磁谐振耦合式无线电能传输系统负载特性的研究

摘要

无线电能传输技术是当前研究的热点课题，主要有激光，微波，电磁感应和电磁谐振式几种供电模式，传输距离从毫米级到千米级，频率从kHz到GHz级。在交通运输、人体体域网、消费电子、航天空间站、电动汽车以及某些特定应用场合具有广阔的应用前景。本文就磁谐振耦合式无线电能传输系统（MCR-WPT），详细分析了其负载传输特性。针对不同性质负载，分析了负载参数变化对系统性能的影响，并对多负载线圈谐振做了研究，为解决实际环境中负载变化时，最大能效传输、负载端可靠能量接收等问题提供了一定理论指导和实验基础，具体研究内容如下： 首先基于耦合模理论阐述了无损振荡系统能量传输的原理，分析了谐振式无线电能传输系统中能量传递的过程。基于电路原理建立了两线圈结构和四线圈结构的传输模型，研究了线圈品质因数、频率、耦合系数对系统传输特性的影响。 其次基于等效电路原理分析了无线传能系统的传输效率最大化的负载条件，详细论述了在两线圈和四线圈结构的情况下，负载为纯阻性，容性，感性时，负载各参数变化对系统传输特性的影响。并分别对负载为感性、容性时效率降低的情况进行了仿真，采用补偿电容、电感来增大传输效率，设计并制作线圈模型，搭建实验平台，实验验证了理论推导结果的正确性。 最后基于电路原理分析了多负载的传输特性，多负载线圈在紧密耦合和松耦合两种情况下，研究了负载投切对系统的传输效率和输出电压的影响。通过调整电源电压以满足负载对输出电压和功率的需求。并运用电磁场有限元软件Maxwell和多物理域仿真软件Simplorer进行耦合场联合仿真，仿真验证了理论推导结果，并制作多负载线圈模型，搭建实验平台，实验验证了理论推导的结论。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 无线电能传输的主要方式

1.2.1 电磁感应耦合式无线电能传输

1.2.2 微波、激光、超声波式无线电能传输

1.2.3 磁谐振耦合式无线电能传输

1.3 国内外研究现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 MCR-WPT传输模型及理论分析

2.1 耦合模理论

2.2 两线圈结构

2.2.1 电路模型

2.2.2 传输特性分析

2.2.3 线圈品质因数对传输效率的影响

2.3 四线圈结构

2.3.1 电路模型

2.3.2 四线圈传输效率与品质因数的关系

2.3.3 传输效率、频率和k23的关系

2.3.4 传输效率和耦合系数的关系

2.4 本章小结

第三章 负载特性分析

3.1 阻性负载特性分析

3.1.1 两线圈结构

3.1.2 四线圈结构负载特性

3.1.3 负载和临界耦合点的关系

3.2 感性负载特性分析

3.3 容性负载特性分析

3.4 不同性质负载对频率的影响

3.5 容性感性负载补偿

3.5.1 感性负载

3.5.2 容性负载

3.6 实验研究

3.6.1 线圈参数选择

3.6.2 负载电阻、电容、电感选择

3.6.3 线圈调谐

3.6.4 阻性、感性、容性负载实验

3.7 本章小结

第四章 多负载传输特性分析

4.1 多负载电路模型

4.2 多负载仿真

4.2.1 线圈仿真模型及参数

4.2.2 松耦合与紧密耦合仿真

4.2.3 多负载结构比较

4.3 多负载实验

4.3.1 多负载实验平台

4.3.2 相同负载不同支路数的效率和电压

4.3.3 不同负载相同支路数的效率和电压

4.4 本章小结

第五章 结论

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢