无线传输能源的使用与研究要点.docx

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1、无线传输能源的使用与研究作 者 叶家楠学校上海市向明中学指导老师黄曾新日期 2012.9 至 2013.02目录摘要3-第一章概述1.1 课题背景 41.2 提出问题 5第二章无线传输能源的种类和原理2.1 无线传输装置的研究52.1.1 研究基础52.1.2 变压器输电法52.1.3 磁盘输电法：62.1.4 高频输电法：62.1.5 高压电场输电法62.1.6 总结与结论7第三章无线传输能源的优势与局限性第四章 影响无线传输能源效率的因素第四章无线传输能源的运用与未来展望2.2 小型多用无线传输能源点 72.2.1 装置简介72.2.2 工作原理72.2.3 结构例举82.3 一种可利用地

2、面传输电能的可在驾驶途中供电驾驶的电动汽车 10方案一利用电磁炉工作原理的装置 102.3.1 装置原理102.3.2 模型结构102.3.3 实际操作11方案二利用长条形线圈通过无线电波传输电能的装置 122.3.4 装置原理122.3.5 模型结构12-2.3.6 实际操作122.4 一种用无线传输方式为电动汽车充电的车库 132.4.1 课题背景132.4.2 装置原理13-2.4.3 使用位置第六章 课题研究的感受与想法摘要随着科技的不断发展，用电设施的使用越来越普及，并成为我们日常生活中必不可少的一部分。然而，众所周知的是，一般电器设施的电能仍然是基于有线传输，这就可能会给使用者带来

3、“蛛丝缠身”的感觉，也容易造成因接触不良而引起的触电，火灾等事故。那么我们是否可以免去这根线呢？本课题研究的是无线传输能源的原理与使用。它依据电流的磁效应以及电磁感应原理，由中频电流产生磁场，再由变化的磁场产生感应电流，形成所谓的电磁场，实现电能的无线传输。依据此原理，本课题展开一系列的研究与发明。关键词 ：无线传输，电流的磁效应，电磁感应原理，电磁场潮湿的环境中 遥控车第一章 概述（无线传输能源的使用与研究）1.1 课题背景随着业界对无线充电市场扩大的期待日益高涨，市场规模的调查结果及专利分析相关的话题也越来越多。例如，爱尔兰调查公司 Research and Markets发布的市场规模预

4、测调查报告显示， 2017 年全球非接触充电相关市场规模将达到 71.61 亿美元。展望未来，无线充电技术会应用或许会不可限量。首先是低功率低能耗的电子通讯产品，办公产品如手机、掌上电脑等利用；其次是家具产品和低能耗的家电利用；再次是交通工具，如电动车、动车组等全部；另外，在空间站，卫星、军舰和航母等通过把云层的电离层收集能量并无线传输给需要能量的场所。（来源：中国质量报）美国麻省理工大学研究员宣布，已经开发出了一款无线能源传输技术， 从而保证无线设备可以在无线状态下进行充电保持工作状态。据法新社报道， 该研究小组隶属于美国麻省理工 MIT大学，同时也是美国最顶尖的研究发明小 组之一，作为该项

5、目负责人，MIT剑桥物理学教授表示，这种举例已经可以应 用于笔记本电脑平台。目前该技术已经通过基本测试，研究人员下一步的工作则是对其进行优 化，使其变得更加有效，当然即使达到最完美状态，无线充电的范围也不会超 过一间普通大小的屋子。不过另一方面，研究人员表示该技术的稳定性极为值 得关注，用户未来有可能将彻底屏弃笨重的传统充电插座和电缆，另一方面， 当屋子中有能源来源的时候，笔记本电脑、PDAZ及手机等设备，将可以不再消耗电池中积蓄的能源。“该技术具有里程碑式的意义。”科学周刊编辑骄傲 的表示，“该技术的实际应用前景十分美好，几乎目前已经开始可以投入正常 的使用。这让我们感到异常兴奋。”（来源：

6、赛迪网）无尾厨电是由海尔集团2012年8月全球首发引导厨房革命的创新型电 器。在人类科技飞速发展的今天，厨房作为家用电器最多的地方，正在悄悄发 生着变革，杂乱无章的电线将被安全的无线电器所取代，厨电的“无尾”革命 正在展开。海尔以超前的科技实力率先将无线能源传输技术运用于厨电上，引 领世界厨电步入无尾时代。目前，它已经申请了国际专利与创新专利50余项，并通过了国际第三方检测机构Intertek的权威检测，无尾厨电虽然使用 了电磁原理，但它的辐射量却只有普通手机的十分之一，保障了消费者的使用 安全。（来源：百度百科）电动汽车的运行成本要比燃气汽车低，但是这点价格优势与其昂贵的电池 相比就显得微不

7、足道。资料显示，为雪佛兰沃特提供的电池组要8000美元,为尼桑聆风供电的大电池组要12000美元。（来源：国际金融报）1.2 提出问题在无线技术快速发展的今天，我不禁要问：究竟什么是无线传输能源？它 的原理是什么？它有哪些优点又有哪些不足？它的应用前景是怎么样的？作为 一个高中生，我又如何依靠这一技术进行创造发明？带着这些问题，我展开了 我的课题研究。2.1 无线传输的种类与原理2.1.1 研究基础通过查阅资料，搜索互联网与咨询专家，我了解到了当前比较通用的电能传输方式有： 采用变压器输电，采用铁注氧磁盒输电，采用中频线圈输电，采用高频电波输电。其原理简 图如下：2.1.2 变压器输电法：(1

8、) 一般变压器是采用“ E”字型与“1”字型硅钢片，如图 3-1与线圈搭成变压器，如图3-2所示13/23(2)敝开式变压器：仅采用E字型硅钢片，拼搭成敝开式线圈变压器，如图3-3所示 通电试验：初级220V交流电，次级10V交流电表。结果：效果不明显。分析：交流50Hz电对敝开式硅钢片磁感线距离太近。图3-3图3-42.1.3磁盘输电法:(1)磁盘材料是铁涂氧烧结成，如图 3-5所示，将漆包线缠绕在线轴上。(2)使用：(a)用变压器将220V交流电降压为80V。(b)用80V交流电接通初级磁盘线圈1cm,发光两端。(c)用发光二极管两极与次级磁盘线圈两端并接近初线磁盘两个线圈相隔二极管会发光

9、。图3-62.1.4 高频输电法: 采用电磁灶：电磁灶电路如图 3-7所示。2.1.5 高压电场输电法:(1)用电子升压器使220V交流电升至上万伏，使电弧放电2.1.6 总结与结论上述四种传输电能方式都有各自的特点，而为了达到无线输电的目的，第三种更为可靠，日 常生活中我们常用的厨房炉具电磁灶正是采用这个方法，而且经过多年的使用，电磁灶在使 用方面并未发现有明显瑕疵，因而我们可以仿照电磁灶的原理来实现我们的构想。无线传输能源的优势与局限性研究基础：有句话说的好：一件事情，凡有利，必有弊。无线传输能源这一技术也是如此。因此，为了 进一步的研究无线传输能源技术，我展开了对这一技术的利与弊的考察与

10、探讨无线传输能源的优势1、无线传输能源技术能在不适合有线传输的环境代替其使用。例如，在潮湿的环境（例 如：卫生间，洗浴室，泳池等地方），有线电器（例如：电动剃须刀，电吹风，电热水 器，水泵等）的使用容易带来触电这一严重的问题，而如果使用无线传输能源装置，则 能免去插座与插头这些隐患的来源，安全问题得到保障。2、无线传输能源技术相较于有线传输更适合老人与小孩的使用。作为已步入老龄化社会的 国家，我们每家每户都有各自的老年人，同时也会有各自的小孩。而小孩触电的事故经 常发生，老年人因电线绊倒的意外也是屡见不鲜，这都是有线传输造成的不利因素。而 如果使用无线传输技术，不仅会大大减少这一类悲剧的发生，

11、还能利于老年人正常用 电。3、止匕外，利用无线磁电感应充电的设备可做到隐形，设备磨损率低，应用范围广，公共充 电区域面积相对的减小，但减小的占地面积份额不会太大。无线传输能源的局限性再探讨完了无线传输能源的优势后，我又开始寻找起它的局限性1、效率问题。目前的无线传输能源技术，其效率普遍在70%fc右，尽管在小型以及中等功率电器上可以达到较高的 90%右的效率，但在大功率用电设备上始终无法有效的提高 其效率，因此存在一定能量的损耗。2、安全问题。目前的无线传输能源技术尚处于起步阶段，并未完全成熟。而无线传输能源 技术中产生的电磁波是否会对人体造成影响这一争论始终未得到科学性的答案。但是， 通过查

12、阅资料我发现，由电磁辐射造成的安全问题依照现有的技术已经可以很好地防范（例如一层薄的金属网即可防范和屏蔽电磁波）。影响无线传输能源效率的因素 为了更加深入地研究无线传输技术，我针对关于它最重要的效率问题展开了实验与研究，希望能寻找到影响无线传输能源效率的因素与解决办法。实验用具：家用电磁炉，电流表，电压表，80V蓄电池，线圈（与电磁炉中线圈大小一致），直尺，薄层塑料，金属网，电线。相对位置对无线传输能源效率的影响【介质为空气，发射器与接收器的距离控制在1cm效率=（用电器电压*用电器电流）/ （电源电压*电源电流）*100%1*相对位置指的是发射器上的线圈与接收器上的线圈的位置关系位置止对齐位

13、置偏离0.5cm位置偏离1cm位置偏离2cm位置偏离3cm75%70%60%45%30%结论：在其他条件相同时，相对位置越偏离，无线传输能源效率越低介质对无线传输能源效率的影响【发射器正对接收器，发射器与接收器的距离控制在1cm效率=（用电器电压*用电器电流）/ （电源电压*电源电流）*100%J介质：空气介质：薄层塑料（不导电）介质：金属网（导电）效率：75%效率：50%效率：约等于0结论：在输电的空间中，介质的不同对电磁波的输电效率的影响不同，尤其是可导电的介质 会几乎完全屏蔽电磁波的传输距离对无线传输能源效率的影响【发射器正对接收器，单位： cm ,介质为空气，效率=效率50%66%75

14、%80%结论：同一介质中，在其他条件相同时，发射器与接收器的距离越近，无线传输能源效率越 高。小结与实验误差分析第四章无线传输能源的运用与未来展望、户 - 刖百在完成之前一段的实验与探究后，我相信我对无线传输能源技术已经有了较为深入的了解。 我也以此为基础，利用我高中所学的物理知识，在辅导老师的指点下开始制作无线传输能源 的装置与小发明2.2 小型多用无线传输能源点2.2.1装置简介本发明是一个模拟装置，它是利用民用电磁炉的装置与它所产生的向空中发射无线电 波，在其上方放一个线圈，将这些中频无线电波吸收后可使照明灯点亮，整流后可对蓄电池 充电，可使电动机转动，甚至可供一个飞机或直升飞机不用其它

15、电能一直保持长时间飞行。 2.2.2工作原理：1、常用电磁灶的原理简图如下：锅图3-950赫220V变频器如图3-10所示，电磁灶通过变频器把常用 50Hz交流电变为100000Hz的中频电流，然后由中频电流引发电磁感应在锅底产生涡流，从而将电能变为热能。2、如果在锅底部位放一个平面形线圈，在其收到中频电流后就会在其二端产生中频电流。如果将这种电流通过一个白炽灯，就会使其发光发热转化成光能与热能。如图2所示。3、如果用一个整流二极管将这些中频电流变为直流电，就可驱动直流电动机与向蓄电池充电。如图 3所2.2.3结构例举：示。1、无线照明灯：将一个电磁炉隐蔽装在一块桌子的桌平面内，在上面放一个在

16、台灯座 内有平面线圈的台灯，只要将其二端与灯泡相连接就可，使用时只要移动其在桌面上高度与 位置，灯光亮度即会变化。如图 4所示。2、手机充电器：在手机内壁贴放一个微型平面线圈，并将线圈眼红二极管整流后，再 用稳压二极管稳压后，如图5所示。只需将其放在隐形电磁炉上，即可进行充电。如图 6所 示。3、玩具汽车充电：用一辆玩具电动汽车，在其车底安装一个平行线圈和二极管后与电 容相连，将其放在一个隐有电磁炉的平板上，它就会收到电磁炉发出电能而不停地开。如图 7所示。4、直升飞机：在玩具遥控直升飞机底部连接一个用细硬漆包线盘的平形线圈，再用整 流二极管整流与稳压二极管稳压后与其电磁相连接看，将其放在电磁

17、炉上方，打开电磁炉 后，没电的电池充电后即会飞起，并且不能离开电磁炉位置太多，如图8所示。5、能闪光的无电源环：(1)、将一根硬塑胶电线与一个微电珠相连接。(2)、然后将上述所述电线环每个用胶带捆成一个 光环。Elfi 电墙炉平面统围玩具电孵他色4第W(3)、将它放在一只烧杯底，再将其放在一个隐蔽 电磁炉上方，当电磁炉打开，数个微电珠会同时发 光。如图10所示。蓄电池2.3 一种可利用地面传输电能的可在驾驶途中供电驾驶的电动汽车方案一利用电磁炉工作原理的装置2.3.1 装置原理:1、如果采用电磁炉工作原理，将 220V交流 电能用高频振荡变为高频电流流过一个感应线 圈，高频电能会通过空中传到相

18、近的另一个车载 线圈上，使它产生高频电压与高频电流，该电流 经二极管整流后会变成直流电流，其电能既可向 车载蓄电池充电和供车用电动机驱动。如图 1所 示。2、如果将这种线圈多个安装在公路地面下，当这种专用设计在车子底盘下装有感应线圈的电动汽车就可源源不断从地下吸取电能驱 动与充电。如图2所示。电劭沟丰2.3.2 模型结构：是有若干个小型电磁炉排放在地上，有一排开关露出地面，有一辆改装模型电动汽车, 在其底部安装一线圈，并经二极管整流后与蓄电池和电动机相连。2.3.3 实际操作：由手动遥控开关使汽车沿着一排载有电磁炉线圈开动，当其处于第一个电磁炉上方，其 车身下按钮棒使电磁炉开关打开后，即有高频

19、电流沿着电磁炉向车载线圈输送电能，车上指 示灯、电压表、电流表会显示其充电功能，当汽车离开第一个电磁炉并进入第二个电磁炉 时，会关断第一个电磁炉开关，同时打开第二个电磁炉开关，由第二个电磁炉向车输送高频 电流，以此类推，可使车子在开动过程中不断有高频电流对其车载线圈充电。方案二利用长条形线圈通过无线电波传输电能的装置2.3.4 装置原理：当频率在10100KC的中频无线电波如制成长条形的线圈，并安装在E字形的铁氧体槽内，它就可将电波能向上发射。如图1所示。E形铁软体图12.3.5 模型结构：1、将多个E形磁铁叠迭成1米长长条，在槽内嵌入线圈，并埋在公路地下。2、将一至二个E形铁叠成10厘米长长

20、条，在槽内嵌入线圈，并装在电动汽车的车底。RI 115/23车载磁铁地下供电“（交流电）6地下线围二 riiw 二地下磁铁2.3.6 实际使用:当用变频器将220伏50赫兹交流电变为100千赫中频电，当上方有一个四轮电动机驱动小车吸收电能后会进行行驶o2.4 一种用无线传输万式为电动汽车充电的车库2.4.1 课题背景：电动汽车需要对其蓄电池充电，一般都采用充电桩，有变压器、整流器、电源线、接线 头与插座，所以有接触电阻，受功率限制与有摩擦损坏缺点。目前国外在研究用无线传输方 式充电。2.4.2 装置原理：当一个变频电流通过一个平行线圈 后，它可产生磁力线，当这些磁力线切 割另一线圈时，可在其一

21、端产生变频电 流。达到无线传输电能的效果。如图所示。2.4.3 实际位置：可有三种1、放在汽车顶上：在汽车库顶放发射线圈，在汽车顶装接收线圈。如下图所示2、放在车头：由车头线圈与汽车库头墙上线圈接近而充电。3、放在车底：由车底线圈与车库底的线圈接近而充电。2结构：在汽车内的电器可分以下几个部分1、线圈：根据汽车蓄电池电压，可用线圈圈数来配比，一般充电线圈所产生电压高于 蓄电池电压的2030励宜，太高会不安全，太低会充电时间长。2、限流器：可控制充电电流在规定范围内。3、稳压电压：用稳压元件控制充电电压在一定范围内，在充电满到达额定电压会自动 关断。4、仪表：有电流表与电压表可观察其充电状况。5

22、、温度控制：在锂电池充满后会升温，在其高于室温10c20c时会自动关断电源。第六章 课题研究的感受与想法 在我的物理课题研究中，我充分运用到了在课上学习到的物理原理。在我的课题中，无线传输能源的原理就是通过交变 电流产生不断变化的磁场，从而产生感应电流。这其中就是 运用了电流的磁效应与电磁感应原理这几个电磁学中的基本原理。此外，我还通过公式估算出传输功率的大小。在研究实验中，我通过控制变量法探究无线传输能源的效率 大小和感受器与接受器之间距离变化的关系，并通过平行实验测出较精准的结论数据。在整个研究过程中，我在一次次实验的成败与不断的开拓创新中明白，科学家应该始终保持着对科学研究始终不变的热情

23、，要有坚持不懈的探究精神，即使遇到了一时的挫折，也不能气馁。同时，我在研究过程中也发现，很多的科学灵感是来源于朴素的生活的，因此我也应学习科学家们善于在生活中发现的这一态度。在我刚开始这一项目课题的研究时，我是既自信又茫然的：自信的是我相信我的能力一定能做好这一充满前景的项目；茫然的是我不知该从何处开始我的研究。万事开头难，但是在我的指导老师黄老师的点拨下，我很快开始了我的课题研究，并从最根本的理论开始入手。但我很快又遇到了难题。由于家用交流电的频率低，而无线传输能源所要求的频率高，因此无法直接用作于我的课题中，为此我不得不把我的课题停搁了好几日，转而不断通过各种途径查找资料，希望能有效地解决这一问题。功夫不负有心人，在对日常生活的观察中，我发现家用电磁炉的工作原理与我的项目有相似之处。在黄老师的帮助下，我终于利用家用电磁炉中的 ，高效地解决这一问题。在探寻解决方案的过程中，我真真确确地感受到了作为一个“小科学家”为了项目研究而废寝忘食的感觉，也深深体会到了项目研究的不容易。不仅如此，我还从辅导老师黄老师那里学会了在对日常生活的观察中寻找灵感，让科研项目真正地来源于生活，服务于社会25/23附录附录一能闪光的无电源环:附录二能发光的无线圣诞树附录三高效无线充电装置