应用于自由移动装置的无线能量发射线圈优化设计

摘要

无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)，就是通过无线方式传输能量，尤其基于磁谐振耦合的无线能量传输距离可达米级，有着很高的研究价值和广阔的应用前景。对于传统的能量发射线圈时，若接收装置在一定范围内自由移动时会因磁场分布不均匀而导致传输效率不稳定，因此本文主要对应用于自由移动装置的无线能量发射线圈进行优化设计。
　　论文首先使用耦合模理论、散射矩阵法和等效电路等方法对磁谐振耦合WPT系统进行了理论分析，推导出最大传输效率时的最优负载，并分析了能量传输效率和磁感应强度以及散射参数的关系。针对传统发射线圈存在的磁场不均匀问题，采用叠加原理推导出方形平面螺旋线圈在空间任一点产生的磁感应强度和线圈匝间距的关系，使用遗传算法对发射线圈匝间距进行优化设计，使得发射线圈在工作平面内产生尽可能均匀分布的磁感应强度轴向分量。在此基础上，编写了方形平面螺旋线圈的MATLAB和HFSS接口程序，使用Matlab定义线圈的匝间距和线宽并调用HFSS对方形螺旋线圈进行仿真分析，利用MATLAB和HFSS联合编程对线宽进一步优化，使得发射线圈的磁场更加均匀。
　　本文通过仿真分析和实验验证，发现对发射线圈匝间距和线宽的优化设计大大提高了磁场的均匀度。和等线宽、均匀匝间距的平面螺旋线圈相比，优化匝间距的发射线圈磁场均匀度提高了170％，对线宽的进一步优化使得磁场均匀度又提高了202%。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容

2 磁耦合谐振无线能量传输系统建模与分析

2.1 无线能量传输方式概述

2.2 磁谐振耦合无线能量传输系统特性分析

2.3 本章小结

3 基于遗传算法的发射线圈匝间距优化设计

3.1 遗传算法

3.2 方形平面螺旋线圈磁场和匝间距关系

3.3 遗传算法对方形平面螺旋线圈匝间距的优化分析

3.4 优化结果

3.5 本章小结

4 Matlab和Hfss对发射线圈线宽优化分析

4.1 Hfss和Matlab-Hfss-api介绍

4.2 发射线圈磁场和线宽关系分析

4.3 Hfss和Matlab对发射线圈线宽优化分析

4.4 优化结果

4.5 本章小结

5 仿真分析与实验验证

5.1 仿真分析

5.2 实验验证

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1（攻读学位期间发表论文目录）