基于电磁谐振耦合无线能量传输系统分析与设计

摘要

自从电能大规模应用以来，电能的传输一直都采用有线传输。随着各种用电设备的增加，各种电线和充电线路杂乱无章、电线间的接触故障和接触火花等导致有线传输的缺点越来越多；另一方面，各种电动汽车充电问题、电气化铁路供电问题、物联网的大规模应用以及矿井下不适合有线供电的需求增多，导致人们开始寻找新的电能传输方式。
　　迄今为止，电能的无线输送方式分为三种:电磁谐振耦合、电磁感应和微波方式。本文通过比较三种传输方式的优缺点，确定以电磁谐振耦合式无线能量传输为研究对象。磁谐振耦合能量传输范围仅限于磁场的近场，与微波和磁感应传输方式比较，磁谐振耦合效率适中、距离适中、功率适中。本文在理论分析的基础上，进行了无线能量传输系统设计，并通过制作实验装置进行了实验验证。
　　首先从电磁谐振耦合的机理上进行梳理，从理论上分析了电路的电磁谐振性质和耦合性质；推导了功率和效率的计算表达式，从式中可以得到频率、直流电源电压、耦合系数、线圈特性、线圈之间距离和负载特性等对能量传输的影响，得出了最大功率和最大效率传输条件。
　　然后对无线能量传输系统进行了系统设计，从理论上计算了发射、接收电路参数，利用电磁场仿真软件FEKO、ADS、数学分析工具Matlab等对发射、接收电路进行了仿真计算，将仿真数据与理论数据分析比较，确定了发射、接收线圈的制作参数。
　　最后设计制作了发射线圈、开关电路、驱动电路、信号源和低压电源，通过实际测量数据，对影响磁谐振耦合能量传输的制约条件逐个进行分析，验证无线能量传输的可行性。
　　根据实验所得数据，分析了存在问题，提出了增加中继线圈来提高能量传输的措施，并从实验中验证了方案的可行性，实现了电能的小功率无线传输。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 无线能量传输方式概述

1.3无线能量传输技术的研究现状

1.4 本文研究的意义和主要内容

第二章 磁谐振耦合无线能量传输理论及建模

2.1 基础理论

2.2 磁谐振耦合无线能量传输系统建模

2.3 本章小结

第三章 磁谐振耦合无线能量传输系统设计

3.1 系统整体设计

3.2 发射和接收线圈设计

3.3 开关电路与驱动电路设计

3.4 信号源设计

3.5 电源设计

3.6 本章小结

第四章 无线能量传输实验

4.1 无线能量传输装置空载参数

4.2 无线能量传输的影响因素分析

4. 3 本章小结

第五章 电磁谐振耦合无线能量传输改进措施

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 展望

致谢

参考文献