基于电磁-机械同步共振的无线电能传输与转换方法研究

摘要

本文针对超磁致伸缩材料(GMM)在微型管道机器人领域的高效无线供电的理论与应用问题，提出电磁-机械同步共振无线电能传输与转换方法。首先深入探索无线电能传输的前提与关键，然后建立超磁致伸缩材料的电磁-机械多场动态强耦合模型，最后通过电磁-机械同步共振样机的实验数据与理论计算结果进行对比以验证理论的正确性，从而为电磁-机械同步共振微型管道机器人提供一整套分析、评价及设计方法。本文的主要研究内容包括以下几个方面：
　　(1) 以电磁场与电磁波理论及耦合模理论为研究依据，深入研究电磁耦合谐振传能技术原理。建立能够准确描述基于电磁耦合谐振技术的无接触能量传输的数学模型，得出谐振器时域条件下的能量耦合函数，探索无线电能传输的前提条件、容量及效率最大化的方法及手段；
　　(2) 以耦合模原理为指导思想，根据高频电路理论提出电磁耦合谐振系统无线电能传输的高频二端口网络模型。并且设计疏松螺旋线圈式无线电能传输样机，对系统的传输功率、效率、频率特性、负载影响的一系列问题进行分析、计算与验证；
　　(3) 在具有超磁致伸缩材料的电磁-机械同步共振无线电能接收和转换系统数学建模方面：综合考虑电路、磁场、应力场，电磁谐振和机械共振的共同作用，建立多物理场动态强耦合模型，通过与实验结果相比较对理论建模方法的正确性进行验证；
　　(4) 根据理论模型并结合材料的固有特性，选定致动器工作频率，计算传输效率等关键参数。研究电磁-机械无线传能与转换完整设计与测定方法，并制造实验样机；
　　(5) 通过理论计算与实验测量对电磁-机械同步共振的数值分析方法进行验证与评价，并证明电磁-机械同步共振无线电能传输与转化的可行性与有效性。
　　本课题提出利用电磁-机械同步共振方法和新型磁性功能材料研究在无接触情况下电能和机械能的高效传输和转换问题，这在国内外尚属首次。该项研究成果将为电能-机械能的无线高效传输、转换和控制提供一种可行的解决途径，并为不易拖带电线的微型管道机器人等的供能提供便利。

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第一章 绪 论

§1-1 课题的提出及意义

§1-2 无线电能传输技术分类及研究现状

§1-3 微型管道机器人分类及研究现状

§1-4 超磁致伸缩执行器的特性及研究现状

§1-5 论文的主要研究内容

第二章 无线电能传输系统的耦合模理论分析

§2-1 耦合模理论的适用范围及模式的定义

§2-2 波导耦合系统的普遍分析方法

§2-3 无线电能传输系统的耦合模理论模型

§2-4 本章小结

第三章 电磁耦合谐振技术传输特性研究

§3-1 电磁耦合谐振技术的工作范围

§3-2 负载接收功率及频率分裂现象分析

§3-3 二端口网络模型及系统效率分析

§3-4 双用户及含有中继振荡器的能量耦合函数分析

§3-5 本章小结

第四章 超磁致伸缩材料电磁-机械强耦合模型

§4-1 超磁致伸缩材料的数学模型比较分析

§4-2 超磁致伸缩材料的基本特性与压磁方程

§4-3 超磁致伸缩材料的电磁-机械分步耦合有限元模型

§4-4 超磁致伸缩材料的电磁-机械强耦合有限元模型

§4-5 两种耦合场有限元数值模型的比较

§4-6 本章小结

第五章 电磁-机械同步共振无线电能传输系统设计与验证

§5-1 无线电能传输系统多补偿集总参数分析

§5-2 电磁-机械同步共振集总参数模型

§5-3 电磁-机械同步共振系统设计与实验

§5-4 本章小结

第六章 电磁-机械同步共振系统的有限元法计算与实验验证

§6-1 无线电能传输系统频率分裂特性计算、仿真与实验验证

§6-2 电磁-机械多物理场强耦合算法的分析与实验验证

§6-3 本章小结

第七章 总结与展望

§7-1 论文工作总结

§7-2 本文主要创新点

§7-3 需要进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所取得的相关科研成果