感应电能传输系统中若干磁耦合线圈的结构与特性研究

发布时间：2020-11-21 17:10

　　 感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术以其安全、便利等优势受到国内外的广泛关注,然而,由于电磁耦合机构的耦合系数较低,制约着系统的传输效率,成为了IPT技术发展的一大瓶颈。为增大IPT系统的传输距离,提高IPT系统的效率和传输功率,本文基于IPT系统的电路模型和电磁耦合机构的空间特性,确立电磁耦合机构的互感和耦合系数对系统效率和传输功率的影响,并针对典型的平面线圈和双面线圈展开研究。针对平面线圈,首先,本文基于圆形阿基米德螺旋线圈,不添加任何屏蔽材料,通过计算圆形线圈的自感和互感,找出影响线圈电感的关键参数;保持线圈电感参数不变,提出三种匝间距圆形线圈在不同尺寸下对偏移的变化趋势,并通过有限元分析软件,对比分析三种匝间距线圈的磁场分布特性。其次,针对不同输出功率等级的需求,通过对磁耦合线圈电感参数的设计,基于方形的平面螺旋线圈,设计一种具有中心抽头的线圈结构;该结构通过切换线圈的抽头来改变线圈的电感参数,实现多种输出功率等级的切换。针对具有兼容性的双面螺旋线圈,本文基于双面对称的螺旋线圈,对电磁耦合机构的磁路进行研究,结合仿真结果,分析线圈两个绕组的间距对线圈自感及电磁耦合机构的互感和耦合系数的影响,并研究螺旋线圈双面耦合的结构特性。本文基于双面对称线圈的结构特性提出一种改进的双面线圈,该结构不仅可以延续双面对称螺旋线圈耦合的兼容性,避免原、副边线圈对齐时的感应零点,还能提高相应的互感和耦合系数,增大系统的传输效率。此外,将改进线圈的两个面分别类比典型的平面线圈,在含有金属屏蔽的电磁机构中,对比研究改进型线圈和两种平面线圈的偏移特性。最后,针对平面线圈,绕制不同稀疏程度的圆形阿基米德螺旋线圈,验证圆形线圈匝间距仿真研究的合理性。其次,搭建IPT系统的实验平台,通过切换线圈的抽头,实现500W和1.1kW两种功率等级的切换,验证本文设计的有效性与可行性。此外,针对双面线圈,基于IPT系统的实验平台,通过绕制改进线圈与双面对称的线圈结构进行实验对比,并将改进的线圈分别和类比的平面线圈进行偏移实验,验证改进型双面线圈理论与仿真的有效性与先进性。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM724
【部分图文】：

扇诺纫幌盗形侍舛枷⑾⑾喙亍Ｍ?1-1 IPT 系统的结构框图1.2 国内外研究现状与发展趋势根据最新公布的《2017-2021 年中国无线充电行业深度调研及投资前景预测报告》显示，虽然国内针对无线充电技术的研究较晚，但技术研发的发展速度较为迅猛，整体上与国际同步，也就是快速成长期。2011 年，山东省的几所高等研究机构从资源、研发、技术、行业、产业等方面进行分析，描绘了无线充电技术产业发展的宏大蓝图，绘制了“无线电力传输产业技术路线图”。同时，部分企业也在针对无线充电技术展开独立或是合作研发，目前已经取得重要突破，并已投入使用。1.2.1 无线电能传输技术的国外发展现状从 2015 年开始，电子设备无线充电技术的规模就在不断扩大，年底三星就推出了无线充电的产品，2017 年，苹果最新推出的 iPhone X 也拥有无线充电的功能，此后，将会带动更多品牌的消费电子配有无线充电的功能。与消费电子的无线充电技术相比，应用在电动汽车无线充电技术的研发则相对较晚。目前，国外的一些研究团队，如新西兰奥克兰大学、美国橡树岭国家

对 WPT 系统的建模方法、补偿网络的拓扑结构、电及电磁屏蔽等方面。用无线供电技术的电动汽车在国外已经研制有样机， 30 kW 无线充电的大巴就是由新西兰奥克兰大学与时也研制出列车轨道长 400 m，输出功率 100 kW 的为在线电动车。2013 年，位于龟尾市线路总长为 2入运行，传输功率 100 kW，效率可达 85%[23]。015 年 4 月 22 日 Formula E 电动方程式锦标赛上展线充电技术，如图 1-2 所示。作为较早研发电动汽，高通涉及到的功率等级包括 3.7kW、7.4kW、11k的系统效率都能达到 90%以上。针对电动汽车无线也有较为完善的解决方案，不仅包括高可靠性的功成等，还包括一些重要的附属功能，如异物检测、

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本文编号：2893329