一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种教学装置，尤其涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置。本发明专利技术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磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置。该磁耦合谐振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、谐振线圈、线圈支撑机构和负载箱等，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，展示实验过程中磁耦合谐振式无线电能传输系统相关参数的变化情况。

A teaching device of magnetic coupling resonance radio energy transmission system

【技术实现步骤摘要】
一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置
本专利技术涉及一种教学装置，尤其涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置。
技术介绍
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，国内外各大高校均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，改变谐振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谐振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，因谐振线圈较重，老师调节谐振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磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置是必不可少的。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种磁耦合谐振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谐振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。本专利技术装置包括滚轮、基座、上位机、电源箱、三维移动机构、谐振线圈、线圈支撑机构和负载箱等；上位机、电源箱、三维移动机构、谐振线圈、线圈支撑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；电源箱与谐振线圈之一的发射线圈通过射频线相连，为磁耦合谐振式无线电能传输系统提供电能；另外一个谐振线圈即接收线圈，通过射频线与负载箱相连；线圈支撑机构作为连接件，连接谐振线圈与三维移动机构；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、矢量网络分析仪、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。负载箱内的矢量网络分析仪主要用于实验前的调谐过程；在进行系统调谐时，矢量网络分析仪经由射频线连接接收线圈，通过调整谐振线圈的匝间距使两线圈谐振频率达到一致；电阻、功率计、电压及电流探头、示波器主要用于实验过程，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。谐振线圈的材质为紫铜，形状为圆柱螺旋型，两谐振线圈的导线直径、单匝线圈直径、相邻每匝线圈间距和线圈匝数等参数保持一致。谐振线圈的支撑机构材质为环氧树脂；在顶部支撑杆的顶端，两根中心部分掏空一半的方形杆通过螺丝、螺母固定成“×”字形，在“×”字形方形杆的四个杆角上分别固定四根中心镂空的环氧树脂管，镂空部分的宽度与绕制谐振线圈的紫铜管外径一致，用于固定谐振线圈。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谐振线圈的轴向移动；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，用于轴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两个用于轴向移动的滑台。三维移动机构的中层机械结构主要用于控制谐振线圈的径向移动；中层滑轨固定在两个底层滑台之间，步进电机安装于中层滑轨的任意一端，丝杆装载到步进电机与另一底层滑台之间，用于径向移动的滑台安装在丝杆上；三维移动机构的中层由四个上述机械结构组成，每个机械结构都包含两个用于径向移动的滑台。三维移动机构的顶层机械结构主要用于控制谐振线圈的轴向旋转；在中层机械结构的各个径向移动滑台上安装有底部支撑杆，相邻两个中层机械结构的四根底部支撑杆连接在固定底座的下板上，固定底座的上板中心镂空用于装载旋转底座；所述固定底座的上、下板经双头螺杆连接；所述固定底座的下板与旋转底座的下板通过双头螺杆连接，双头螺杆中间装有第一齿轮；所述第一齿轮左边装载大扭矩舵机，舵机的舵盘与第二齿轮经螺丝、螺母固定为一体，舵盘带动第二齿轮旋转，进而带动第一齿轮旋转，最后带动旋转底座；所述大扭矩舵机通过螺丝、螺母安置于固定底座的下板上。旋转底座的上、下板通过双头螺杆连接，固定有“×”字方形杆的顶部支撑杆固定于旋转底座的上板，大扭矩舵机带动旋转底座旋转，进而使谐振线圈做轴向旋转运动。本专利技术具有积极的效果：(1)本专利技术设计的装置，可在教学实验过程中实时改变无线电能传输系统的谐振线圈方位，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，克服了教师手推谐振线圈误差大、操作需要断电的问题，从而能够实现在带电情况下对谐振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是本专利技术系统结构示意图；图2是本专利技术三维移动机构的底层和中层结构示意图；图3是本专利技术三维移动机构的顶层结构示意图；图4是本专利技术线圈支撑结构示意图。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、线圈支撑机构8、谐振线圈9、负载箱10、参数测试装置11(电阻、功率计、矢量网络分析仪、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。图3中的各部件标记如下：固定底座的下板1、固定底座的上板2、旋转底座的下板3、第一齿轮4、大扭矩舵机5、结合体6、旋转底座的上板7。图4中的各部件标记如下：方形杆1、中心镂空管2、顶部支撑杆3、谐振线圈4。具体实施方式下面结合附图阐述
技术实现思路
的具体实施方式。如图1所示的一种磁耦合谐振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、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、线圈支撑机构8、谐振线圈9、负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁耦合谐振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、谐振线圈、线圈支撑机构和负载箱等；上位机、电源箱、三维移动机构、谐振线圈、线圈支撑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；电源箱与谐振线圈之一的发射线圈通过射频线相连，为磁耦合谐振式无线电能传输系统提供电能；另外一个谐振线圈即接收线圈，通过射频线与负载箱相连；线圈支撑机构作为连接件，连接谐振线圈与三维移动机构；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、矢量网络分析仪、电压及电流探头、示波器。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁耦合谐振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、谐振线圈、线圈支撑机构和负载箱等；上位机、电源箱、三维移动机构、谐振线圈、线圈支撑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；电源箱与谐振线圈之一的发射线圈通过射频线相连，为磁耦合谐振式无线电能传输系统提供电能；另外一个谐振线圈即接收线圈，通过射频线与负载箱相连；线圈支撑机构作为连接件，连接谐振线圈与三维移动机构；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、矢量网络分析仪、电压及电流探头、示波器。


2.如权利要求1所述的一种磁耦合谐振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所述的一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置，其特征在于负载箱内的矢量网络分析仪主要用于实验前的调谐过程；在进行系统调谐时，矢量网络分析仪经由射频线连接接收线圈，通过调整谐振线圈的匝间距使两线圈谐振频率达到一致；电阻、功率计、电压及电流探头、示波器主要用于实验过程，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所述的一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置，其特征在于谐振线圈的材质为紫铜，形状为圆柱螺旋型，两谐振线圈的导线直径、单匝线圈直径、相邻每匝线圈间距和线圈匝数等参数保持一致。


5.如权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线电能传输系统教学装置，其特征在于谐振线圈的支撑机构材质为环氧树脂；在顶部支撑杆的顶端，两根中心部分掏空一半的方形杆通过螺丝、...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛萍娟，王辰羽，马雪茹，张献，韩丽丽，隋宇，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12