跨高耗介质的无线供电技术及应用

发布时间：2019-11-08 06:05

【摘要】：近年来无线供电技术在消费电子、工业设备及自动化装备、医疗电子和军事装备等多个领域得到了广泛的应用。无线供电技术使得电能的传递不再受导线的束缚,这给人们生产生活带来了极大的便利。虽然现有的无线供电技术在跨空气或绝缘体外壳等低损耗介质应用中表现出良好的性能,但绝大部分的技术方法还不能直接应用在跨非铁磁性高损耗介质(如金属、泥浆、含盐液体)的场合,会出现无线传输效率严重降低,甚至完全被屏蔽的现象。为拓展无线供电的应用领域,本文对跨非铁磁性高损耗介质的无线能量传输的基础问题进行了研究,主要工作如下:首先,对三种最常见的无线供电技术进行了原理分析,其中重点讨论了感应耦合式和磁共振式无线供电技术在跨越非铁磁性高耗介质时可能遇到的问题。分析了常见非铁磁性高耗介质的损耗特性,对典型非铁磁性高耗介质对电、磁场和电磁波的屏蔽性能进行了计算对比,得出了相同频率下非铁磁性高耗介质对低频磁场的屏蔽性能最弱的结论,即低频磁场可以作为跨非铁磁性高耗介质电磁传输的手段。第二,开展了非铁磁性高耗介质下的无线传输实验。选取了三种典型非铁磁性高耗介质做为研究对象:盐水(含导电离子)、石墨(含低密度自由电子)、金属箔(高密度自由电子)。设计了实验系统并开展了1MHz~30MHz低频电场、磁场以及电磁波的传输实验与对比。结果支持了相同频率下低频磁场在非铁磁性高耗介质中传播衰减最小的结论,证明了理论分析的正确性。第三,建立了跨非铁磁性导电金属介质的电磁耦合传输模型。考虑了低频磁场穿透非铁磁性高耗介质时导电损耗和涡流损耗两类损耗机制,建立了等效互感耦合电路模型,从而为电路设计提供了参考模型。采用有限元和实验两种方法,对模型的有效性进行了验证,并获得了典型的参考数据。最后,在所提出的理论指导下,设计了一套跨非铁磁性金属无线能量传输系统,并针对低频条件下初次级线圈阻抗非常低的问题,提出了基于并联谐振的驱动技术和基于阻抗变换的接收方法,有效地提高了传输效率。测试结果表明:一方面观测到了非铁磁性金属介质层的存在导致松耦合结构初次级线圈电感量下降,等效电阻增加,与跨非铁磁性金属无线能量传输的电路模型得出的结果趋势吻合,验证了理论模型的有效性;另一方面,本文提出的方法在跨越0.1mm铜箔时仍可保持27.2%的传输效率,在跨越0.3mm铜箔时仍可保持2.89%的传输效率与同类文献相比有所提高。本文的主要成果,一方面从理论上解释了低频磁场能够穿透非铁磁性高耗介质的原因,并且进行了相应的实验验证;另一方面针对极高损耗的介质—非铁磁性金属,提出一种并联谐振和阻抗变换技术,这种技术可以实现能量的相对高效传输。本文的成果还可用于水下无线供电,泥浆中的无线供电,人体器官的无线供电等需要跨越非铁磁性高耗介质的应用领域。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM724

【参考文献】