基于电磁耦合谐振原理的无线电能传输系统研究

摘要

随着科技水平的进步，社会的发展对电能传输技术的要求也越发严格。传统电能传输方式由于老化、磨损等原因会导致设备寿命缩短，性能降低，甚至造成安全事故。在一些特殊条件下，例如水下、矿井，传统电能传输方式由于接线和环境等原因实施困难且成本较高。针对以上问题，国内外专家和学者研究出一种新型的无线电能传输技术。这种无线传输方法基于电磁耦合谐振无线输电原理，与传统电能传输方式相比，可以避免导线磨损、电火花等问题，具有安全隐患小，资源消耗较少等优点。
　　本文从理论分析和实验量测两个方面入手研究电磁耦合谐振式无线电能传输系统。理论分析方面，简要分析电磁耦合原理和谐振理论，基于耦合模和振荡电路理论对系统的基本工作原理进行分析，分析四种拓补结构的系统等效电路模型和输出功率及传输效率与系统各元素之间的关系；分析了谐振频率出现分裂的原因，通过仿真得到该现象的响应曲线；从电磁场角度出发，分析线圈空间位置与传输系统电感参数之间的关系。实验方面，设计无线电能传输系统平台，系统包括高频发射源、发射和接收回路、负载等。通过对收-发回路进行设计，确定系统各参数。通过仿真得到四种拓补结构的系统传输特性，确定补偿电容的连接方式。
　　建立无线电能传输系统，该系统最大输出功率为12 W，此时传输效率达到35％。研究表明，影响系统传输能力的因素包括线圈距离、系统频率、负载电阻、线圈空间位置等。通过对建立的模型进行仿真，归纳各因素与系统传输功率/效率的变化规律和内在联系，并与实验量测数据对比，验证理论分析和仿真结果的准确性，为系统未来的优化及设计提供了参考。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 无线电能传输方式及其研究现状

1.2.1 微波无线电能传输

1.2.2 电磁感应式无线电能传输

1.2.3 电磁耦合谐振式无线电能传输

1.3 本文主要工作内容

第2章 电磁耦合谐振式无线电能传输工作原理

2.1 电磁耦合谐振无线输电原理

2.1.1 近区场与远区场

2.1.2 电磁耦合原理分析

2.1.3 品质因数和RLC谐振电路

2.1.3 耦合模理论

2.2 电磁耦合谐振系统的传输特性分析

2.2.1 电磁耦合谐振式无线电能传输拓扑结构

2.2.2 电磁耦合谐振式无线电能传输基本特性

2.3 计及线圈空间位置的电感参数计算

2.4 本章小结

第3章 电磁耦合谐振式无线电能传输系统设计

3.1 设计方案

3.2 高频发射源的设计

3.3 谐振线圈的设计

3.3.1 谐振线圈形状选择

3.3.2 谐振线圈的等效电阻

3.3.3 谐振线圈的电感与电容

3.3.4 谐振线圈拓扑结构的选择

3.4 本章小结

第4章 系统仿真与实验分析

4.1 系统仿真

4.1.1 谐振线圈同轴仿真

4.1.2 谐振线圈非同轴仿真

4.2 系统实验研究

4.2.1 两种互感求解方法对比

4.2.2 负载电阻对系统传输的影响

4.2.3 线圈空间位置对系统传输的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢