小功率多向负载无线电能传输系统设计

摘要

除了在电动汽车等大功率场合的应用以外，无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术在许多中小功率乃至微功率场合亦有大量的应用，例如由物联网技术发展催生的大量无线传感器、可植入式医疗设备等的供电问题。传统一对一形式的WPT系统从成本、空间角度而言，并不适用于大量微小功率设备的供电；而多负载WPT技术作为研究热点，在目前的研究中负载供电大多受发射线圈传输方向的限制。因此，为解决多方向上多负载的供电问题，本文提出两种基于磁耦合谐振原理的多方向小功率负载的供电方案，从改进发射端结构的角度出发分别设计了具有动态发射端的物理旋转WPT系统和具有静态发射端的磁场旋转WPT系统。本文的研究内容和重点如下：　　首先，针对多向WPT系统结构下线圈间互感复杂的问题，对两线圈结构建立了通用的数学模型进行分析。以圆形平面螺旋线圈为研究对象，研究了圆心非共轴平移错位、圆心共轴角度错位及圆心非共轴角度错位三种情况下的互感，并且分析了基于两交叉结构的圆柱螺旋型线圈间的互感。此外，还分析了锰锌铁氧体对线圈自感与互感的影响，为下文两种多向WPT方案的设计提供了一定参考依据。　　其次，为解决多个方向上负载的供电问题，提出了本文的第一种方案，即通过电机带动发射线圈旋转从而为四周的负载进行供电，所提方案是两级磁耦合谐振式WPT系统的级联，第一级子系统为一对一结构，第二级为一对多结构。先探讨了在单负载情况下的系统特性并推广至多负载情况；并建立了次级动态耦合的模型，分析了传输距离、发射线圈旋转速度对系统输出电压和效率的影响；此外，为解决动态耦合带来的负载供电电压不稳的问题，在每个接收端进行了基于有源AC/DC变换器的恒压设计，通过实验进一步验证了多方向上负载端的恒压输出的可行性。　　最后，区别于第一种方案中动态发射端结构，提出了第二种带有静态发射端的多向负载供电方案，即正交结构发射线圈在特定激励电流相位差下实现磁场的均匀分布从而为四周负载供电。先建立了正交发射端结构下的磁场分布模型，探讨了激励电流相位差与发射端周围空间的磁感应强度变化关系，得出了磁场分布最均匀时的最优相位差；并建立了多负载情况下的等效电路模型以分析系统特性。此外，在最优相位差情况下，对负载端进行了最大功率输出设计，实现了负载跳变时的最大功率输出，并通过搭建实验样机验证。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 无线电能传输系统研究现状

1.2.2 多负载无线电能传输系统传输网络研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 无线电能传输系统中线圈参数与特性分析

2.1 引言

2.2.1 通用理论计算模型

2.2.2 锰锌铁氧体对线圈自感与互感的影响

2.3 平面螺旋型线圈间互感分析及仿真验证

2.3.1 圆心非共轴平移错位

2.3.2 圆心共轴角度错位

2.3.3 圆心非共轴角度错位

2.3.4 仿真验证

2.4 圆柱螺旋型线圈间的互感分析及仿真验证

① 理论分析

② 仿真验证

2.5 本章小结

3 基于旋转发射线圈的多向无线电能传输系统设计

3.1 引言

3.2 物理旋转无线电能传输系统结构及工作原理

3.3 物理旋转无线电能传输系统理论分析

3.3.1 单个接收线圈的物理旋转无线电能传输系统建模及分析

3.3.2 多个接收线圈的物理旋转无线电能传输系统建模及分析

3.4 基于有源变换器的恒压设计

3.5 仿真与实验验证

3.5.1 不同转速下互感与传输效率的仿真验证

3.5.2 不同传输距离下互感与传输效率的仿真验证

3.5.3 实验验证

3.6 本章小结

4 基于正交发射线圈的多向无线电能传输系统设计

4.1 引言

4.2 磁场旋转无线电能传输系统结构及工作原理

4.3.1 正交发射线圈结构下磁场分布

4.3.2 磁场旋转无线电能传输系统建模及分析

4.4 基于有源变换器的最大功率输出设计

4.5 仿真与实验验证

4.5.1 不同激励电流相位差下发射端磁场分布仿真与实验验证

4.5.2 最优相位差激励下最大功率输出实验验证

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 后续工作开展

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致 谢