旋转机械故障诊断系统的电磁耦合谐振无线供电研究

摘要

机械设备在工作过程中会出现各种形式的故障。对于连续工作的设备，需要使用嵌入式传感器对可能出现故障的工作点进行实时监测，为旋转机械上的嵌入式传感器提供能量成为需要解决的问题。传统的电池和其它供电方式存在诸多限制和不便。电磁耦合谐振无线供电技术克服了传统供电技术的不足之处，可以实现中等距离较大功率电能的传输。本文提出将电磁耦合谐振无线供电技术应用到旋转机械故障诊断系统以解决嵌入式传感器的供电问题，对该技术展开相关研究，主要的工作内容和结论如下:
　　1.介绍了当前三种主要的无线供电技术（微波无线供电、电磁感应无线供电、电磁耦合谐振无线供电）的原理、特点和国内外的研究情况。微波无线供电传输距离远但效率低且易受障碍物影响;电磁感应无线供电传输功率大，但距离近;而电磁耦合谐振无线供电很好地解决了前两种方式的问题具有较远的传输距离和较高的效率。并根据旋转机械故障诊断系统无线供电的特点选用电磁耦合谐振无线供电技术进行主要研究。
　　2.从物理学角度对电磁耦合谐振无线供电系统进阐述。将发射电磁场分为近场区和远场区并对其特点进行了分析，得出系统主要工作于近场区电磁场，对载流线圈的耦合以及组成的谐振回路进行原理分析。然后通过耦合模型理论(CMT)研究系统的传输的损耗、功率、效率和传输机理，对传输过程中能量的状态进行分析。最后结合等效电路理论将系统简化为电路模型，从电路角度分析频率、阻抗和距离对传输效率的影响。
　　3.详细阐述了电磁耦合谐振无线供电系统的结构。首先对系统进行总体设计，系统由直流电源、信号发生电路、高频功率放大电路、发射端谐振回路、接收端谐振回路、整流滤波电路以及负载组成。然后主要研究了各类信号发生电路的和高频功率放大电路的工作原理并进行设计，设计了两级适合电磁耦合谐振无线供电系统的宽频线性功率放大器。对收发端线圈的自感、互感和电容进行分析，以此为依据制作线圈并匹配谐振电容来组成谐振电路。对接收端的整流滤波电路进行设计并选用负载。最后根据对各个模块的设计搭建无线供电平台成功实现了20cm距离7.5W电能的无线传输，效率约为62％。
　　4.对无线供电系统的耦合磁场进行了有限元分析。首先分析不同激励信号和线圈参数对单线圈发射磁场强度的影响，得出增大激励电压幅度、线圈半径、匝数可以增强磁场强度的结论。然后分析了半径、匝数和距离对一对线圈耦合磁场强度的影响，线圈耦合磁场随着距离的增大而减弱;在相同距离上，增大线圈半径和匝数可以增强磁场强度。最后分析了距离对三维接收线圈的耦合磁场强度的影响，随着距离的增大，磁场的分布范围增大，但强度减小。通过分析激励信号参数、距离线圈参数对耦合磁场的影响为后文设计实验研究传输特性提供了理论依据和指导。
　　5.在实现电磁耦合谐振无线供电系统的基础上研究其传输特性。实验发现只有当系统发生谐振时传输效率最高;同时提高发射电压、增大线圈半径、匝数、线径、谐振电容可以在提高系统的传输性能。研究了角度变化对传输的影响，在此基础上设计三维接收线圈进行实验，结果表明接收端线圈的三维结构可以实现多方向接收能量。并且对电磁耦合谐振无线供电技术的穿透性和安全性进行了分析，得到该技术对非金属材料具有良好的穿透性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 无线供电技术国内外研究现状

1．2．1 微波无线供电技术

1．2．2 电磁感应无线供电技术

1．2．3 电磁耦合谐振无线能量传输技术

1．3 课题背景及研究的目的和意义

1．4 课题研究的主要内容

第二章 电磁耦合谐振式无线供电理论研究

2．1 电磁耦合谐振无线供电物理基础

2．1．1 电磁场近场区

2．1．2 磁耦合

2．1．3 谐振电路

2．2 耦合谐振理论

2．3 传输机理

2．4 能量传输状态分析

2．5 电路模型分析

2．6 本章小结

第三章 电磁耦合谐振无线供电系统设计

3．1 电磁耦合谐振无线供电系统总体结构设计

3．2 直流电源

3．3 信号发生电路

3．3．1 信号发生电路工作原理及设计

3．3．2 无线供电系统的信号发生电路

3．4 高频功率放大器

3．4．1 A类高频功率放大器

3．4．2 B类高频功率放大器

3．4．3 AB类高频功率放大器

3．4．4 C类高频功率放大器

3．4．5 开关型高频功率放大器

3．4．6 无线供电系统放大器设计

3．5 发射端与接收端设计

3．5．1 线圈自感

3．5．2 线圈阻抗

3．5．3 电容

3．5．4 线圈互感

3．6 整流滤波电路

3．7 负载

3．8 电磁耦合谐振无线供电实验平台

3．9 本章小结

第四章 线圈耦合磁场有限元仿真分析

4．1 电磁场有限元分析及软件应用

4．2 单线圈磁场仿真分析

4．3 双线圈耦合磁场仿真分析

4．4 三维接收线圈耦合磁场仿真

4．5 本章小结

第五章 电磁耦合谐振无线供电实验与结果分析

5．1 电磁耦合谐振无线供电传输特性分析

5．1．1 驱动信号频率对传输的影响

5．1．2 电源电压对传输特性的影响

5．1．3 线圈半径对传输特性的影响

5．1．4 线圈线径对传输特性的影响

5．1．5 线圈匝数对传输特性的影响

5．1．6 电容对传输性能的影响

5．2 电磁耦合谐振无线电能传输方向特性研究

5．3 多方向接收端研究

5．3．1 三维接收端结构设计

5．3．2 接收端电路设计

5．3．3 三维接收端实验

5．4 穿障实验及分析

5．5 安全性分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间发表的学术论文