无线充电线圈中的耦合电感特性研究

实验题目：无线充电线圈中的耦合电感特性研究

课程简要信息

课程名称：电路原理（理实一体）

课程学时： 32+32

项目学时： 2

适用专业：电气工程、自动化

学生年级：大一下（普通班）、大二上（转专业组班）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1. 观察交流电路的互感现象：接通电源，观察接收端线圈所接LED灯泡点亮的过程；

2. 学习用实验的方法测定线圈同名端；

3. 学习互感系数的测量方法：通过两个具有互感耦合的线圈顺向串联和反向串联实验，测量线圈的自感和耦合电感；

4. 探索两个线圈空间距离、几何位置对线圈互感的影响：改变线圈间的距离、中心偏移位置，相对倾角等参数，观察LED亮度变化；

5. 将接收端线圈开路，改变线圈间的距离、中心偏移位置、倾斜角度等参数，记录发送端的电流和接收端的电压U，电路的角频率ω，将其记录到表格中，并计算对应的互感值；

6. 总结线圈耦合增强与减弱的方法，并通过实验进行验证。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 互感现象的观察：接好线路，接通电源，观察接收端线圈所接LED灯泡点亮的过程。

2. 基于直流法的同名端判断：接好线路，观察实验现象，判断同名端。

3. 基于交流法的的同名端判断：接好线路，观察实验现象，判断同名端，并记录数据。

4. 顺向串联两个具有耦合的电感，记录电压U1、电流I1，以及电路的角频率ω，并计算等效电感，填入表格。

5. 反向串联两个耦合电感，重复步骤4。

6. 根据步骤4和步骤5的结果计算耦合电感值与耦合系数。

7. 互感系数影响因素探究：改变耦合线圈间的距离、偏移角度，探究影响规律。

8. 撰写报告，分组汇报，交流耦合现象的特点、同名端的判别方法、互感的测量以及影响互感的因素与线圈耦合增强与减弱的方法。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

图1所示为两个同轴布置的线圈，当送电线圈通以一定频率的交流电，通过电磁感应在充电线圈产生一定的电流，从而将能量从发射端转移到接收端，这是电磁感应无线充电的原理。两个线圈之间的相互耦合关系，可看作线圈间的互感，线圈间的互感容易受到线圈的空间距离，绕线方式和几何位置影响。本实验将重点研究这些影响因素。

图1 电磁感应式无线输电

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

本项目所需实验设备及器材如表1所示。

表1 实验设备及主要器材表

图2 电工实验台

图3 耦合电感线圈及磁芯

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

实验以实际工程项目为背景，通过改变耦合线圈间的距离、偏移角度等参数观察小灯的亮暗情况，加深理解互感现象。学习用实验的方法测定同名端、测量互感系数，通过两个具有互感耦合的线圈顺向串联和反向串联实验，引导学生了解影响线圈耦合的因素，并设置探索性环节引导学生去探究线圈距离、偏移角度对耦合特性的影响，通过测试与分析对增强与减弱线圈间的耦合效应提出建议。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个验证性与设计探索性相结合的项目，需要经历现象观察、理论验证、实验测量、探索方案设计、数据记录、规律总结与方案推荐等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 耦合现象的观察及正确描述，在改变线圈间参数的同时，应保持另一参数基本不变，观察LED灯珠点亮的状态，并能够根据实验现象总结出具体的规律。

2. 耦合线圈同名端的测量，应注意电压、电流参考方向的定义，对比指针式万用表和数字式万用表数据显示形式的差异，选择合适的方法和测量工具进行同名端的判定。

3. 耦合电感的测量原理。使用顺向串联，反向串联可以测量出耦合电感的原理。电感值的间接测量，电感值不能直接测量，只能通过测量电流计算得到阻抗后间接得到。

4. 在耦合电感影响因素电路设计、搭试、调试完成后，使用前述顺向串联和反向串联的方式对耦合电感进行测量。

5. 在耦合电感影响因素探索清楚后，针对需要增强或削弱两个耦合线圈间的耦合作用，给出合理的、可行的建议。

6. 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，汇报学生在实验过程中的步骤、实验结果的总结和探索方案的设计，拓展学生综合素质。

由于本实验涉及到交流电压的使用，需要特别强调学生实验过程中的安全实验教育。

图4 教学现场

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1. 耦合现象的观察

按图5接好线路，接通电源，观察接收端线圈所接LED灯泡点亮的过程。改变线圈间的距离，倾斜其中一个线圈，观察LED亮度变化。

(a)原理图 (b)无线收发线圈

图5 耦合线圈互感现象观察

2. 同名端测量原理

同名端是指当两个线圈中电流同时由同名端流入(或流出)时，两个电流产生的磁场相互增强。根据这一定义可以采用直流法或交流法进行同名端判定。

1. 直流法

图6 直流法判断同名端

如图6所示，用直流电流表毫安档，当开关闭合后，观察毫安表的指针偏转，若指针正向偏转，则13端为同名端，否则14端为同名端。

②交流法

用一直调压器和一只交流电压表

图7 交流法判断同名端

如图7所示串联连接两个耦合电感，然后在其中的一个线圈上施加电压U1,测量两个电感的串联总电压U2，若U2>U1，则13端为同名端，若U2<U1，则14端为同名端。

3. 线圈自感、互感及耦合系数的测量

图8 自感系数测量

如图8所示，将互感线圈1-2通过220V/36V单相变压器接至单相可调电压输出端，调节电源控制屏输出电压，使通过线圈的电流不超过0.5A，线圈3-4两端开路，用交流电压表分别测量电压U1，用交流电流表测量电流I1，用万用表直流当测试线圈1的电阻R1。

此时可得到

，，

用交流电压表测量3-4两端的开路电压U2。

可计算得互感

将线圈3-4和1-2对调，测量相应电压电流参数，可得到线圈3-4的自感L2。

4. 线圈互感系数影响因素的探究

影响互感系数的因素是多方面的，两共轴平行圆线圈之间的互感系数受到线圈的几何形状、尺寸、匝数以及线圈之间的相对位置影响。

图9 共轴平行圆线圈

根据经典电磁学，两线圈之间的互感为

将接收端线圈开路，改变线圈间的距离，倾斜其中一个线圈，记录发送端的电流和接收端的电压，电路的角频率w，将其记录到表2中，并计算对应的互感值。

表2 互感影响因素记录表

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验原理分析

2. 实现方案论证

3. 理论推导计算

4. 耦合电感测量电路设计

5. 电路测试方法

6. 实验数据记录

7. 数据处理分析

8. 实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1. 实验原理正确性：同名端测量方案、耦合电感、自感测量电路的方案设计合理性，耦合线圈影响因素以及所设计方案在实验室现有条件下的可行性。

2. 实验完成质量：同名端辨别的准确性、快速性，自感、耦合电感、耦合系数测量数据的准确性。

3. 自主创新：耦合系数影响因数探索方案设计的创新性，测量的便捷性与可及性，自主思考与独立实践能力。

4. 实验安全：是否遵守实验室安全管理规定，是否有违规操作。

5. 实验数据：测试数据和测量误差。

6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：本项目从无线充电线圈间的耦合引入主题，实验具有充分的实际工程背景和一定的趣味性。同时，除了验证性的耦合电感同名端测量和耦合系数测量外，还增加了线圈距离、偏移角度对耦合系数的影响的探究，可以培养学生科学探究的思维和基本的科学研究素养。