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用于无线传感器网络的磁共振式无线能量传输系统

作　者: 毛银花
导　师: 朱春波
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 磁共振 无线能量传输 多接收端系统 无线传感器网络
分类号: TP212.9;TM724
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 364次
引　用: 2次
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内容摘要


21世纪是信息、通信技术飞速发展的时代。无线传感器网络(ireless Sensor Networks, WSNs)为一种新兴的信息获取技术,以其大规模、免布线、组网灵活等特点,在国防科技、环境监测等领域具有广阔的应用前景和潜力,已经成为目前IT领域中的研究热点之一。在众多影响无线传感器网络寿命的因素中,传感器节点能量供应是制约该技术发展的瓶颈问题。实现传感器节点能量的无线传输,是延长无线传感器网络寿命的根本办法之一。为解决上述问题,本文采用磁共振式无线能量传输技术,以传输效率最大化和接收端尺寸最小化为原则,研究并设计了一个能量传输系统,实现为多个传感器节点同时供电。本文首先分析了磁共振式无线能量传输机理,从电路理论角度出发,建立了其等效电路模型,分析了影响能量传输效率的关键因素,提出了传统的两谐振体系统的不足。为了解决两谐振体系统的缺陷,本文提出了四谐振体系统及其改进的电路结构,得出了传输效率表达式,并在此基础上,根据能量传输性能指标,优化设计了用于能量传输的四个线圈,在保证能量传输距离和功率的基础上,大大地减小了接收端的尺寸,面积仅为30.25cm2。采用上述优化的四个线圈,完成了磁共振无线能量传输系统实验平台的搭建,研究了该系统的频率响应特性、负载变化特性、方位传输特性(包括轴向距离、径向偏移及角度传输特性),并研究了多个接收端同时工作时的系统,得出了接收端之间互不干扰的基本条件。实验证明,多接收端系统比单个接收端系统能量传输功率更大,效率更高,更具有实用性。最后根据传感器节点用电需求,完成了接收端能量从交流到直流的变换,并研究了保证传感器节点能正常工作的接收端移动空间范围。实验表明,本文所设计的能量传输系统能在50cm的轴向传输范围内,保证至少90mW的能量传输。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-21
  1.1 课题背景及意义  9-11
  1.2 磁共振式无线能量传输技术研究现状  11-20
    1.2.1 国外研究现状  11-16
    1.2.2 国内研究现状  16-18
    1.2.3 商用发展情况  18-20
  1.3 课题来源  20
  1.4 本文的研究内容  20-21
第2章 磁共振式无线能量传输技术原理分析及建模  21-43
  2.1 引言  21
  2.2 相关基础理论  21-27
    2.2.1 谐振  21-25
    2.2.2 近区磁场  25-26
    2.2.3 互感耦合电路  26-27
  2.3 磁共振式无线能量传输机理分析  27-36
    2.3.1 工作原理  27-29
    2.3.2 系统建模  29-30
    2.3.3 能量传输特性  30-36
  2.4 四谐振体能量传输系统分析  36-40
  2.5 多接收端能量传输系统分析  40-42
  2.6 本章小结  42-43
第3章 磁共振式无线能量传输系统设计  43-63
  3.1 引言  43
  3.2 磁共振式无线能量传输系统构成  43-44
  3.3 高频激励装置  44-45
  3.4 线圈设计  45-62
    3.4.1 线圈电感及互感计算  45-48
    3.4.2 发射端线圈选择  48-51
    3.4.3 接收端线圈选择  51-55
    3.4.4 综合优化  55-62
  3.5 本章小结  62-63
第4章 磁共振无线能量传输系统性能实验研究  63-78
  4.1 引言  63
  4.2 磁共振式无线能量传输系统主电路及分析  63-66
    4.2.1 改进的电路结构  63-64
    4.2.2 改进的电路结构与四谐振体系统比较  64-65
    4.2.3 初步实验结果分析  65-66
  4.3 负载特性实验  66-68
  4.4 方位传输特性实验  68-71
    4.4.1 轴向距离传输特性  68-69
    4.4.2 径向距离传输特性  69-70
    4.4.3 角度传输特性  70-71
  4.5 多接收端系统研究  71-74
  4.6 接收端能量变换单元及实验结果  74-76
  4.7 本章小结  76-78
结论  78-80
参考文献  80-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文  86-88
致谢  88

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 输配电工程、电力网及电力系统 > 输配电技术 > 无导线输电
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