谐振式无线电能传输系统的耦合机构磁屏蔽研究

发布时间：2020-05-23 07:04

【摘要】：无线电能传输系统具有便捷性、安全性、通用性和避免结构损坏等优点,最重要的是利用该技术可以实现动态充电,具有巨大的经济和社会效益。在无线电能传输系统运行时,耦合机构周围存在大量的交变电磁场,这些能量若不能得到充分的应用,将会使周围的设备及生物暴露在强磁场之内,造成严重的危害。因此,本文通过研究及实验分析证明采用磁屏蔽材料不仅可以有效解决这一问题,而且能够提升无线电能传输系统的传输效率。本文对串-串型谐振式无线电能传输系统建立数学模型分析得到影响系统传输特性的因素,包括负载、互感和频率等。在此基础上分析磁屏蔽对耦合机构各参数及无线电能传输系统传输效能的影响。通过对串-串型无线电能传输系统参数的简化,在负载阻值不变时,推导出互感与失谐因子对系统传输特性的影响,得出系统产生频率分裂的条件。同时,采用控制变量法分析互感和频率对系统传输特性的影响。研究耦合机构互感对系统最佳负载以及电感对原、副边回路品质因数的影响。最后,分析原、副边回路的谐振状态对系统传输效率的影响。借助Maxwell分析导线在高频下的损耗,该损耗主要由集肤效应和邻近效应引起。通过Maxwell建立耦合机构的3D模型,并计算耦合机构磁屏蔽前后的电感、互感以及无线电能传输系统的传输效率。分析耦合线圈引入磁屏蔽材料后引起无线电能传输系统失谐的主要原因,以及通过修正补偿谐振电容的方法解决系统失谐问题。利用传输线理论分析均匀屏蔽材料的屏蔽效能,耦合线圈的轴距越大,屏蔽效能越大。虽然磁屏蔽对强耦合状态的系统传输效率提升不显著,但是可以有效降低耦合机构外侧的磁场强度。通过对谐振式无线电能传输系统的拓扑和关键器件进行对比和选择,搭建了硬件电路,使用该装置验证了磁屏蔽会导致系统失谐,修正补偿电容可以提高系统的传输效率。
【图文】：

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但是受限于当时的技术和经济等方面的因素，最学者们仍然没有放弃对无线电能传输技术的研究，且由于展，该技术取得了突破性的进展[7]。目前，根据传输机理技术主要包含有：电磁感应式、磁耦合谐振式和微波式[8感应式无线电能传输应式无线电能传输（Inductive Power Transfer，IPT），指实现电能无线传输的方法。其原理是高频的交流电传输过电磁感应原理产生感应电流，从而实现将电能从发射端技术具有输出功率大、传输效率高的特点。但是，这种方、能量传输方向性要求较高等不足[9]。目前该技术被广泛牙刷和智能手表等电子消费品无线充电领域。电磁感应式包括电源、整流滤波电路、逆变器、可分离变压器、电能磁感应式无线电能传输原理示意图，如图 1.2 所示。

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技术成熟，成本低廉，是一种广泛应用的技术[11]。智能手机无线充电如图1.3 所示。图 1.3 智能手机无线充电1.2.2 磁耦合谐振式无线电能传输2007 年，麻省理工学院提出磁耦合谐振无线功率传输（Magnetically-CoupledResonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT），通过设计发射和接收谐振器线圈点亮离电源 2m 开外的 60W 灯泡，传输效率达到 40%[12]。该方法的原理与声音的共振原理相似，，在输入同等能量的情况下，当激励源的频率和谐振回路的频率相同时，线圈内的电流幅值是非谐振时的数倍，线圈周围的磁场强度得到加强。当发射侧、接收侧谐振回路与系统工作频率达到相同频率时，两侧线圈共振，并且利用磁场来交换传输过程中能量，从而实现无线电能传输[13]。磁耦合谐振式无线电能传输与电磁感应式无线电能传输方法原理相近，主要区别在于磁耦合谐振方法在能量传输的过程中会发生强磁耦合谐振。磁耦合谐振式无线电能传输原理示意图，如图 1.4 所示。负载接收器驱动源无接触电磁耦合路径K振荡器振荡器图 1.4 磁耦合谐振式无线电能传输原理示意图相比电磁感应式无线电能传输技术，磁耦合谐振式无线电能传输技术的
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724

【参考文献】