无线充电系统磁耦合机构的设计及优化

摘要

相比于有线充电，无线充电具有操作便捷、无接触火花、可适应恶劣环境、智能化等优势，可适应电动汽车、机器人等设备的自动化、无人化等发展前景，被认为是未来充电方式的必然趋势。目前无线充电技术虽然得到了极大的关注，但用于电动汽车、机器人等设备的大中功率无线充电技术并未成熟，其效率仍然有待提升，辐射等安全性问题仍然有待解决。
　　磁耦合机构是无线充电系统能量转换和传输的核心部件，其设计的合理与否，直接关系到无线充电系统的功率、效率和辐射水平的高低。本文通过对磁耦合机构线圈的参数优化、磁芯结构的设计和优化、屏蔽层的屏蔽原理及结构设计三个方面给出了磁耦合机构的设计和优化方案，提升了无线充电系统效率，降低了系统辐射。
　　本文分析了无线充电系统的基础理论，在此基础上推导了非谐振状态下无线充电系统的输出功率和效率表达式，并采用MATLAB编程绘制输出功率、效率与频率的关系曲线，给出系统发生频率分裂的条件，并分析了频率分裂对无线充电系统的影响;通过研究频率分裂的临界条件，提出频率分裂的解决方案，即通过合理设计磁耦合机构的线圈电感参数可以避免频率分裂的产生。此外，分别给出了发射线圈和接收线圈不发生频率分裂的临界电感值表达式，并给出避免频率分裂前提下确定线圈电感值的流程图。
　　采用ANSYS Maxwell三维仿真，分别研究了目前最常用的圆形线圈和DD线圈的磁场分布，根据磁场分布划分自耦合区和互耦合区，并建立相关磁路模型，导出圆形线圈和DD线圈的耦合系数表达式。根据耦合系数表达式展示的影响线圈耦合的参数，通过在三维仿真中进行磁芯结构设计来优化这些参数，增强线圈间的互耦合，削弱线圈的自耦合，从而增强线圈的耦合系数。设计了针对圆形线圈的“车轮”型磁芯结构和针对DD线圈的“凹”型磁芯结构，并通过仿真验证了这两种磁芯结构的优越性。并在此基础上提出一种普适性的磁芯结构设计优化流程，为其他类型线圈的磁耦合机构磁芯结构设计提供依据。
　　在理论上给出了高电导率材料的屏蔽原理，给出了涡流效应的相关公式，并建立了加入屏蔽层的无线充电系统的等效电路，给出了屏蔽层对无线充电系统影响的理论公式。通过ANSYS Maxwell三维仿真，分别研究了大面积屏蔽层的加入（比如车底盘）对DD线圈和圆形线圈的影响，指出目前屏蔽层的缺点，并结合上述磁芯设计和优化，提出一种将铝板和磁芯相结合的新型屏蔽层结构，并通过仿真验证，验证新型屏蔽层的屏蔽效果，在此基础上总结出一种屏蔽层的设计和优化流程。
　　本文简单介绍了用于电力巡检机器人的无线充电系统的搭建过程，并通过Simulink仿真和实验设计，验证了频率分裂理论以及线圈参数设计过程的正确性;通过绕制线圈和按照优化磁芯结构摆放磁芯，验证了新型磁芯结构的正确性和实用性;最后通过该无线充电系统的装车实验，给出了大面积屏蔽层对无线充电系统影响的实验结果，验证了理论和仿真的正确性。

目录

声明

摘要

1．1 课题的背景及意义

1．2 无线充电系统磁耦合机构的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

2．1 引言

2．2 无线充电系统理论基础

2．3 无线充电系统频率-负载特性分析

2．3．1 频率-负载特性分析

2．3．2 频率分裂的影响及解决方案

2．4 磁耦合机构的磁路理论

2．4．1 单圆形线圈

2．4．2 DD线圈

2．5 磁屏蔽理论

2．5．1 铝板屏蔽原理

2．5．2 铝板屏蔽对无线充电系统的影响

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2．2 频率-负载特性仿真验证

3．3 磁芯结构设计和仿真分析

3．3．1 单圆形线圈耦合机构的磁芯结构设计

3．3．2 DD线圈耦合机构的磁芯结构设计

3．3．3 磁芯结构的设计优化流程

3．4 屏蔽层的仿真分析

3．4．1 屏蔽层对DD线圈的影响

3．4．2 屏蔽层对单圆形线圈的影响

3．4．3 屏蔽层的设计及优化仿真

3．4．4 屏蔽层的设计及优化流程

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2．2 无线充电系统频率-负载特性实验验证

4．3 优化磁芯结构的实验验证

4．3．1 新型磁芯结构的耦合系数实验

4．3．2 新型磁芯结构的充电实验

4．4 屏蔽层影响的实验验证

4．4．1 屏蔽层对无线充电系统的影响

4．4．2 屏蔽层发热状况的改善

4．5 本章小结

5．1 全文总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文