磁耦合无线电能传输系统谐振器设计与优化研究

摘要

磁耦合无线电能传输技术是一种新兴的电能传输形式。该技术利用两个谐振器间的磁场耦合，在中远距离时（几十厘米至几米范围内），能量仍能高效的传递给负载。
　　谐振器是磁耦合无线电能传输系统的关键组成部分。系统的传输距离、传输效率、输出功率主要取决于系统发射与接收谐振器间参数是否匹配。然而，谐振器设计并不等同于线圈设计，谐振器的优化是基于线圈优化的基础上对系统性能的改进性设计。本文通过理论计算结合有限元软件Comsol、数值仿真软件Matlab对谐振器进行设计及优化研究，并通过实验对理论结果进行验证，主要内容总结如下:
　　1、利用耦合模理论与电路互感理论分别对磁耦合无线电能传输系统进行了理论分析，阐述了两个谐振耦合线圈之间的能量交换原理，并着重从电路互感角度分析了VSS、VSP、CSS、CSP四种拓扑下的系统性能随负载的变化关系，并得出当负载变化不大时（一般为几百欧姆数量级），采用VSS拓扑的无线电能传输系统可以获得较大的输出功率与较稳定的传输效率，这是全文分析的基础。
　　2、系统传输性能与螺旋谐振器间的耦合程度关系密切，本文通过电磁仿真对比研究了单匝线圈与螺旋线圈的周边磁场与中心处磁场的关系，从理论层面得出了提高螺旋谐振器间耦合程度的方法。
　　3、采用理论与实验的方法，研究了螺旋谐振器的选材、选型、匝数及匝间距对其自身电感、损耗电阻及谐振器间互感的影响，提出了一种螺旋谐振器的分析及设计方法;同时，将谐振器放入VSSSS无线电能传输系统中，研究谐振器各参数对系统最优化传输效率的影响，最后，本文设计了一套在最优化效率前提下的螺旋谐振器，并对相关参数进行了最优化设计。
　　4、在对系统性能分析及谐振器优化设计的基础上，针对不同的应用场合，提出了双接收谐振器式无线电能传输系统设计方案，并对比研究了该系统与单接收谐振器式无线电能传输系统之间传输性能的关系，并对理论研究与实际应用中的差异性进行了对比，给出了应用范围;本文还对不同传输距离下的系统传输性能随谐振器空间位置的变化关系进行了一系列仿真及实验研究，并针对不同性能指标下的谐振器空间方位提出了设计方法，使得系统在特定传输距离下的性能实现方式更具有针对性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 无线电能传输技术的实现方式

1．3 国内外进展情况

1．3．1 国内外研究进展

1．3．2 国内外应用现状

1．4 无线电能传输技术的相关标准

1．4．1 Qi标准

1．4．2 A4WP标准

1．4．3 PT61980标准

1．5 目前存在的问题

第2章 磁耦合无线电能传输系统传输机理分析

2．1 基于耦合模分析的无线电能传输系统基本传输机理

2．1．1 耦合模理论

2．1．2 磁耦合无线电能传输系统的耦合模模型

2．2 磁耦合无线电能传输系统的电路理论分析

2．2．1 互感耦合理论

2．2．2 磁耦合无线电能传输系统的电路等效模型分析

2．3 典型谐振器模型的简要分析

2．4 本章小结

第3章 磁耦合无线电能传输系统谐振器设计及优化分析

3．1 螺旋线圈空间磁场分析

3．1．1 单匝圆环线圈的磁场分析

3．1．2 螺旋线圈的空间磁场分析

3．2 空间螺旋线圈的设计

3．2．1 螺旋线圈的选型与选材

3．2．2 螺旋线圈自感的分析与优化研究

3．2．3 空间螺旋线圈的互感分析

3．3 磁耦合无线电能传输系统谐振器优化研究

3．3．1 磁耦合无线电能传输系统谐振器空间位置优化研究

3．3．2 双接收谐振器磁耦合无线电能传输系统研究

3．3．3 磁耦合无线电能传输系统最优化传输效率下的谐振器设计

3．4 本章小结

第4章 磁耦合无线电能传输系统谐振器优化实验研究

4．1 谐振器空间位置对系统传输性能影响的实验探究

4．2 单、双接收谐振器型磁耦合无线电能传输系统性能实验对比分析

4．3 最优化传输效率下的谐振器设计实验验证

4．3．1 需探究的谐振器参数

4．3．2 谐振器匝数对系统传输效率的实验验证

4．3．3 谐振器匝间距对系统传输效率的实验验证

4．4 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

在学期间取得的成果