电磁感应之间的区别。

本发明的为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种电磁感应与电磁谐振对比实验系统，其特征在于，包括开关电源、信号发生模块、高频发射模块、发射线圈、谐振线圈、负载小车、232通讯模块、蓝牙接收模块、单片机微型处理模块、显示屏、水平跑道、刻度尺、电源管理模块、单片机A\D采集模块、蓝牙发送模块、调频旋钮；

所述的开关电源，采用的是可同时输出24V1A 5V1A的开关电源，作为本装置的主要能量来源；

所述的信号发生模块由高频振荡模块和高频调节模块组成为本装置提供可调的高频振荡信号；

所述高频发射模块使高频振荡信号放大后传递给发射线圈，发射线圈垂直于水平跑道安装，把电能转化为高频磁场能发射出去；

所述谐振线圈为五个或六个，垂直于水平跑道且线圈间间隔摆放；

所述接收线圈垂直固定在负载小车上，负载小车在所述水平跑道上移动，所述接收线圈把空间高频交变磁场接收转换为高频电流，高频电流经电源管理模块转化为直流电供负载小车使用；

所述单片机A\D采集模块用于采集负载小车上接收线圈的电能参数，并通过所述蓝牙发送模块发送给所述蓝牙接收模块；

所述蓝牙接收模块把接收的电能参数经过单片机微型处理模块处理后，经232通讯模块传输到显示屏，显示效率变化及对应的电能参数；

所述刻度尺平行设置在所述水平跑道的一侧；

所述调频按钮与高频发射模块连接，调频按钮共设置三个档位，分别为：0档位、谐振档位、非谐振档位，其中0档位为无输入频率，谐振档位是指输出使装置达到电磁谐振时的频率，非谐振档位是指输出使装置工作在非谐振状态下的频率。

优选地，所述的发射线圈能够把高频磁场发射出去，其采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为250mm匝数4匝，线圈垂直于跑道摆放，放在跑道顶端与刻度尺0刻度平齐。

优选地，所述谐振线圈采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为250mm匝数2匝，线圈各自独立无电源线连接，线圈垂直于跑道，谐振线圈与发射线圈平行间隔50mm安装，线圈与线圈之间平行摆放间隔5厘米。

优选地，所述接收线圈采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为150mm匝数2匝，线圈垂直于负载小车部分嵌入负载小车的外壳。

一种电磁感应与电磁谐振对比实验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一；首先把小车放在发射线圈的起始端车头与发射线圈及测量尺零刻度处平齐，启动开关电源；

步骤二；等待装置启动就绪后旋转调频旋钮从零频率档位刻度至谐振档位，此时小车从发射线圈端零刻度处前进直至停止；

步骤三；通过刻度尺来读取小车运动距离；

步骤四；此时观察显示屏上的效率曲线及电能参数包括开路电压、短路电流；

步骤五；把调频旋钮手动复位至0频率档位，装置其他各部整体复位；

步骤六；把调频旋钮从零频率档位刻度至非谐振档位，此时小车从发射线圈端的零刻度处前进直至停止；

步骤七；通过刻度尺来读取小车移动距离；

步骤八；此时观察显示屏上的效率曲线及电能参数包括开路电压、短路电流；

步骤九；把调频旋钮手动复位至0频率档位，装置其他各部整体复位；

步骤十；对比两次实验数据及观察两次的效率折线变化；

步骤十一；关闭电源器材整理归位。

本发明的有益效果是:与现有技术相比较，针对电磁谐振技术和电磁感应技术研究，不仅从小车运动距离上直观的观察到传能效果，还能给出了相应的配套测量装置从精确的实验数据上对这两种供电方法进行对比。通过本装置使学生更加清晰直观的明白电磁感应、电磁谐振、电磁场、高频电力电子，电磁感应的意义。本装置辅助教学深化学生对知识点的理解为人们学习有一定帮助。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的整体示意图；

图3为本发明的局部示意图；

图4为本发明中单片机A\D转换模块；

图5为本发明中蓝牙发送模块；

图6为本发明中蓝牙接收模块；

图7为本发明中单片机微处理模块；

图8为本发明中232通讯模块。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实例详细说明本发明的具体实施方式。如图1-图8所示，一种电磁感应与电磁谐振对比实验系统，包括；开关电源1、发生模块2、高频发射模块3、发射线圈4、1号线圈5、2号线圈6、3号线圈7接收线圈8负载9、232通讯模块10、蓝牙接收模块11、单片机微型处理模块12、显示屏13、跑道14、刻度尺15、高频接收模块16、电源管理模块17、单片机电源18、单片机A\D采集模块19、蓝牙发送模块20、4号线圈21、5号线圈22、6号线圈23、7号线圈24、调频旋钮25。本装置的连接方式是开关电源1与信号发生模块2连接，信号发生模块2与高频发射模块3连接，高频发射模块3与发射线圈4连接，发射线圈4、1号线圈5、2号线圈6、3号线圈7、4号线圈21、5号线圈22、6号线圈23、7号线圈24与跑道14垂直连接，刻度尺15与跑道14平行安装，蓝牙接收模块11与单片机微型处理模块12，单片机微型处理模块12与232通讯模块10连接，232通讯模块10与显示屏13连接，高频接收模块16与接收线圈8连接，接收线圈8与电源管理模块17连接，电源管理模块17与负载连接，又与单片机A\D采集模块19连接，单片机电源18与单片机A\D采集模块19连接，单片机A\D采集模块19与蓝牙发送模块20连接，调频旋钮25与高频发射模块3连接。

所述的开关电源模块，采用的是可同时输出24V1A 5V1A的开关电源，作为本装置的主要能量来源；所述的信号发生模块由高频振荡模块和高频调节模块组成为本装置提供可调的高频振荡信号；所述的高频发射模块、由功率放大模块和发射模块组成、使高频振荡信号放大后传递给发射线圈。所述的发射线圈能够把高频磁场发射出去，其采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为250mm匝数4匝，线圈垂直于跑道摆放，放在跑道顶端与刻度尺0刻度平齐。

1号线圈、2号线圈、3号线圈4号线圈、5号线圈6号线圈、7号线圈，其采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为250mm匝数2匝，线圈各自独立无电源线连接，线圈垂直于跑道，标号线圈与发射线圈平行间隔5厘米安装，线圈与线圈之间平行摆放间隔5厘米。所述的接收线圈和负载小车，接收线圈采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为150mm匝数2匝，线圈垂直于负载小车嵌入小车的外壳。接收线圈把空间高频交变磁场接收转换为高频电流，高频电流经电源管理模块转化为直流电供负载使用；负载模型电动小车内置直流电机。

蓝牙接收模块把接收的数据经过单片机微型处理模块处理后232通讯模块传输到显示屏后经后台处理后在显示屏上显示效率变化的折线图，及输入电流，输出电流，输入电压输出电压等参数值。所述的跑道、刻度尺、跑道长100厘米与刻度尺的长度一致，刻度尺与跑道平行摆放0刻度与发射线圈对齐。所述的电源管理模块，电源管理模块与负载连接，电源管理模块是由整流模块和滤波模块组成。所述的单片机A\D采集模块、单片机电源、蓝牙发送模块，单片机电源为单片机A\D采集模块和蓝牙发送模块供电，单片机A\D采集模块把采集的数据通过蓝牙发送模块发送出去到达接收端。

所述的调频按钮与高频发射模块连接，调频按钮共设置三个档位0档位，谐振档位，非谐振档位，0档位为无输入频率，谐振档位是装置电磁谐振达到最佳时的频率，非谐振档位是除谐振频率之外的任意频率值，三个档位便于实验时档位切换。

开关电源作为本装置的主要供电来源，信号发生模块为本装置提供可调的高频振荡信号，高频发射模块使高频振荡信号放大后传递给发射线圈，发射线圈垂直于跑道安装，把电能转化为高频磁场能发射出去。所有线圈都垂直于跑道且线圈间的间隔是5厘米摆放，接收线圈和负载小车，发射线圈垂直于负载，线圈的部分嵌入小车的外壳。蓝牙接收模块把接收的数据经过单片机微型处理模块处理后232通讯模块传输到显示屏后经后台处理后在显示屏上图形化显示效率变化。跑道长100厘米与刻度尺的长度一致，刻度尺与跑道平行安装。电源管理模块与负载连接，电源管理模块是由整流模块和滤波模块组成，单片机电源为单片机A\D采集模块和蓝牙发送模块供电，单片机A\D采集模块把采集的数据通过蓝牙发送模块发送出去到达接收端。电磁感应与电磁谐振对比实验装置是通过负载运动小车运动距离来直观展示两种无线电能传输方式的传输效率。通过调节信号发生模块的振荡频率，来进行两种传能模式的转换。当装置通电后，通过调节信号发生模块调制频率为f,装置进入电磁谐振电能传输模式，此频率f为各个线圈通过配置电容值C的大小使线圈都达到谐振频率，把小车放在发射线圈的起始端，接收线圈把空间高频交变磁场接受转换为高频电流；高频电流经电源管理模块转化为直流电使小车沿跑道前行，小车在运动的同时单片机A\D采集模块把采集的数据通过蓝牙发送模块发送出去到达蓝牙接收模块，蓝牙接收模块把接收的数据经过单片机微型处理模块处理后232通讯模块传输到显示屏后经后台处理后在显示屏上图形化显示效率变化及对应的电能参数例如(开路电压、短路电流、等)，当小车在跑道上停止运动，通过刻度尺的读取运动距离。同理通过调节信号发生模块调制频率为非谐振频率模式,装置进入电磁感应式传能模式，做同样的实验可以用确切的数据来对比电磁感应式电能传输和电磁谐振式电能传输的优缺点。

本装置的使用步骤

步骤一；首先把小车放在发射线圈的起始端车头与发射线圈及测量尺零刻度处平齐，启动装置电源；

步骤二；等待装置启动就绪后旋转调频旋钮从零频率档位刻度至谐振档位，此时小车从发射线圈端零刻度处前进直至停止；

步骤三；通过刻度尺来读取小车运动距离；

步骤四；此时观察显示屏上的效率曲线及电能参数包括开路电压、短路电流；

步骤五；把调频旋钮手动复位至0频率档位，装置其他各部整体复位；

步骤六；把调频旋钮从零频率档位刻度至非谐振档位，此时小车从发射线圈端的零刻度处前进直至停止；

步骤七；通过刻度尺来读取小车移动距离；

步骤八；此时观察显示屏上的效率曲线及电能参数包括开路电压、短路电流；

步骤九；把调频旋钮手动复位至0频率档位，装置其他各部整体复位；

步骤十；对比两次实验数据及观察两次的效率折线变化；

步骤十一；关闭电源器材整理归位。

实验结果

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电磁感应与电磁谐振对比实验系统，其特征在于，包括开关电源、信号发生模块、高频发射模块、发射线圈、谐振线圈、负载小车、232通讯模块、蓝牙接收模块、单片机微型处理模块、显示屏、水平跑道、刻度尺、电源管理模块、单片机A\D采集模块、蓝牙发送模块、调频旋钮；

所述的开关电源，采用的是可同时输出24V1A 5V1A的开关电源，作为本装置的主要能量来源；

所述的信号发生模块由高频振荡模块和高频调节模块组成为本装置提供可调的高频振荡信号；

所述高频发射模块使高频振荡信号放大后传递给发射线圈，发射线圈垂直于水平跑道安装，把电能转化为高频磁场能发射出去；

所述谐振线圈为五个或六个，垂直于水平跑道且线圈间间隔摆放；

所述接收线圈垂直固定在负载小车上，负载小车在所述水平跑道上移动，所述接收线圈把空间高频交变磁场接收转换为高频电流，高频电流经电源管理模块转化为直流电供负载小车使用；

所述单片机A\D采集模块用于采集负载小车上接收线圈的电能参数，并通过所述蓝牙发送模块发送给所述蓝牙接收模块；

所述蓝牙接收模块把接收的电能参数经过单片机微型处理模块处理后，经232通讯模块传输到显示屏，显示效率变化及对应的电能参数；

所述刻度尺平行设置在所述水平跑道的一侧；

所述调频按钮与高频发射模块连接，调频按钮共设置三个档位，分别为：0档位、谐振档位、非谐振档位，其中0档位为无输入频率，谐振档位是指输出使装置达到电磁谐振时的频率，非谐振档位是指输出使装置工作在非谐振状态下的频率。

2.根据权利要求1所述的电磁感应与电磁谐振对比实验系统，其特征在于，所述的发射线圈能够把高频磁场发射出去，其采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为250mm匝数4匝，线圈垂直于跑道摆放，放在跑道顶端与刻度尺0刻度平齐。

3.根据权利要求1所述的电磁感应与电磁谐振对比实验系统，其特征在于，所述谐振线圈采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为250mm匝数2匝，线圈各自独立无电源线连接，线圈垂直于跑道，谐振线圈与发射线圈平行间隔50mm安装，线圈与线圈之间平行摆放间隔5厘米。

4.根据权利要求1所述的电磁感应与电磁谐振对比实验系统，其特征在于，所述接收线圈采用直径2mm的铜质漆包线，平面螺旋式绕制结构线圈直径为150mm匝数2匝，线圈垂直于负载小车嵌入负载小车的外壳。

5.一种电磁感应与电磁谐振对比实验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一；首先把小车放在发射线圈的起始端车头与发射线圈及测量尺零刻度处平齐，启动开关电源；

步骤二；等待装置启动就绪后旋转调频旋钮从零频率档位刻度至谐振档位，此时小车从发射线圈端零刻度处前进直至停止；

步骤三；通过刻度尺来读取小车运动距离；

步骤四；此时观察显示屏上的效率曲线及电能参数包括开路电压、短路电流；

步骤五；把调频旋钮手动复位至0频率档位，装置其他各部整体复位；

步骤六；把调频旋钮从零频率档位刻度至非谐振档位，此时小车从发射线圈端的零刻度处前进直至停止；

步骤七；通过刻度尺来读取小车移动距离；

步骤八；此时观察显示屏上的效率曲线及电能参数包括开路电压、短路电流；

步骤九；把调频旋钮手动复位至0频率档位，装置其他各部整体复位；

步骤十；对比两次实验数据及观察两次的效率折线变化；

步骤十一；关闭电源器材整理归位。