磁耦合谐振式无线电能传输相关技术分析与研究

摘要

自人类广泛利用电能以来，相关技术得以迅猛发展，人类社会生活发生了巨大变化。但随之而来的问题逐渐显现，大多数时候用电设备的供电电源电缆成为“羁绊”和“麻烦”，尤其在生物活体内（如给病人体内电子电路供电）内的电子电路、系统供电时，电子设备间的控制、信息和数据的传输都可以无线连接，促使人类开始探索采用无线供电技术，甩掉电器设备的供电“尾巴”，大力研究无线电能传输技术。随着人们对电磁感应、微波和电磁辐射技术的广泛研究和实践，发现了多种无线电能传输方法，并已开发了不少的应用实例。 课题结合团队新能源技术科研项目对无线电传能的需要，加强对该技术的全面认识和更好地应用，对常见的无线电能传输的原理、内在的物理本质特点等展开了对比研究，尤其对作为无线电能传输技术的一个新的发展方向“磁耦合谐振式无线电能传输”相关技术进行了较为全面的分析和深入的研究，对此类技术做了建模、理论计算，得到了无线电能传输的基本规律、重要的物理量之间的约束关系，并运用仿真技术和搭建实际电路进一步验证。不但加深了对该技术的认识、理解，得出了一些有价值的结论，而且对项目以后在无线电能传输技术开发应用做好基础准备和技术储备和依据。本文的主要工作如下： （1）对几种典型的无线电能传输技术做了对比分析。重点比较了易混淆的磁耦合谐振式无线电能传输技术与感应式无线能量传输技术的不同之处性能优劣，以及磁耦合谐振式系统的优势，导出了重要的数学关系。根据耦合模型和基本理论，在考虑损耗和无损耗条件下，分别给出了LC电路系统耦合模型方程，分析了电路耗损关系。 （2）计算磁耦合谐振式无线电能传输系统效率、归一化电压和传输距离的表达式，得出串联谐振和并联谐振两种状态下的传输效率公式完全一致的结论，分析了在制作系统时线圈导线匝数，半径等如何选用。研究了工作频率、水平横向距离、垂直纵向距离、偏转角度、导线直径、电导率等特性对于系统传输的影响。 （3）设计实体电路并实现了磁耦合谐振式无线电能传输系统，进行实验并验证理论分析的正确性。系统输入为15V直流电压，以555时基电路作为波形产生电路，采用并联谐振方式，制作了收发线圈参数为匝数为4，半径为9cm螺线管线圈。分别在过耦合，临界耦合，欠耦合状态下，对系统工作频率、水平横向距离、垂直纵向距离、偏转角度、导线直径、电导率等特性进行实验研究，并就实验结果得出结论。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2无线电能传输技术国内外研究现状

1.3无线电能传输技术的应用前景

（1）电动汽车无线充电

（2）机器人的无线充电

（3）水下设备的无线充电

（4）可植入式医疗设备

1.4课题任务

1.5本文结构安排

第二章 无线电能传输技术的分类、基本理论及特性研究

2.1无线电能传输技术的分类

2.2电磁谐振原理

2.3谐振的近场理论和无线电能的传输距离

2.4磁耦合谐振式无线传输系统的结构

2.5耦合模理论与系统建模

2.6系统技术指标

2.7本章小结

第三章 磁耦合谐振式无线电能传输系统结构分析

3.1谐振式无线电能传输系统的基本结构

3.2磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振频率分析

3.3磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率

3.4电磁谐振式无线电能传输系统耦合模块的品质因数

3.5本章小结

第四章 磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计

4.1系统设计目标

4.2波形发生电路的设计

4.3谐振电路的设计

4.4谐振线圈的设计

4.5整流滤波电路的设计

4.6电路参数计算

4.7本章小结

第五章 系统分析与实验研究

5.1系统仿真与调试

5.2频率特性研究与实验

5.2.1频率特性研究

5.2.2频率特性实验及结论

5.3距离特性研究与实验

5.3.1水平横向距离特性研究

5.3.2水平横向距离特性实验及结论

5.4纵向距离特性研究与实验

5.4.1纵向距离特性研究

5.4.2纵向距离特性实验及结论

5.5方向特性研究与实验

5.5.1方向特性研究

5.5.2方向特性实验及结论

5.6电磁干扰研究与实验

5.7本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果