多相磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与控制

摘要

随着电力电子技术的不断发展，无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术受到了研究学者们越来越多的关注。WPT技术可以有效地解决传统有线电能传输的各种弊端，减小电能传输过程中的安全隐患。基于电磁感应原理的磁耦合谐振式(Magnetically Coupled Resonant,MCR)WPT技术能够在中等传输距离场合保持较大的输出功率和较高的传输效率，已经成为中等传输距离场合最具应用前景的WPT技术之一。研究表明，在MCR WPT系统中，传输线圈间相对位置的变化严重影响了系统的传输特性，而采用多相传输线圈结构则可以有效降低系统传输特性对位置变化的敏感性。
　　本文主要研究了两种多相MCR WPT系统，即两相正交型MCR WPT系统和三相圆柱型MCR WPT系统，并采用理论分析、电磁仿真以及实验验证相结合的方法研究了上述多相系统的传输特性。在理论研究部分，本文采用了两种不同的理论分析方法，即从磁场分布和系统等效电路两个角度进行理论分析。
　　MCR WPT技术的本质是电磁感应原理，因此本文探讨了发射线圈中电流激励采用相位调制时外部磁场的分布情况，分析了通过不同几何形状的接收线圈中磁通的变化，并利用法拉第电磁感应定律求得接收端感应电动势，进而获得系统的传输特性，从物理本质上阐述了接收线圈位置变化对传输特性的影响。
　　本文同时建立了上述两种系统的等效电路模型，从电路理论出发，推导了接收线圈空间位置与互感的关系表达式，进而揭示出系统输出功率和传输效率与接收线圈位置间的约束关系。
　　最后利用Ansys Maxwell有限元仿真软件建立上述两种MCR WPT系统的仿真模型，同时在实验室中搭建原理样机，进行实验数据测量及计算绘制系统传输特性曲线。仿真和实验结果均验证了理论研究的正确性。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 无线电能传输技术

1.3磁耦合谐振式无线电能传输

1.4 多相无线电能传输系统研究现状

1.5 本文研究的主要内容和意义

第二章 基于磁场模型的理论分析

2.1磁场分布的理论计算

2.2两相MCR WPT系统基于磁场的理论分析

2.3 三相MCR WPT系统基于磁场的理论分析

2.4 本章小结

第三章 基于等效电路模型的理论分析

3.1传输线圈的补偿方式

3.2 两相MCR WPT系统等效电路分析

3.3 三相MCR WPT系统等效电路分析

3.4 本章小结

第四章 多相MCR WPT系统有限元仿真

4.1 电磁仿真简介

4.2 两相MCR WPT系统电磁仿真

4.3 三相MCR WPT系统有限元仿真

4.4 本章小结

第五章 参数设计与实验验证

5.1 两相MCR WPT系统实验验证

5.2三相MCR WPT系统实验验证

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文及参与完成的科研项目