有轨电车无线电能传输系统耦合线圈的设计

摘要

现代有轨电车作为一种新型的公共交通工具，具有行驶速度快、建设成本低、周期短、节能环保等诸多优点。为改进有轨电车的供电技术，本文将无线电能传输技术与有轨电车相结合，采用互感模型理论分析了影响整个系统传输效率和传输功率的系统参数，结合研究中三种常用的耦合线圈结构——圆形、方形以及Double-D(DD)形平面螺旋线圈，对比其传输性能。为减小大功率传输时所需互感值，降低耦合线圈的设计要求和器件的电压、电流应力，提高线圈传输效率，提出了一个原边发射线圈、多个副边接收线圈的WPT系统传输模型，并进行了仿真和实验验证。
　　本文在对耦合线圈基本的补偿拓扑进行了分析和选择后，利用互感等效原理对电磁感应式无线电能传输技术的模型特性进行了理论推导和分析。并分析了影响无线电能传输系统的因素，包括负载的变化、工作频率的变化以及互感值的变化等等。
　　其次，着重对不同结构的耦合线圈进行了对比分析。首先确定了耦合线圈在现代有轨电车应用中的约束条件，利用Ansoft Maxwell有限元电磁仿真软件分析水平位移和垂直间距变化时对耦合线圈性能的影响。其次从磁芯数量和磁芯间距对耦合线圈性能的影响做了简单分析。从而确定了DD型结构的耦合线圈更适合应用在有轨电车上。为了降低大功率传输下所需耦合线圈的互感值，降低设计要求和器件的电压、电流应力，并提高系统传输效率，提出了多接收耦合线圈的无线电能传输系统模型。以一个原边、一个副边的传输模型为基础对多接收耦合线圈的传输模型进行了理论推导，并且利用PSIM仿真软件进行了仿真验证。最后理论分析了以超级电容为负载的多接收耦合线圈模型，并通过仿真验证了此模型下系统工作的稳定性。
　　最后，依据本文所提理论和仿真模型搭建1kW系统实验平台，包括对主电路设计、驱动电路设计等。通过对小尺寸耦合线圈的实际模型和Ansoft仿真模型数据对比，明确了利用有限元仿真软件研究耦合线圈性能的准确性。通过对一个原边、一个副边的WPT系统工作模式和一个原边、三个副边的工作模式下传输500W系统功率进行实验数据对比，验证了本文理论和仿真结果的正确性。文章结尾对50kW-WPT系统模型进行了简单的介绍。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 无线电能传输技术中耦合线圈的研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文的结构安排

2 无线电能传输系统模型分析

2．1 补偿拓扑分析和选择

2．2 影响无线电能传输系统的因素

2．2．1 负载变化对系统的影响

2．2．2 频率以及互感变化对系统的影响

2．3 本章小结

3 耦合线圈的对比分析及磁芯的优化

3．1 耦合线圈的约束条件

3．2 水平位移变化对耦合线圈性能的影响

3．3 垂直间距变化对耦合线圈性能的影响

3．4 磁芯对耦合线圈的性能影响

3．4．1 磁芯数量对耦合线圈的性能影响

3．4．2 磁芯间距对耦合线圈的性能影响

3．5 本章小结

4 多接收耦合线圈模型的设计及仿真

4．1 多接收耦合线圈的基本原理

4．1．1 多接收耦合线圈传输模型的基本原理

4．1．2 多接收耦合线圈传输模型的仿真验证

4．2 不同参数对多接收耦合线圈传输模型的影响

4．2．1 副边接收线圈Ls、Cs不同时对系统的影响

4．2．2 副边负载阻抗R不同时对系统的影响

4．3 以超级电容为负载的多接收耦合线圈传输系统

4．4 本章小结

5 无线电能传输系统实验

5．1 1kW-WPT系统实验平台介绍

5．1．1 主电路设计

5．1．2 驱动电路设计

5．2 耦合线圈实验仿真对比

5．3 多接收耦合线圈模型实验结果及分析

5．3．1 副边多接收耦合线圈传输模型的实验验证

5．3．2 副边接收线圈不同的Ls、Cs

5．3．3 不同的负载阻抗R

5．4 50kW-WPT系统实验平台简介

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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