旋转机械故障诊断系统的电磁耦合谐振无线供电研究

发布时间：2017-05-27 22:02

  本文关键词：旋转机械故障诊断系统的电磁耦合谐振无线供电研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：电磁耦合谐振 嵌入式传感器 耦合磁场 互感 传输效率 多方向性
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH165.3
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 引言12
• 1.2 无线供电技术国内外研究现状12-16
• 1.2.1 微波无线供电技术13-14
• 1.2.2 电磁感应无线供电技术14-15
• 1.2.3 电磁耦合谐振无线能量传输技术15-16
• 1.3 课题背景及研究的目的和意义16-17
• 1.4 课题研究的主要内容17-20
• 第二章 电磁耦合谐振式无线供电理论研究20-28
• 2.1 电磁耦合谐振无线供电物理基础20-22
• 2.1.1 电磁场近场区20-21
• 2.1.2 磁耦合21
• 2.1.3 谐振电路21-22
• 2.2 耦合谐振理论22-23
• 2.3 传输机理23-24
• 2.4 能量传输状态分析24-26
• 2.5 电路模型分析26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第三章 电磁耦合谐振无线供电系统设计28-54
• 3.1 电磁耦合谐振无线供电系统总体结构设计28-29
• 3.2 直流电源29
• 3.3 信号发生电路29-32
• 3.3.1 信号发生电路工作原理及设计29-31
• 3.3.2 无线供电系统的信号发生电路31-32
• 3.4 高频功率放大器32-44
• 3.4.1 A类高频功率放大器32-34
• 3.4.2 B类高频功率放大器34-36
• 3.4.3 AB类高频功率放大器36-37
• 3.4.4 C类高频功率放大器37-39
• 3.4.5 开关型高频功率放大器39-41
• 3.4.6 无线供电系统放大器设计41-44
• 3.5 发射端与接收端设计44-50
• 3.5.1 线圈自感45-46
• 3.5.2 线圈阻抗46-48
• 3.5.3 电容48
• 3.5.4 线圈互感48-50
• 3.6 整流滤波电路50-51
• 3.7 负载51
• 3.8 电磁耦合谐振无线供电实验平台51-52
• 3.9 本章小结52-54
• 第四章 线圈耦合磁场有限元仿真分析54-66
• 4.1 电磁场有限元分析及软件应用54
• 4.2 单线圈磁场仿真分析54-58
• 4.3 双线圈耦合磁场仿真分析58-63
• 4.4 三维接收线圈耦合磁场仿真63-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第五章 电磁耦合谐振无线供电实验与结果分析66-84
• 5.1 电磁耦合谐振无线供电传输特性分析66-74
• 5.1.1 驱动信号频率对传输的影响66-67
• 5.1.2 电源电压对传输特性的影响67-69
• 5.1.3 线圈半径对传输特性的影响69-70
• 5.1.4 线圈线径对传输特性的影响70-71
• 5.1.5 线圈匝数对传输特性的影响71-73
• 5.1.6 电容对传输性能的影响73-74
• 5.2 电磁耦合谐振无线电能传输方向特性研究74-75
• 5.3 多方向接收端研究75-80
• 5.3.1 三维接收端结构设计76
• 5.3.2 接收端电路设计76-79
• 5.3.3 三维接收端实验79-80
• 5.4 穿障实验及分析80-81
• 5.5 安全性分析81
• 5.6 本章小结81-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 本文工作总结84-85
• 6.2 未来工作展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 攻读硕士研究生期间发表的学术论文92

【参考文献】

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本文编号：401257