CN110969921A - 一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种教学装置，尤其涉及一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置。本发明的技术问题是如何提供一种教学时不需要手动调节系统线圈位置，老师移动线圈更加轻松，并且能够让学生观看更加全面的电磁感应式无线电能传输系统教学装置。该电磁感应式无线电能传输系统教学装置包括有滚轮、基座、上位机、电源箱、三维移动机构、互感线圈、线圈容纳机构和负载箱等，主要通过上位机输入的各项参数控制三维移动机构的移动距离值，进而使学生更好的观察实验现象，展示实验过程中电磁感应式无线电能传输系统相关参数的变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学装置，尤其涉及一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置。
背景技术
在经济高速发展的今天，传统有线输电方式的缺陷越来越明显。导线过多会占用空间，频繁摩擦也会加速其老旧脆化过程，电线老化后还会有拔插电火花、跳发电弧等安全隐患。因此，无线电能传输技术成为了未来电力系统发展的新方向，作为无线电能传输技术重要分支的电磁感应式无线电能传输技术已广泛应用于手机、电视等产品中，国内外各大高校也对此技术进行了深入的研究。
现阶段，在高校老师的教学过程中，一般都会搭建相应的系统来为学生的学习与实验创造环境，让学生更深入的了解电磁感应式无线电能传输系统的相关特性，达到良好的学习效果。在实验过程中，改变互感线圈方位的实验教学必不可少，这也是无线电能传输实验系统的基本特性。
目前，老师调整无线电能传输系统互感线圈的方式普遍都是在系统断电后手动进行调节。运用这种方式，因互感线圈较重，老师调节互感线圈方位时较为吃力，需要经常推动、旋转，误差也较大，严重降低教学效率。同时，学生们也不能很好的观察到线圈每个角度或距离变化对系统所产生的影响，严重影响教学质量。
综上所述，在高校老师的教学过程中，一种不需要手动调节系统线圈位置，让老师移动线圈更加轻松，并且能够使学生观看更加全面的电磁感应式无线电能传输系统教学装置是必不可少的。
发明内容
本发明的目的是设计一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，通过机械结构的优化设计，利用上位机控制步进电机，克服了老师手动调节互感线圈方位让学生观察时较为吃力，实验误差较大，影响教学效果，并且学生不能够观察到线圈每个角度或距离变化对系统所产生的影响，降低教学质量的缺点，从而实现在教学过程中，老师不需要手动调节系统线圈位置，移动线圈更加轻松，并且能够使学生观看系统更加全面的教学目的。
本发明装置包括滚轮、基座、上位机、电源箱、三维移动机构、互感线圈、线圈容纳机构和负载箱等；上位机、电源箱、三维移动机构以及负载箱均放置于基座上，基座下方安装有四个滚轮且负载箱一端装有把手，方便装置移动；上位机与三维移动机构连接并建立通信链路；电源箱与互感线圈之一的发射线圈通过射频线相连，为电磁感应式无线电能传输系统提供电能；另外一个互感线圈即接收线圈，通过射频线与负载箱相连；发射线圈的容纳机构作为连接件，连接发射线圈与三维移动机构，接收线圈的容纳机构固定在基座上；电源箱包含信号发生器和E类功率放大器；负载箱包括电阻、功率计、电压及电流探头、示波器。
电源箱内的信号发生器与E类功率放大器相连，信号发生器产生的低压波形信号通过传输线发送给E类功率放大器，由E类功率放大器放大后再经射频线为发射线圈提供电能；电源箱整体由薄铝板合围而成，水平对外的一侧开口，方便老师调试。
负载箱内的电阻、功率计、电压及电流探头和示波器主要用于实验测量过程；由接收线圈接出的射频线经过功率计连接到电阻上，电压与电流探头环套到线路以后连接到示波器上，即可完成功率、电压、电流等参数的显示；负载箱整体由薄铝板合围而成，水平对外的一侧开口，方便同学记录实验数据。
互感线圈的材质为利兹线，形状为方形盘式，两互感线圈的起盘位置、相邻每盘线圈间距和线圈盘数等参数保持一致。
互感线圈的容纳机构材质为薄铝板；在机构内部，除线圈相对一面的其他各面均贴有铁氧体，隔绝磁场干扰；由利兹线盘绕而成的互感线圈经速干胶固定在亚格力板后，装载到容纳机构内；发射线圈的容纳机构通过轴肩螺钉固定在三维移动机构顶端，接收线圈的容纳机构装载到基座上。
三维移动机构包括步进电机、直流电源、控制器、丝杆、滑台、滑轨和大扭矩舵机；三维移动机构的底层机械结构主要用于控制互感线圈的径向移动；底层滑轨固定在基座上，步进电机安装于底层滑轨的任意一端，丝杆装载到步进电机与滑轨另一端的丝杆座之间，用于径向移动的滑台安装在丝杆上；底层的三维移动机构由两个上述机械结构组成，每个机械结构都包含一个用于径向移动的滑台。
三维移动机构的中层机械结构主要用于控制互感线圈的轴向移动；两中层滑轨分别固定在两个底层滑台上，步进电机安装于中层滑轨上端，丝杆装载到步进电机与底层滑台之间，用于轴向移动的滑台安装在丝杆上；三维移动机构的中层由两个上述机械结构组成，每个机械结构都包含一个用于轴向移动的滑台。
三维移动机构的顶层机械结构主要用于控制互感线圈的轴向旋转；支撑杆固定在两个中层滑台之间，支撑杆上方安装有两个轴向旋转支撑杆，其内侧均装有大扭矩舵机；轴向旋转支撑杆呈扁“凹”形。
本发明具有积极的效果：(1)本发明设计的装置，可在教学实验过程中实时改变无线电能传输系统的互感线圈方位，同时易于教师进行系统控制与操作；(2)通过对机械结构的优化设计，克服了教师手推互感线圈误差大、操作需要断电的问题，从而能够实现在带电情况下对互感线圈方位的精准调节；(3)电源箱和负载箱的设置让老师调节参数更简单，学生记录实验数据更方便；(4)滚轮、把手的设计更加人性化，装置移动更方便、更稳定。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明的三维移动机构结构示意图；
图3是本发明的线圈容纳机构结构示意图。
图1中的各部件标记如下：
滚轮1、基座2、电源箱3、E类功率放大器4、信号发生器5、上位机6、三维移动机构7、互感线圈8、线圈容纳机构9、负载箱10、参数测试装置11(电阻、功率计、电压及电流探头、示波器)、把手12。
图2中的各部件标记如下：
底层机械结构1、底层滑轨11、底层步进电机12、底层丝杆13、底层滑台14、中层机械结构2、中层滑轨21、中层步进电机22、中层丝杆23、中层滑台24、顶层机械结构3、支撑杆31、轴向旋转支撑杆32、大扭矩舵机33。
图3中的各部件标记如下：
互感线圈的容纳机构1、互感线圈2。
具体实施方式
下面结合附图阐述发明内容的具体实施方式。
如图1所示的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，包括滚轮1、基座2、电源箱3、上位机6、三维移动机构7、互感线圈8、线圈容纳机构9和负载箱10等；电源箱3、上位机6、三维移动机构7以及负载箱10均放置于基座2上，基座2下方安装有四个滚轮1且负载箱10一端装有把手12，方便装置移动；上位机6与三维移动机构7连接并建立通信链路；电源箱3与互感线圈8之一的发射线圈通过射频线相连，为电磁感应式无线电能传输系统提供电能；另外一个互感线圈8即接收线圈，通过射频线与负载箱10相连；发射线圈的容纳机构作为连接件，连接发射线圈与三维移动机构7，接收线圈的容纳机构固定在基座2上；电源箱3内含信号发生器5和E类功率放大器4；负载箱10内含参数测试装置11，即电阻、功率计、电压及电流探头和示波器。
电源箱3内的信号发生器5与E类功率放大器4相连，信号发生器5产生的低压波形信号通过传输线发送给E类功率放大器4，由E类功率放大器4放大后再经射频线为发射线圈提供电能；电源箱3整体由薄铝板合围而成，水平对外的一侧开口，方便老师调试。
负载箱10内的电阻、功率计、电压及电流探头和示波器主要用于实验测量过程；由接收线圈接出的射频线经过功率计连接到电阻上，电压与电流探头环套到线路以后连接到示波器上，即可完成功率、电压、电流等参数的显示；负载箱10整体由薄铝板合围而成，水平对外的一侧开口，方便同学记录实验数据。
如图2所示的是三维移动机构的结构示意图，主要包括步进电机、直流电源、控制器、丝杆、滑台、滑轨和大扭矩舵机；三维移动机构的底层机械结构1主要用于控制互感线圈的径向移动；底层滑轨11固定在基座上，底层步进电机12安装于底层滑轨11的任意一端，底层丝杆13装载到底层步进电机12与底层滑轨另一端的丝杆座之间，用于径向移动的底层滑台14安装在底层丝杆13上；底层的三维移动机构1由两个上述机械结构组成，每个机械结构都包含一个用于径向移动的底层滑台14。
三维移动机构的中层机械结构2主要用于控制互感线圈的轴向移动；两中层滑轨21分别固定在两个底层滑台14上，中层步进电机22安装于中层滑轨21上端，中层丝杆23装载到中层步进电机22与底层滑台14之间，用于轴向移动的中层滑台24安装在中层丝杆23上；三维移动机构的中层2由两个上述机械结构组成，每个机械结构都包含一个用于轴向移动的中层滑台24。
三维移动机构的顶层机械结构3主要用于控制互感线圈的轴向旋转；支撑杆31固定在两个中层滑台24之间，支撑杆31上方安装有两个轴向旋转支撑杆32，其内侧均装有大扭矩舵机33；轴向旋转支撑杆32呈扁“凹”形。
如图3所示的是线圈容纳机构得结构示意图。互感线圈的容纳机构1材质为薄铝板；在机构内部，除线圈相对一面的其他各面均贴有铁氧体，隔绝磁场干扰；由利兹线盘绕而成的互感线圈经速干胶固定在亚格力板后，装载到容纳机构内；发射线圈的容纳机构通过轴肩螺钉固定在三维移动机构顶端，接收线圈的容纳机构装载到基座上。
互感线圈2的材质为利兹线，形状为方形盘式，两互感线圈的起盘位置、相邻每盘线圈间距和线圈盘数等参数保持一致。
在实验开始前，教师首先需要连接各实验设备；之后打开上位机，设定好电源箱内的信号发生器和E类功率放大器参数，调节好负载箱内的参数测量设备；最后通过在上位机输入步进电机步进值，即可改变无线电能传输系统的线圈方位，进而使同学们清晰看到整个系统的变化过程，并得到本次实验结果。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化从而可以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于包括滚轮、基座、上位机、电源箱、三维移动机构、互感线圈、线圈容纳机构和负载箱等；上位机、电源箱、三维移动机构以及负载箱均放置于基座上，基座下方安装有四个滚轮且负载箱一端装有把手，方便装置移动；上位机与三维移动机构连接并建立通信链路；电源箱与互感线圈之一的发射线圈通过射频线相连，为电磁感应式无线电能传输系统提供电能；另外一个互感线圈即接收线圈，通过射频线与负载箱相连；发射线圈的容纳机构作为连接件，连接发射线圈与三维移动机构，接收线圈的容纳机构固定在基座上；电源箱包含信号发生器和E类功率放大器；负载箱包括电阻、功率计、电压及电流探头、示波器。
2.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于电源箱内的信号发生器与E类功率放大器相连，信号发生器产生的低压波形信号通过传输线发送给E类功率放大器，由E类功率放大器放大后再经射频线为发射线圈提供电能；电源箱整体由薄铝板合围而成，水平对外的一侧开口，方便老师调试。
3.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于负载箱内的电阻、功率计、电压及电流探头和示波器主要用于实验测量过程；由接收线圈接出的射频线经过功率计连接到电阻上，电压与电流探头环套到线路以后连接到示波器上，即可完成功率、电压、电流等参数的显示；负载箱整体由薄铝板合围而成，水平对外的一侧开口，方便同学记录实验数据。
4.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于互感线圈的材质为利兹线，形状为方形盘式，两互感线圈的起盘位置、相邻每盘线圈间距和线圈盘数等参数保持一致。
5.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于互感线圈的容纳机构材质为薄铝板；在机构内部，除线圈相对一面的其他各面均贴有铁氧体，隔绝磁场干扰；由利兹线盘绕而成的互感线圈经速干胶固定在亚格力板后，装载到容纳机构内；发射线圈的容纳机构通过轴肩螺钉固定在三维移动机构顶端，接收线圈的容纳机构装载到基座上。
6.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于三维移动机构包括步进电机、直流电源、控制器、丝杆、滑台、滑轨和大扭矩舵机；三维移动机构的底层机械结构主要用于控制互感线圈的径向移动；底层滑轨固定在基座上，步进电机安装于底层滑轨的任意一端，丝杆装载到步进电机与滑轨另一端的丝杆座之间，用于径向移动的滑台安装在丝杆上；底层的三维移动机构由两个上述机械结构组成，每个机械结构都包含一个用于径向移动的滑台。
7.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于三维移动机构的中层机械结构主要用于控制互感线圈的轴向移动；两中层滑轨分别固定在两个底层滑台上，步进电机安装于中层滑轨上端，丝杆装载到步进电机与底层滑台之间，用于轴向移动的滑台安装在丝杆上；三维移动机构的中层由两个上述机械结构组成，每个机械结构都包含一个用于轴向移动的滑台。
8.如权利要求1所述的一种电磁感应式无线电能传输系统教学装置，其特征在于三维移动机构的顶层机械结构主要用于控制互感线圈的轴向旋转；支撑杆固定在两个中层滑台之间，支撑杆上方安装有两个轴向旋转支撑杆，其内侧均装有大扭矩舵机；轴向旋转支撑杆呈扁“凹”形。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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