基于阵列线圈磁耦合共振无线能量传输的研究

发布时间：2020-06-07 01:19

【摘要】：在2007年磁耦合共振(Magnetically Coupled Resonance,MCR)无线能量传输(Wierless Power Transfer,WPT)技术被提出,它是利用两个高品质因子谐振线圈的近场磁场特性,实现耦合共振传输能量。与感应耦合无线能量传输技术相比,它具有更高的传输距离和能量传输效率;与辐射方式无线能量传输技术相比,它向外辐射能量很小。因此,该技术被研究人员和工程师们广泛关注,并对其原理和应用进行了广泛的研究和探讨,例如电动汽车的无线充电、智能家居的无线供电、植入式医疗设备的无线充电、可穿戴设备和无线传感器网络等的应用。目前,虽然在它的一些关键技术和难点上,它的研究和攻关取得了一些进展,例如提高强耦合区和弱耦合区的能量传输效率,减小收发线圈之间相对位置变化(Lateral Misalignment)对系统性能的影响(即接收平面上效率的均匀分布化),减小收发线圈轴线之间角度θ变化(Angular Misalignment)对系统的影响(即接收线圈的可旋转性)。但是,这些问题仍然值得进一步深入探讨、研究与开发。因此,本论文推导了三线圈和四线圈无线能量传输系统的能量传输效率计算公式,然后研究了平面螺旋线圈的匝数、线间距、线径宽度对品质因子的影响,最后提出了将它们做为阵列单元来设计新颖的阵列线圈结构,并提出了优化流程;而后利用等效电路理论和磁场分布解释阵列线圈MCR-WPT系统的工作原理,提出了平面阵列线圈、立体阵列线圈、可重构模块阵列线圈MCR-WPT系统的优化设计。具体如下:首先,本论文介绍了四线圈MCR-WPT系统的基本结构,利用耦合模理论分析其能量传输机理,然后通过电路理论指出2-线圈和四线圈WPT系统之间的本质区别。接着计算了三线圈和四线圈MCR-WPT系统的能量传输效率公式,并讨论线圈结构与品质因子的关系、提出相应的优化流程,最后以它们作为后续阵列线圈的阵列单元,为后续阵列线圈MCR-WPT系统的设计提供理论指导。接着,本论文讨论了传统阵列线圈和平面阵列线圈MCR-WPT系统的性能,然后提出“8”字型平面阵列线圈和多层PCB结构的3×3平面阵列线圈MCR-WPT系统。它们扩大了能量传输覆盖面积,获得了能量传输效率分布均匀的能量接收平面,提高了接收线圈(即被充电电子产品如手机)的可移动性(Lateral Misalignment)。并着重通过等效电路分析“8”字型平面阵列线圈MCR-WPT系统能量传输效率分布均匀的原因,由实验结果和Ansoft High Frequency Structure Simulator(HFSS)的仿真结果对比,并与传统阵列线圈MCR-WPT系统的测试数据进行对比,证明它们能提高系统能量传输效率分布的均匀性和接收线圈的可移动性,并将两个平面阵列线圈组成一个无线充电桌面,为LED台灯、蓝牙音箱和智能手机等电子设备进行无线供电。然后,论文继续探索研究基于立体阵列线圈的MCR-WPT系统。设计了一个基于L型阵列发射线圈的MCR-WPT系统,通过增加一个垂直于发射和接收线圈的谐振线圈,从而提高强耦合区和弱耦合区的能量传输效率,并提出了相应的等效电路模型和优化方法,同时将结果与HFSS和Agilent ADS等电磁仿真软件的仿真结果进行对比,证明了该等效电路模型和优化方法的正确性。经过进一步的研究,提出基于Magnetic-Tank阵列发射线圈的MCR-WPT系统,分析它的磁场分布,然后对其工作原理进行阐述,最后通过实验进一步证明该系统解决了接收线圈自由旋转的问题(Angular Misalignment)。因此,根据以上立体阵列线圈MCR-WPT系统的实验结果,证明它们可以根据实际应用提高能量传输性能。随后,论文又提出一种形状可重构的模块阵列线圈MCR-WPT系统,它可以用于多种无线充电的应用。通过分析该系统在不同应用情况下的磁场分布,从而形象地阐述其工作机制。仿真结果表明,该系统在不需要改变匹配和谐振电容值的前提下,不仅能够实现接收线圈的可移动性,而且增加接收线圈的形状变化以适应接收负载设备的变化。同时,它还能通过改变发射和接收模块的组合,满足不同无线能量传输应用的要求。其实验结果也进一步证明该系统能提高无线能量传输系统的应用能力。最后,论文对上述工作进行了总结,并对以后无线能量传输系统的发展进行简单讨论。
【图文】：

电线,物理媒质,科研工作者,电子设备

[2]。图1-1 繁多的电线给人们生活带来不便无线能量传输是作为一种无需通过物理媒质连接，从而实现电能传输的方式。科研工作者一直致力于研究安全的、可移动的、方便的，能对各种小型电子设备

实验装置,共振式,磁耦合,传输技术

第一章绪论得能量可以在系统的某一个距离范围内高效0%以上；此外，该技术还具有良好的穿透性它几乎不会对系统的传输性能有影响，不会。总之，磁耦合共振式与磁感应式无线能量是谐振线圈直径的几倍，实现中距离的无线磁耦合共振式与微波\激光无线能量传输技术远远高于微波\激光无线能量传输，并且不需和实现。，磁耦合共振式无线能量传输技术具有相当包括家用电子设备、RFID、植入式医疗、电因此，该技术针对各种结构和应用特点，，以要的。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724

【参考文献】