磁耦合谐振式无线电能传输系统的一种线圈优化设计方法

摘要

2007年，美国麻省理工的学者们提出了一种基于强磁耦合谐振理论的无线电能传输新方法。他们“隔空”点亮了一盏离电源2m开外的60W灯泡，当距离为1m时，效率高达40％。与传统的电磁感应无线电能传输技术相比，采用磁耦合谐振式的无线电能传输系统传输效率更高、传输距离更远，因而电磁谐振式无线电能传输技术在医疗、消费电子领域有着更加广阔的应用前景。
　　目前对于磁谐振式无线电能传输系统的骨架--谐振线圈的参数优化设计所做的研究还比较少。谐振线圈的两个参数--耦合系数k和品质因素Q，对系统的传输效率有着至关重要的作用，因此，合理地优化和设计线圈物理结构上的各项参数显得尤为必要。在实际应用中，由于四线圈结构的谐振式无线电能传输系统比两线圈、三线圈系统具有更加优越的性能，成为目前研究的热点。基于此，本文对四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统及其线圈优化设计进行了研究。
　　首先深入分析和研究了无线电能传输技术的发展现状，并对不同种类的无线电能传输技术的进行了对比，指出了磁耦合谐振式无线电能传输的优势。基于等效电路模型，分析了最基本的两线圈结构系统的传输效率、传输功率以及频率分裂现象。重点分析了四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率，并在一定的条件下加以优化。
　　其次，以提高系统传输效率为目的，进行线圈优化的理论分析。选用能够节省空间的平面螺旋线圈结构，在电源频率、线圈面积、导线半径固定的情况下，对线圈的匝数、匝间距进行合理的优化，使得系统的两个作为中继接力的平面螺旋谐振线圈的品质因数和耦合系数之积达到最大，从而提高整个系统传输效率。同时利用ANSYS系列电磁仿真软件Maxwell进行线圈的模型仿真，参数提取，优化谐振线圈。利用Maxwell和Simplorer联合仿真验证理论优化方法的正确性。
　　最后，搭建了四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统。做出了多组分析对比试验，仿真和试验结果验证了本文线圈优化方法的正确性。

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第1章 绪 论

1.1背景与意义

1.2无线电能传输概述

1.3国内外研究现状和发展趋势

1.4本文主要研究内容

第2章 磁谐振式无线电能传输的基本理论分析

2.1磁谐振式无线电能传输的理论基础

2.2两线圈结构的磁谐振式无线电能传输系统

2.3四线圈结构的磁谐振式无线电能传输系统

2.4本章小结

第3章 谐振线圈的优化及设计

3.1线圈优化设计基础

3.2线圈优化设计的参数

3.3线圈优化的目标函数

3.4本章小节

第4章 ANSYS的有限元仿真分析和实验

4.1Maxwell建模与参数提取

4.2Maxwell和Simplorer联合仿真

4.3仿真结果及分析

4.4实验及其结果分析

4.5本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间参与科研项目