磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)線圈的電磁分析與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、近年來，無線電能傳輸(WPT)技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點技術(shù)。作為無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展的新方向，磁耦合諧振式WPT技術(shù)具有可實現(xiàn)中遠(yuǎn)距離電能傳輸、效率高、輻射小和非磁性物體對系統(tǒng)影響小等特點。磁耦合諧振式WPT技術(shù)在便攜式電子設(shè)備、智能家居以及電動汽車等軌道交通領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)針對磁耦合諧振式WPT技術(shù)展開研究，并取得一定成果，但有些問題尚未進行系統(tǒng)性研究。例如，磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)在

2、移動狀態(tài)下，線圈的電磁分析和優(yōu)化設(shè)計。
　　本文正是基于這個問題進行研究分析，磁耦合線圈的設(shè)計直接影響WPT的性能，是WPT系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容。以電動汽車為例，首先分析磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電能傳輸過程。然后采用互感模型理論，建立等效電路模型，并通過Maxwell仿真進行電磁分析。最后以提高系統(tǒng)效率，增強抗偏移能力，降低系統(tǒng)輻射為目標(biāo)對線圈進行優(yōu)化設(shè)計。本文的主要研究工作如下:
　　(1)采用互感理論模型分析WPT過程

3、，對比分析選擇串聯(lián)-串聯(lián)諧振補償結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)等效電路模型，在此基礎(chǔ)上分析功率效率特性、頻率特性、距離特性和方向特性這四個基本特性。
　　(2)耦合線圈的優(yōu)化設(shè)計以提高系統(tǒng)傳輸效率、增強抗偏移能力和降低輻射為優(yōu)化目標(biāo)。在已有模型基礎(chǔ)上，通過Matlab仿真計算效率等參數(shù)最優(yōu)值，優(yōu)化設(shè)計線圈參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計主要是針對耦合線圈參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括對比分析選擇抗偏移能力好的矩形平面螺旋結(jié)構(gòu)作為耦合線圈結(jié)構(gòu)，加入平面磁芯結(jié)構(gòu)提高

4、耦合系數(shù)。
　　(3)通過Maxwell仿真軟件，對WPT過程中耦合線圈抗偏移能力進行電磁仿真和分析，得到線圈最優(yōu)傳輸距離和平面磁芯結(jié)構(gòu)最優(yōu)位置。
　　(4)根據(jù)優(yōu)化后參數(shù)計算可得耦合線圈實體模型參數(shù)，繞制耦合線圈，搭建系統(tǒng)實驗平臺，對優(yōu)化后線圈進行實驗分析。實驗可得優(yōu)化后線圈系統(tǒng)傳輸效率提高12％，抗偏移能力最大可提高57.6％。
　　本文的研究不僅研究了磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)在移動狀態(tài)下的電磁分布，而且對磁耦合線圈