用于高压无线供电设备的平板螺旋线圈设计

摘要

作为一项新兴技术，无线电能传输技术的发展非常迅速。目前应用于无线电能传输技术的原理有三种：电磁感应、电磁谐振和电磁辐射。电磁感应式主要应用于短距离小功率的场合，电磁谐振式主要适用于中等距离与中等功率的能量传输场合，电磁辐射式应用于远距离大功率的场合。其中电磁谐振式是目前应用最为普遍的一种方式，但是在技术上电磁谐振式也是最难实现的一种方式。本文主要是对工作在13.56MHz的谐振线圈进行研究。
　　本研究首先依据电磁谐振原理对带有中继线圈的谐振式无线电能传输系统进行分析与仿真计算，建立了传输模型，得出能量传递的效率公式和不同情况下的传输功率和效率。利用MATLAB软件，对有无中继线圈的两种情况进行了比较分析；对中继线圈的摆放位置进行了研究分析，得出中继线圈在WPT传输系统中的最优位置；对多中继线圈进行数学模型与仿真分析。结果表明，当无线电能传输系统具有中继线圈时，电磁谐振式WPT在传输功率、传输距离和传输效率方面的表现更加优异；在相同参数情况下，在传输距离一致时，与单中继线圈相比，带有双中继线圈的电磁谐振式WPT在电能传输时，负载端获得的功率更大，传输的效率更高；在传输距离一致时，与双中继线圈相比，三中继线圈的电磁谐振式WPT的传输功率更大，效率更高；中继线圈电阻和品质因数是决定传输功率和效率的重要因数，中继线圈的有无、中继线圈的结构以及如何减小线圈的电阻是线圈设计过程中的重要问题，决定着整个无线电能传输系统的实际可用性以及能量的传递距离与效率。由于中继线圈的电阻对无线电能传输的影响较大，对线圈阻抗进行研究。为了减小能量在传播过程中的损耗，提高系统的传播距离，应该减小线圈电阻，增大线圈电感。首先分别设计出PCB与铜排线圈，利用HFSS软件对它们进行仿真分析，从仿真结果可以看出PCB线圈的电阻是铜排线圈电阻的3倍左右，而铜排线圈的电感是PCB线圈的10倍左右。所以本文采用铜排线圈，能够有效地减小能量损耗。然后增加铜排线圈层数，进一步减小中继线圈的电阻，增大中继线圈的电感，增大中继线圈的品质因数Q，使它们达到一个稳定的区间。最后利用逻辑分析仪对线圈进行性能测试，在与仿真结果对比以后，结果显示铜排线圈的阻抗与Q值均满足设计要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 无线电能传输的发展

1.3 目前无线电能传输的方法

1.4 天线线圈介绍

1.5 论文主要研究内容

2 中继线圈对无线电能传输的影响

2.1 带有中继线圈的WPT模型

2.2 带中继线圈的WPT仿真研究

2.3 带中继线圈与不带中继线圈的对比仿真分析

2.4 多中继线圈式WPT理论分析

2.5 中继线圈电阻对最大传输功率的影响

2.6 本章小结

3 中继线圈导体电路参数分析

3.1 线圈的磁场与电场

3.2 PCB线圈导体分析

3.3 铜排导体分析

3.4 本章小结

4 线圈的仿真分析与扫频实验

4.1 仿真软件介绍

4.2 PCB线圈仿真分析

4.3 铜排线圈仿真分析

4.4 线圈的扫频实验

4.5 本章小结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢