磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究与优化

发布时间：2020-07-16 05:07

【摘要】：无线电能传输技术是一种新兴的电能传输技术,其系统基于电磁感应耦合原理,利用线圈间的谐振耦合进行能量的无线传输。该技术具有传输效率高、距离远的优点,在电动汽车无线充电、医学植入设备、水下机器人等领域有着广泛的应用前景,因此成为当前无线电能传输技术的研究热点。本文针对磁耦合谐振式无线电能传输系统开展研究与优化。首先,利用电路理论分析了两线圈无线电能传输系统的基本原理,并推导了两线圈系统的输出功率和传输效率表达式。在此基础上,进一步分析了四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统的基本原理和传输特性,并对比了两线圈结构和四线圈结构的优缺点。根据所分析的结果,将具有更好频率稳定性的全串联谐振补偿拓扑用于本文的四线圈无线电能传输系统的研究与优化。其次,根据等效电路理论推导出四线圈模型的输出功率和传输效率公式,并由此可知线圈间的互感对系统的传输特性影响较大。对圆形线圈的互感计算方法进行了研究,获得线圈间的距离、线圈半径与两线圈间互感的关系表达式。进而分析了系统效率、输出功率与线圈互感间的关系,并利用电路仿真软件对所推导的四线圈系统传输特性表达式进行了验证。通过系统传输特性与负载电阻的关系的研究,求出了其效率最佳时的负载值,同时还对系统的频率特性进行了分析。然后,分析了采用辅助线圈对等效耦合系数进行动态调整的理论模型及可行性。在四线圈系统的驱动线圈和发射线圈之间,接收线圈和负载线圈之间分别添加一个辅助线圈,推导出含有辅助线圈情况下磁耦合结构的等效耦合系数,使得四线圈系统可以根据不同的工况动态调整线圈间的耦合系数,从而提高四线圈系统的传输效率和输出功率。最后,搭建了基于E类逆变器的实验样机,对本文所提出的理论与设计方法的可行性与准确性进行了验证。实验样机端到端的实测效率峰值达到86%,并且当系统传输距离大于150mm时,输出功率与系统传输效率可由原来的20W、46%提升到50W、60%,在不影响系统近距离传输效率的前提下提高了其在较远传输距离时的输出功率与效率。
【学位授予单位】：福建工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724
【图文】：

辐射式

为人们所用。逡逑１．２无线电能传输的分类逡逑无线电能传输（ＷＰＴ）按其传输机理可以分为三种，如下图１－１所示。逡逑省邋辐射式逡逑（邋＇＇逡逑Ｉ无线电能传输＇■一？磁感应耦合式逡逑＜磁耦合谐振式逡逑图Ｍ无线电能传输的分类逡逑第一种为辐射式，包括微波激光等，如下图１－２所示为辐射式无线电能传输系统，辐逡逑射式无线电能传输通过天线发送和接收电磁波能量，首先利用微波设备把能量转换成微波逡逑形式，然后将能量通过天线设备发射出去，这时，接收天线就可以从微波中接收能量了，逡逑最后再通过能量转换装置将能量转换成人们所需的直流电。该技术的特点是成本低、结构逡逑简单，传输距离远，但其传输功率低，大量电能以无线电波的方式浪费掉，导致传输效率逡逑比较低，一般在卫星、宇宙飞船、空间站等特殊领域内使用。其中激光方式的定向性能好、逡逑传输功率大，但是目前技术还不成熟。逡逑ｔｌｔＡ逦＼逦／逦＼逦／逦能量输出／逦＼逡逑发射天线逦接收天线逡逑图１－２辐射式无线电能传输逡逑第二种为磁感应z1合电能传输（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ，邋ＩＣＰＴ），如图邋１－３逡逑所示

磁场分布,传输系统,东南大学,中继

走向人们的视野。逡逑东南大学黄学良教授课题组采用互感耦合理论对双中继无线电能传输系统进行建模逡逑分析，探讨了系统传输效率和接收线圈以及耦合系数之间的关系，如图１－５所示，为使系逡逑统达到最大的传输效率，对不同线圈匝数进行分析，从而找出效率最优的匝数值［９］。其还逡逑对磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型进行研宄分析，利用等效电路理论分析系统逡逑传输效率和输出功率与系统的工作频率、负载电阻及线圈距离之间的关系，最后得到效率逡逑和功率的表达式，并且设计出一套串并式结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统，用实验逡逑仿真验证了理论分析的正确性［１（）］。逡逑（＊逦，邋Ｉ逦＾＊１逦／逡逑图１－５东南大学的双中继无线电能传输系统逡逑该团队还研究了无线电能传输系统遇到金属障碍物的情况［１１］，分别分析了金属障碍物逡逑在发射线圈侧、接收线圈侧以及在两线圈之间的情况，如图１－６所示，通过ＣＯＭＳＯＬ有逡逑限元软件对金属障碍物在系统不同位置时周围磁场分布情况进行了分析

分析图,黄学,团队,传输系统

输实验电路对理论进行实验和仿真分析［１８］。并且其团队利用等效电路法提出磁耦合谐振式逡逑无线电能传输系统功率和效率同步达到最大的概念，并且推出了功效同步最大化的需求条逡逑件，最后搭建实验平台如图１－７所示，实验结果验证了理论分析的正确性［１９］。逡逑５逡逑

【参考文献】