非铁磁性导电介质影响下无线传能系统的分析及优化

摘要

磁耦合谐振式无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,简称WPT)采用共振耦合形式，通过电磁场交替变换实现能量的无线传输。该技术具有传输距离长、传输功率大、系统结构简单等优点，在电动汽车、轨道交通、智能家居、工业生产及其他特殊领域均展现出优良的应用潜力。
　　为进一步拓宽无线电能传输技术的应用领域，提升系统的环境适应性，本文研究了包括金属铝板和海水两种扰动物质在内的非铁磁性导电介质对磁耦合谐振式无线电能传输系统的影响。文章以获取负载最大接收功率为研究目的，对系统开展如下几个方面的研究:
　　首先，本文采用电路互感理论，结合松耦合变压器模型，对工作在非铁性导电介质环境中的WPT系统建立模型，推导负载接收功率的表达式，对无线功率传输的主要影响因素展开研究。在此基础上，文章探究了两种介质的引入对无线系统频率特性造成的变化。
　　其次，为了消除或减弱非铁磁性导电介质对系统传输性能的影响，本文从谐振器结构设计及优化角度入手，对比平面盘式线圈与空间螺旋线圈的性能优劣，引入辅助线圈（驱动线圈和负载线圈）、中继线圈的多谐振器结构，探究这两种结构的谐振器对系统功率传输的提升能力。此外，针对工作频率固定或无法采用电容调谐的无线系统，文章提出铁氧体磁芯材料补偿技术，并分析加入铁磁性材料后系统的响应特性。
　　最后，搭建了一套实验验证平台，实验平台包括电源、谐振器和负载三个部分。实验电源采用输出频率在50-200KHz连续可调的高频逆变电路，控制电路采用UCC3895控制芯片。实验内容包括非铁磁性导电材料对无线系统功率传输能力影响的实验，辅助线圈和中继线圈对系统传能提升实验，铁氧体磁芯材料补偿实验。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 无线电能传输技术概述

1．2．1 无线电雒传输技术分类

1．2．2 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究现状

1．2．3 复杂环境对无线电能传输技术影响的研究现状

1．2．4 无线电能传输技术应用现状

1．3 研究目的及研究内容

第2章 无线系统在非铁磁性导电环境中的工作机理分析

2．1 磁耦合谐振式WPT系统工作原理

2．2 非铁磁性导电环境中的模型建立

2．3 系统功率影响因素分析

2．3．1 线圈参数

2．3．2 频率特性

2．4 涡流及损耗分析

2．4．1 非铁磁性导电介质的涡流

2．4．2 涡流密度分布及涡流损耗

2．5 本章小结

第3章 无线谐振器设计及优化分析

3．1 无线谐振线圈设计

3．1．1 平面盘式结构

3．1．2 空间螺旋结构

3．1．3 平面盘式线圈与空间螺线圈的性能对比

3．1．4 谐振线圈的材料选取

3．2 含多个线圈的谐振器系统分析

3．2．1 含驱动线圈与负载线圈的四线圈结构系统

3．2．2 含中继线圈结构的系统

3．3 谐振器电磁耦台机构的优化设计

3．3．1 磁芯材料的选型

3．3．2 无线谐振线圈对铁氧体材料的响应特性

3．4 本章小结

第4章 非铁磁性导电环境WPT系统实验研究

4．1 非铁磁性导电介质中WPT系统的实验平台总体结构

4．2 系统供电电源设计

4．2．1 无线电能传输系统高频供电电源分类及原理

4．2．2 高频全桥逆变电源

4．2．3 驱动电路

4．2．4 调频控制电路

4．3 非铁磁性导电介质对系统传输特性影响的实验

4．4 最大负载接收功率下谐振器优化实验验证

4．4．1 四线圈结构设计对系统传输能力提升的实验

4．4．2 中继线圈对系统传输能力提升的实验

4．4．3 铁氧体磁性材料对系统传输能力补偿的实验

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文主要工作总结

5．2 研究工作展望

致谢

参考文献

在读期间科研成果