CN207602108U - 基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及教学装置技术领域，具体涉及一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置。教学装置包括谐振线圈、用于固定谐振线圈的旋转平台、壳体以及设置在壳体内用于驱动旋转平台旋转的旋转机构；旋转机构包括设置在壳体侧壁上的电机旋钮、与电机旋钮连接的电机驱动模块、受电机驱动模块驱动的步进电机、与步进电机连接的锥形齿轮以及与锥形齿轮连接的连接轴；连接抽的另一端穿过壳体与旋转平台连接并带动旋转平台进行旋转；谐振线圈为正方形线圈、椭圆形线圈、长方形线圈或者圆形线圈中的一种。本实用新型便于教学，能够使学生对电磁谐振的有深入理解。

Description

基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置

技术领域

本实用新型涉及教学装置技术领域，具体涉及一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置。

背景技术

2006年11月，美国麻省理工学院MIT物理系助理教授索尔贾希克Marin Solaced提出一种可以通过无线电能传输技术利用电磁能的新理论。利用两个铜丝线圈充当共振器，一个线圈与电源相连，作为发射器；另一个与台灯相连，充当接收器。结果，他们成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮。其中电磁感应式无线供电技术是国内外学术界和工业界开始探索的一个新领域，属于世界上电能输送领域的前沿课题。目前，学生在学习理解磁谐振耦合、电磁场、高频电力电子、电磁感应、耦合模理论时，由于这些知识比较抽象，学生理解困难，无法让学生深入理解知识点。由于没有相应的实验装置大量相关研究只能停留在理论分析。

专利CN201710337841.5公开了的实训装置体积笨重，功能单一，其只能做具有针对性的单一实验，对比实验过程中加减线圈较为困难，实验操作步骤极其繁琐。线圈旋转角度不能自动调节，手动调节大大降低了实验数据的可靠性，由于轨道贯穿线圈，因此线圈旋转角度区间较小，大大降低了装置的可操作性，同时该专利中公开了线圈与轨道固定一体，导致无法改变线圈间的距离，无法研究距离与传输效率间的关系，进而缩小了此实验装置的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提供一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置及实验方法。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，包括谐振线圈、用于固定所述的谐振线圈的旋转平台、壳体以及设置在所述的壳体内用于驱动所述的旋转平台旋转的旋转机构；所述的旋转机构包括设置在所述的壳体侧壁上的电机旋钮、与所述的电机旋钮连接的电机驱动模块、受所述的电机驱动模块驱动的步进电机、与所述的步进电机连接的锥形齿轮以及与所述的锥形齿轮连接的连接轴；所述的连接抽的另一端穿过所述的壳体与所述的旋转平台连接并带动所述的旋转平台进行旋转；所述的谐振线圈为正方形线圈、椭圆形线圈、长方形线圈或者圆形线圈中的一种。

所述的旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的谐振线圈的插口。

所述壳体的侧壁上还设有示波器接口、与电感调节模块连接的电感调节旋钮、与电容调节模块连接的电容调节旋钮、与电压显示模块连接的电压显示刻度盘、与电流显示模块连接的电流显示刻度盘、与labview测试模块连接的labview测试通道接口、散热窗、以及锂电池接口。

所述电容调节模块包括一组定片和一组动片，且并联在谐振线圈插口两端；所述电容调节旋钮与动片连接，其容量随动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，电容量可调范围在10-270pF；所述可调电感模块由可调共模电感组成，所述可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，可调电感模块与谐振线圈插口两端串联，电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围2.1-6.8uH。

所述的示波器接口为两个，其中一个为波形输出端，另外一个为接地端，两个接口分别于所述的旋转平台上的谐振线圈连接；当***工作时可以连接示波器来显示当前***旋转平台接口的谐振线圈中的电压的幅值和频率，通过调节电容调节旋钮和电感调节旋钮改变谐振线圈的自谐振频率从而和谐振装置所产生的频率达到一致。

所述的锂电池充电接口与设置在所述的壳体内的锂电池连接用于为所述的锂电池充电。

本实用新型还包括一种电磁耦合传输中谐振装置的教学装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一、选择教学装置配备的不同型号的谐振线圈，将谐振线圈插接在旋转平台的插口中；

步骤二、将锂电池安装在谐振装置侧面的锂电池盒中，此锂电池用来给装置内部的步进电机和步进电机驱动模块供电；

步骤三、将示波器第一通道探头公共端接入到示波器的接地端接口，将信号采集端与示波器的波形输出端接通，通过调节电感调节旋钮和电容调节旋钮来调节谐振线圈的自谐振频率；

步骤四、通过观察谐振装置壳体上面的电压显示刻度盘和电流显示刻度盘来读取到当前谐振线圈两端的电压值和流过谐振线圈的电流值；

步骤五、通过读取电感调节旋钮和电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；

步骤六、用户可以将现有的labview测试装置与教学装置外置的labview测试通道接口连接来对电压、电流、电容、电感、频率、功率、幅值和相位进行采集从而用电脑对测量的数据进行分析计算储存；

步骤七、用户可以通过调节壳体上面的旋转平台调节旋钮来改变谐振线圈相对于壳体的角度；

步骤八、用户可以更换不同配置的不同型号的不同形状的谐振线圈插装在壳体顶部旋转平台上的插口上进行调节，重复步骤1-7进行实验；

步骤九、关闭步进将旋转平台调节旋钮，关闭步进电机开关电源，整理实验器材。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型克服传统教学工具中无线传能教仪上的不足，而提供一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置及实验方法，通过改变不同的谐振线圈，以及谐振线圈在旋转平台上的旋转，从而实现对电压、电流、电容、电感、频率、功率、幅值和相位的改变，便于教学，能够使学生对电磁谐振的有深入理解。

附图说明

图1为本实用新型基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置的外部结构示意图；

图2为本实用新型的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置内部结构示意图；

图3为本实用新型的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置的谐振线圈可替换示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1-3所示，一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，包括谐振线圈14、用于固定所述的谐振线圈的旋转平台11、壳体1以及设置在所述的壳体内用于驱动所述的旋转平台旋转的旋转机构；本实用新型中优选的壳体为长200mm，宽100mm的长方体盒子。所述的旋转机构包括设置在所述的壳体侧壁上的电机旋钮17、设置在所述的电机旋钮环周的电机旋钮刻度盘21、与所述的电机旋钮连接的电机驱动模块16、受所述的电机驱动模块驱动的步进电机11、与所述的步进电机连接的锥形齿轮以及与所述的锥形齿轮连接的连接轴24；所述的连接抽24的另一端穿过所述的壳体与所述的旋转平台连接并带动所述的旋转平台进行旋转；所述的步进电机18为35BYJ412B的12v步进电机，步进电机驱动模块采用ULN2003驱动模块，锥形齿轮选用40齿5模的锥形齿轮和15齿5模的锥形齿轮，所述步进电机和40齿锥形齿轮22连接，40齿锥形齿轮和15齿锥形齿轮23进行啮合，连接轴24的下端与15齿锥形齿轮连接，上端贯穿壳体1和旋转平台连接，通过调节旋转平台调节旋钮带动步进电机驱动模块，从而带动步进电机带动齿轮传动进而驱动旋转平台转动，电机旋钮刻度盘的调节范围是-180°-180°。

所述的谐振线圈为正方形线圈25、椭圆形线圈26、长方形线圈27或者圆形线圈14中的一种。所述的旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的谐振线圈的插口。

所述壳体的侧壁上还设有示波器接口8、与电感调节模块连接的电感调节旋钮、设置在所述的电感调节旋钮环周的电感刻度盘19、与电容调节模块连接的电容调节旋钮4、设置在所述的电容调节旋钮环周的电容刻度盘20、与电压显示模块连接的电压显示刻度盘9、与电流显示模块连接的电流显示刻度盘10、与labview测试模块连接的labview测试通道接口13、散热窗15、以及锂电池接口5。所述的锂电池充电接口与设置在所述的壳体内的锂电池连接用于为所述的锂电池2充电，所述的锂电池2卡插在锂电池槽3中。

所述电容调节模块包括一组定片和一组动片，且并联在谐振线圈插口两端；所述电容调节旋钮与动片连接，其容量随动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，调节依据电容量可调范围在10-270p；所述可调电感模块由可调共模电感组成，所述可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，可调电感模块与谐振线圈插口两端串联，电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围2.1-6.8uF。

所述电感调节旋钮的公称直径为2.5cm，电感刻度盘调节的范围是从2.1-6.8uH，可以通过刻度盘读数来确定当前电感的大小。

所述电容调节旋钮粗调的公称直径为2.5cm，电容刻度盘调节的范围是从10-270pF，可以通过刻度盘读数来确定当前电容的大小。

所述电压显示刻度盘镶嵌在壳体外部，刻度0-30V，一分度5v,二分度1v，用于显示谐振线圈两端的电压幅值。

所述电流显示刻度盘：镶嵌在壳体外部，刻度为0-2A，一分度0.5A,二分度0.1A，用于显示谐振线圈中的电流幅值。

所述谐振线圈配备有不同线径、线圈直径和匝数的谐振线圈，线径可为1.00mm、1.25mm、1.50mm，线圈直径可为100mm、150mm、200mm，线圈匝数可为2、4、6等。

所述的示波器接口为两个，其中一个为波形输出端，另外一个为接地端，两个接口分别于所述的旋转平台上的谐振线圈连接；当***工作时可以连接示波器来显示当前***旋转平台接口的谐振线圈中的电压的幅值和频率，通过调节电容调节旋钮和电感调节旋钮改变谐振线圈的自谐振频率从而和谐振装置所产生的频率达到一致。

本实用新型还包括一种电磁耦合传输中谐振装置的教学装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一、选择教学装置配备的不同型号的谐振线圈，将谐振线圈插接在旋转平台的插口中；

步骤二、将锂电池安装在谐振装置侧面的锂电池盒中，此锂电池用来给装置内部的步进电机和步进电机驱动模块供电；

步骤三、将示波器第一通道探头公共端接入到示波器的接地端接口，将信号采集端与示波器的波形输出端接通，通过调节电感调节旋钮和电容调节旋钮来调节谐振线圈的自谐振频率；

步骤四、通过观察谐振装置壳体上面的电压显示刻度盘和电流显示刻度盘来读取到当前谐振线圈两端的电压值和流过谐振线圈的电流值；

步骤五、通过读取电感调节旋钮和电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；

步骤六、用户可以将现有的labview测试装置与教学装置外置的labview测试通道接口连接来对电压、电流、电容、电感、频率、功率、幅值和相位进行采集从而用电脑对测量的数据进行分析计算储存；

步骤七、用户可以通过调节壳体上面的旋转平台调节旋钮来改变谐振线圈相对于壳体的角度；

步骤八、用户可以更换不同配置的不同型号的不同形状的谐振线圈插装在壳体顶部旋转平台上的插口上进行调节，重复步骤1-7进行实验；

步骤九、关闭步进将旋转平台调节旋钮，关闭步进电机开关电源，整理实验器材。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (6)

1.一种基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，其特征在于，包括谐振线圈、用于固定所述的谐振线圈的旋转平台、壳体以及设置在所述的壳体内用于驱动所述的旋转平台旋转的旋转机构；所述的旋转机构包括设置在所述的壳体侧壁上的电机旋钮与所述的电机旋钮连接的电机驱动模块、受所述的电机驱动模块驱动的步进电机、与所述的步进电机连接的锥形齿轮以及与所述的锥形齿轮连接的连接轴；所述的连接抽的另一端穿过所述的壳体与所述的旋转平台连接并带动所述的旋转平台进行旋转；所述的谐振线圈为正方形线圈、椭圆形线圈、长方形线圈或者圆形线圈中的一种。

2.根据权利要求1所述的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，其特征在于，所述的旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的谐振线圈的插口。

3.根据权利要求2所述的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，其特征在于，所述壳体的侧壁上还设有示波器接口、与电感调节模块连接的电感调节旋钮、与电容调节模块连接的电容调节旋钮、与电压显示模块连接的电压显示刻度盘、与电流显示模块连接的电流显示刻度盘与labview测试模块连接的labview测试通道接口、散热窗以及锂电池接口。

4.根据权利要求3所述的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，其特征在于，所述电容调节模块包括一组定片和一组动片，且并联在谐振线圈插口两端；所述电容调节旋钮与动片连接，其容量随动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，电容量可调范围在10-270pF；所述可调电感模块由可调共模电感组成，所述可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，可调电感模块与谐振线圈插口两端串联，电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围在2.1-6.8uH。

5.根据权利要求4所述的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，其特征在于，所述的示波器接口为两个，其中一个为波形输出端，另外一个为接地端，两个接口分别与所述的旋转平台上的谐振线圈连接；当***工作时可以连接示波器来显示当前***旋转平台接口的谐振线圈中的电压的幅值和频率，通过调节电容调节旋钮和电感调节旋钮来改变谐振线圈的自谐振频率从而和谐振装置所产生的频率达到一致。

6.根据权利要求3所述的基于电磁耦合传输中谐振装置的教学装置，其特征在于，所述的锂电池充电接口与设置在所述的壳体内的锂电池连接用于为所述的锂电池充电。