无线能量传输系统的能量发射端设计

摘要

无线能量传输技术是通过空间变化的磁场以不接触的方式将电能输送给负载，在手机、电动汽车以及植入式医疗设备等众多领域都有着广泛的应用前景。对于常用的发射端结构，接收装置在充电平面上自由移动时会因磁场不均匀而导致系统传输效率不稳定。本文针对自由移动装置经皮无线供能系统的发射端结构进行了设计，不仅在射频范围内对平面螺旋线圈结构进行优化，提高了磁场的均匀度，而且在微波范围内设计了能够产生轴向圆极化磁场的微波谐振腔，获得了较为均匀的磁场分布。 论文首先介绍了自由移动供能的无线能量传输系统(WPT，wireless power transfer)，使用等效电路方法分析了单发射线圈磁谐振耦合WPT系统，在确定系统传输效率和磁场强度的函数关系后，以轴向磁场强度的变异系数（COV，coefficient of variation）为优化目标，利用遗传算法和对平面螺旋线圈的匝间距进行优化，随后联合高频电磁场仿真软件（HFSS）实现平面螺旋线圈线宽的优化，得到能产生均匀磁场分布的平面螺旋线圈模型。仿真和实验结果表明，优化设计的外径16cm平面螺旋线圈在上方4cm处的投影内轴向磁场分布的COV分别为0.345和0.29，而初始的均匀分布线圈激励磁场分布相应的COV分别为0.45和0.43，结果可见优化后平面螺旋线圈结构能够有效提高发射线圈轴向磁场的均匀度。 针对体内放置较深的微型植入器件的经皮无线供能需求，本文运用微波工程的基础理论分析了微波谐振腔的传输特性，再以法布里-珀罗谐振腔天线结构为基础，设计了能够在轴向产生圆极化磁场的微波谐振腔结构。在此基础上使用HFSS软件对微波谐振腔进行建模仿真，仿真结果显示微波谐振腔产生的轴向磁场分布具有较高的均匀度，表明所设计的微波谐振腔可应用于植入式装置的自由移动供能。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1近场无线能量传输技术的国外研究现状

1.2.2近场无线能量传输技术的国内研究现状

1.2.3中场无线能量传输的国外研究现状

1.3 论文的主要内容

2 磁谐振耦合无线能量传输系统的特性分析

2.1自由移动供能的无线能量传输系统

2.2单发射线圈磁耦合无线能量传输系统的特性分析

2.2.1 磁谐振耦合WPT系统的传输特性

2.2.2 平面螺旋线圈结构发射端的磁场分析

2.3 本章小结

3产生均匀磁场的发射线圈优化设计

3.1基于遗传算法的发射线圈匝间距的优化

3.1.1 遗传算法

3.1.2 遗传算法对平面螺旋线圈匝间距的优化分析

3.2 联合Matlab和HFSS对平面螺旋线圈线宽的优化

3.2.1HFSS和Matlab-Hfss-api介绍

3.2.2 联合Matlab和Hfss优化发射线圈线宽

3.3平面螺旋线圈的仿真和实验

3.4 本章小结

4 用于自由移动供能的微波谐振腔设计

4.1 射频与微波

4.2 谐振腔的设计基础

4.2.1 波导的电磁场分析

4.2.2 波导的传输特性

4.2.3 微波谐振腔的基本概念

4.2.4 圆柱形微波谐振腔的传输特性

4.2.5 Fabry-Perot谐振腔天线基本原理

4.3 微波谐振腔的设计

4.4微波谐振腔的仿真与实验测试

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录1（攻读学位期间发表论文目录）