諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的若干電磁問題研究及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、生活水平的提高，人們對(duì)于用電設(shè)備的供電靈活性、便攜性、美觀性提出了更高的要求。諧振式無線電能傳輸技術(shù)作為一種新興的供電技術(shù)，可以使用電設(shè)備擺脫繁雜的電纜線束縛，實(shí)現(xiàn)能量的無線輸送。由于該技術(shù)安全、便捷、美觀等優(yōu)點(diǎn)，獲得了各界的廣泛關(guān)注。越來越多的領(lǐng)域諸如電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備、植入式醫(yī)療器件、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、航天與軍事設(shè)施、水下潛器等都出現(xiàn)了無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用示例。
　　隨著無線電能傳輸技術(shù)

2、的快速推廣應(yīng)用，其電磁環(huán)境及安全問題也勢(shì)必會(huì)曝露于公眾的視野中，人們對(duì)電磁問題必然會(huì)越來越關(guān)注。因此，若要進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，系統(tǒng)工作時(shí)的電磁問題研究變得十分關(guān)鍵。磁場(chǎng)作為一把雙刃劍，一方面在系統(tǒng)工作區(qū)是無線電能傳輸技術(shù)的能量載體，需要進(jìn)行加強(qiáng);而另一方面在非工作區(qū)，磁場(chǎng)又是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，需要進(jìn)行削弱。因此需要采取一定的措施，在不影響系統(tǒng)正常工作的情況下對(duì)系統(tǒng)周圍的磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。由于系統(tǒng)與屏蔽機(jī)構(gòu)之間的耦合作用，屏蔽措施的引入

3、勢(shì)必會(huì)使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，而無線電能傳輸是一種較典型的多參數(shù)、強(qiáng)粘連性的技術(shù)，電氣參數(shù)的任何一點(diǎn)微弱變化都可能會(huì)改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。
　　針對(duì)上述問題，本文對(duì)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的若干電磁問題進(jìn)行了分析與研究，旨在探索系統(tǒng)在屏蔽環(huán)境下的傳輸機(jī)理，建立引入屏蔽機(jī)構(gòu)后的諧振器阻抗模型和系統(tǒng)模型，探究屏蔽環(huán)境下的參數(shù)補(bǔ)償機(jī)制和效率還原方法，總結(jié)環(huán)境改變后的系統(tǒng)各方面性能，使系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境能夠得到有效抑制且

4、系統(tǒng)依然能夠穩(wěn)定工作。并將所提出的方法應(yīng)用到實(shí)際的無線電能傳輸系統(tǒng)中。
　　本文主要圍繞以下幾個(gè)方面展開研究工作:
　　1)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模方法研究。從單個(gè)諧振器的模型入手，逐步深入為兩個(gè)諧振器、含中繼的諧振器、帶有電源和負(fù)載的諧振器系統(tǒng)，分別通過耦合模理論與電路理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并推導(dǎo)出系統(tǒng)功率特性、效率特性、頻率特性的數(shù)值計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，提出了適用于諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)電磁問題的場(chǎng)路結(jié)合模型，其基本

5、思路為從偏微分方程組出發(fā)，離散形成代數(shù)方程組，考慮到常規(guī)無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法計(jì)算諧振器電磁參數(shù)中普遍忽略的量，精確計(jì)算出各個(gè)場(chǎng)量，從而得到諧振器的參數(shù)，進(jìn)而通過路的模型發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能與各個(gè)參量之間的依賴關(guān)系，為后續(xù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2)外界環(huán)境對(duì)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的影響研究。從電磁場(chǎng)基本理論出發(fā)，建立了金屬環(huán)境下諧振器的阻抗變化模型，從而得出在屏蔽體存在時(shí)諧振器線圈電感、互感、電阻變化量的解析解。以此為前提分別研究

6、了非鐵磁性材料和鐵磁性材料對(duì)諧振器參數(shù)的影響，并綜合仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上建立了金屬屏蔽環(huán)境下的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)模型，分別對(duì)對(duì)稱性屏蔽體與非對(duì)稱性屏蔽體環(huán)境下的系統(tǒng)進(jìn)行建模。通過分析得出系統(tǒng)諧振頻率的偏移規(guī)律，得出系統(tǒng)在環(huán)境變化時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)變化情況。提出了一種非鐵磁性材料與鐵磁性材料混合的屏蔽機(jī)構(gòu)，可以使得系統(tǒng)參數(shù)維持在自由環(huán)境時(shí)的初始狀態(tài)，從而減小由于屏蔽機(jī)構(gòu)的引入給系統(tǒng)帶來的性能損失。
　　3)諧振式無線電

7、能傳輸系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的影響研究。研究了諧振式無線電能傳輸在自由空間下的電磁場(chǎng)分布，并以電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)為例，通過仿真計(jì)算了系統(tǒng)對(duì)人體各個(gè)器官的影響。分別分析了非鐵磁性材料和鐵磁性材料對(duì)系統(tǒng)的屏蔽作用，并采用仿真的方法探究了屏蔽機(jī)構(gòu)存在時(shí)的空間電磁場(chǎng)分布。同時(shí)對(duì)上述提出的基于非鐵磁性材料與鐵磁性材料的雙層屏蔽機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工作區(qū)磁場(chǎng)的加強(qiáng)和非工作區(qū)磁場(chǎng)削弱。
　　4)搭建了適用于諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)問題的研究平臺(tái)。設(shè)