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基于磁耦合谐振的无线电能传输系统的研究摘要：本文分析和设计了一种基于磁耦合谐振的的无线电能传输系统，并对无线电能传输的技术进行了分析和阐述，分析其中存在的优势特征，并对磁耦合谐振的的无线电能传输的传输距离进行粉分析并研究该系统传播的效率。
本文就无线电能传输系统进行了相应的实验和测试，实验的结果表明，在当系统达到了一定传输效率时，能够实现最优化的系统设计，并对理论分析的有效性进行了相应的验证。
关键词：磁耦合谐振，无线电能传输系统前言无线电能传输的概念在19世纪就出现了，当时是由尼古拉•特斯拉提出的，并在1902年申请了相关的技术专利，后面许多科学家对此展开了研究，并取得了一定的成果，然而在距离方面始终没有获得突破性的进展。
根据无线电传输装置技术的原理，无线电传输方式主要氛围电磁波式、电磁感应式和磁耦合谐振式三种传输技术。
其中电磁波式的无线电能传输技术的实质是利用微波来代替传统的输电装置，然后根据该技术的特点，对传输距离比较长且视距较长和视距传输以及传输方向受限的内容进行分析。
当空气中的无线电传输出现较大损耗时，对周边的环境会带来较大的影响。
一、耦合谐振的的无线电能传输技术原理（一）磁耦合谐振原理磁耦合谐振指的是载流线圈之间经过各自磁场之后相互联系的物理现象。
在靠近磁场的区域，电磁场的能力辐射源内部和辐射的原因是周围空间周期性的流动，并不断的由内向外辐射，出现非辐射性的磁耦合的效应，并且辐射不会向外，属于非辐射性的磁耦合。
磁耦合谐振的无线电传输技术主要是利用磁耦合谐振技术来促进无线传输效率的提升，它的理论基础是磁耦合谐振，在某一个确定的频率下，两个相同的磁耦合谐振在物体之间产生了较为强烈的磁耦合，并且可以实现较好的转移。
依据电路伦理的知识运算，影响系统传输功率、传输效率的因素包含了谐振补偿电容、品质因素、谐振线圈参数和谐振频率、负载电阻等，通过谐振理论来对系统的传输效率进行计算和研究，得出影响系统传输性能的内在联系，并进行进一步的优化。
目录摘要 (i)Abstract .............................................................................................................. i ii 第一章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 无线电能传输技术的发展概况 (2)1.2.1 微波式WPT技术 (3)1.2.2 激光式WPT技术 (4)1.2.3 电磁感应式WPT技术 (5)1.2.4 电场耦合式WPT技术 (6)1.2.5 磁耦合谐振式WPT技术 (7)1.3 磁耦合谐振式WPT技术的研究现状 (9)1.3.1 WPT系统建模与传输特性研究 (9)1.3.2 WPT系统的关键技术研究 (12)1.3.3 当前存在的主要问题 (17)1.4 研究思路与内容安排 (18)1.4.1 研究目标及研究思路 (18)1.4.2 主要研究内容 (20)第二章磁耦合谐振式WPT系统建模与传输机理分析 (21)2.1 磁耦合谐振式WPT系统建模 (21)2.1.1 磁耦合线圈的等效模型 (22)2.1.2 补偿网络的等效模型 (25)2.1.3 磁耦合谐振式WPT系统的模型 (28)2.2 磁耦合谐振式WPT系统的传输特性分析 (29)2.2.1 WPT系统的特性参数分析 (29)2.2.2 WPT系统谐振条件分析 (31)2.2.3 WPT系统阻抗匹配条件分析 (32)2.3 磁耦合谐振式WPT系统的频率分裂机理分析 (33)2.3.1 谐振频率点分析 (34)2.3.2 阻抗匹配频率点分析 (36)2.3.3 WPT系统仿真分析 (37)第三章磁耦合谐振式WPT系统的不确定性分析与优化方法 (43)3.1 不确定参数变化对WPT系统的影响分析 (43)3.1.1 WPT系统的不确定参数分析 (43)3.1.2 不确定参数的影响作用仿真分析 (46)3.2 参数不确定情况下WPT系统的优化设计方法 (50)3.2.1 改进型WPT系统电路 (50)3.2.2 WPT系统的不确定性优化问题建模 (52)3.2.3 WPT系统的两层嵌套优化算法 (55)3.2.4 WPT系统的优化结果分析 (58)3.2.5 WPT系统的优化设计准则及建议 (67)3.3 WPT系统的不确定性优化实验研究 (67)3.3.1 实验系统设计 (68)3.3.2 实验结果分析 (72)3.4 本章小结 (73)第四章磁耦合谐振式WPT系统的自适应阻抗匹配方法研究 (75)4.1 双侧阻抗变换式自适应阻抗匹配方法 (75)4.1.1 双侧阻抗变换方法原理 (75)4.1.2 阻抗匹配算法研究 (80)4.1.3 WPT系统阻抗匹配仿真分析 (81)4.1.4 双侧阻抗变换式WPT系统设计 (85)4.2 频率跟踪-阻抗变换结合式自适应阻抗匹配方法 (87)4.2.1 频率跟踪-阻抗变换结合式方法原理 (87)4.2.2 阻抗匹配算法研究 (90)4.2.3 WPT系统阻抗匹配仿真分析 (91)4.2.4 频率跟踪-阻抗变换结合式WPT系统设计 (93)4.3 WPT系统的自适应阻抗匹配实验研究 (94)4.3.1 实验系统搭建 (94)4.3.2 实验结果分析 (96)4.4 本章小结 (98)第五章结论与展望 (99)5.1 主要研究内容和结论 (99)5.2 研究展望 (100)参考文献 (103)作者在学期间取得的学术成果 (117)表1.1 WPT系统的电磁屏蔽方法比较 (17)表2.1 几种补偿网络的传输参量 (27)表2.2 仿真分析中WPT系统的参数设置 (38)表2.3 WPT系统的谐振频率点 (39)表3.1 SS型WPT系统参数的优化设计值 (46)表3.2 不确定参数的变化区间 (47)表3.3 改进型WPT系统参数的初始设计值 (58)表3.4 改进型WPT系统不确定参数的变化区间 (59)表3.5 WPT系统设计向量的优化解(以传输效率为优化对象) (61)表3.6 WPT系统设计向量的优化解(以功率增益为优化对象) (64)表3.7 WPT实验系统的确定参数 (71)表3.8 WPT实验系统的不确定参数 (71)表3.9 T型补偿网络参数优化值(以功率增益为优化对象) (72)表4.1 仿真分析中不确定参数的初始值和变化范围 (83)表4.2 仿真分析中的确定参数值 (83)表4.3 WPT实验系统的确定参数 (96)表4.4 不确定参数的初始值和变化范围 (96)图1.1 无线电能传输技术的分类 (3)图1.2 微波式WPT系统结构图 (3)图1.3 激光式WPT系统结构图 (4)图1.4 电磁感应式WPT系统结构图 (5)图1.5 电场耦合式WPT系统结构图 (6)图1.6 磁耦合谐振式WPT系统结构图 (7)图1.7 KAIST提出的偶极子线圈共振系统 (8)图1.8 电动汽车动态无线充电技术 (8)图1.9 磁耦合谐振式WPT系统的集总参数电路模型 (10)图1.10 磁耦合谐振式WPT系统的二端口网络模型 (11)图1.11 几种不同结构的线圈 (12)图1.12 利用中继线圈增强WPT系统的传输效率 (13)图1.13 利用超材料增强线圈的耦合性能 (13)图1.14 WPT系统的频率控制方法 (14)图1.15 WPT系统的阻抗匹配控制方法 (15)图1.16 基于开关变换器的WPT系统控制方法 (15)图1.17 基于多线圈结构的WPT系统控制方法 (16)图1.18 WPT系统线圈磁场分布仿真 (16)图1.19 WPT系统线圈磁场的主动屏蔽方法 (17)图1.20 论文整体框架与研究思路 (19)图2.1 磁耦合谐振式WPT系统的基本结构 (21)图2.2 两种磁耦合线圈结构 (22)图2.3 两线圈结构的集总参数电路模型 (22)图2.4 四线圈结构的集总参数电路模型 (23)图2.5 磁耦合线圈的二端口网络模型 (23)图2.6 单元件补偿网络的集总参数电路模型 (25)图2.7 双元件补偿网络的集总参数电路模型 (25)图2.8 三元件补偿网络的集总参数电路模型 (26)图2.9 补偿网络的二端口网络模型 (26)图2.10 磁耦合谐振式WPT系统的模型 (28)图2.11 磁耦合谐振式WPT系统的阻抗参数图 (29)图2.12 磁耦合谐振式WPT系统的功率参数图 (30)图2.14 共轭阻抗匹配原理图 (33)图2.15 SS型WPT系统的结构 (34)图2.16 WPT系统的谐振因子和阻抗匹配因子仿真结果 (38)图2.17 WPT系统的传输效率和功率增益仿真结果 (39)图2.18 耦合系数K=0.3时的仿真结果 (40)图2.19 耦合系数K=0.13时的仿真结果 (40)图2.20 耦合系数K=0.06时的仿真结果 (41)图3.1 带有不确定参数的WPT系统 (44)图3.2 发射线圈电感变化时的仿真结果 (47)图3.3 接收线圈电感变化时的仿真结果 (48)图3.4 线圈互感变化时的仿真结果 (48)图3.5 负载电阻变化时的仿真结果 (49)图3.6 负载电抗变化时的仿真结果 (49)图3.7 改进后的TT型WPT系统电路 (50)图3.8 WPT系统的嵌套优化流程 (56)图3.9 PSO算法流程 (57)图3.10 NSGA-II算法流程 (58)图3.11 优化得到的帕累托前沿图(以传输效率 为优化对象) (60)图3.12 优化后WPT系统的传输效率曲线 (62)图3.13 优化得到的帕累托前沿图(以功率增益G为优化对象) (63)图3.14 优化后WPT系统的功率增益曲线 (65)X同时发生变化) (65)图3.15 优化得到的帕累托前沿图(r L、d图3.16 优化后WPT系统的功率增益图 (66)图3.17 WPT实验系统总体设计图 (68)图3.18 高频电源设计图 (68)图3.19 磁耦合线圈设计图 (69)图3.20 发射侧、接收侧补偿网络设计图 (69)图3.21 负载部分的设计图 (70)图3.22 磁耦合谐振式WPT实验系统 (71)图3.23 两种WPT系统的功率增益曲线 (73)图4.1 WPT系统的阻抗参数图 (75)图4.2 包含4个独立可调元器件的WPT系统电路图 (76)图4.3 双侧阻抗变换式自适应匹配方法 (79)12V V图4.5 利用Multisim软件对WPT系统进行仿真分析 (82)图4.6 WPT系统功率增益的仿真结果(双侧阻抗变换方法) (84)图4.7 双侧阻抗变换式WPT系统电路图 (85)图4.8 自适应补偿网络设计方案 (86)图4.9 WPT系统功率测量电路设计方案 (86)图4.10 包含3个独立可调元器件的WPT系统电路图 (88)图4.11 频率跟踪-阻抗变换结合式自适应匹配方法 (90)图4.12 频率跟踪-阻抗变换结合式WPT系统仿真电路 (92)图4.13 WPT系统功率增益的仿真结果(频率跟踪-阻抗变换结合式方法) (93)图4.14 频率跟踪-阻抗变换结合式WPT系统电路图 (93)图4.15 WPT系统阻抗匹配实验装置 (95)图4.16 发射侧自适应补偿网络 (95)图4.17 接收侧自适应补偿网络 (95)图4.18 WPT系统的功率增益曲线 (97)摘要随着科学技术的不断发展，人们对于电能传输系统的要求也越来越高。
基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统设计高镇; 于广强; 刘宁【期刊名称】《《河海大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(047)006【总页数】8页(P560-567)【关键词】无线电能传输; 水下ECPT系统; 电场耦合; AUV无线充电; E类放大器; CLC-S调谐网络【作者】高镇; 于广强; 刘宁【作者单位】天津大学电气自动化与信息工程学院天津 300110; 国家海洋技术中心天津 300110【正文语种】中文【中图分类】TM724自主式水下航行器(autonomous under-water vehicle, AUV)作为探索海洋空间的重要器材,由于巨大的科技和军事价值,其发展一直为世界各海洋强国所关注。
目前,AUV的供电方式主要是自身携带的锂离子电池和燃料电池。
其主要缺陷在于工作时间较短,且需要频繁地回收和投放,难以长时间执行航行和深海环境监测任务,在一定程度上限制了AUV的自主性和灵活性[1-3]。
因此,水下无线电能传输技术的研究就显得尤为关键。
电场耦合式电能传输(electrical-field coupled power transfer,ECPT)技术是指在电能的传输过程中,在发送能量侧和接收能量侧分别设置电极,通过极板间产生的电场来传输能量的技术[4-5]。
Lu等[6]提出了一种适于电动汽车无线充电的电能传输系统,在传输距离为150 mm时,最大输出功率为2.4 kW,这正好满足了AUV无线电能传输对于大功率供电的需求。
因此,将无线充电技术应用到水下AUV的充电续航中具有重要意义。
本文的组织结构如下：首先介绍水下ECPT系统的基本结构,分析E类功率放大器的基本原理以及参数设计流程，针对ECPT系统的CLC-S调谐网络进行阻抗分析,给出电压增益的数学模型；然后,对于水下耦合机构进行数学建模,利用有限元仿真软件对水下耦合机构电容值及电场分布进行求解；最后,通过搭建水下无线电能传输系统实验平台,分析品质因数Q与归一化频率μ对系统的电压增益、输出功率的影响规律。
电场耦合无线电能传输技术综述摘要：电场耦合无线电能传输技术是一种利用电场耦合原理实现电能无线传输的技术。
本文对电场耦合无线电能传输技术的现状、研究方法、研究成果和不足进行了综述，并提出了未来研究方向和趋势。
关键词：电场耦合，无线电能传输，研究现状，理论研究，实验研究，应用前景，挑战，发展方向引言：随着科技的发展，无线电能传输技术已经成为人们的热点领域。
电场耦合无线电能传输技术是一种新型的无线电能传输技术，其基本原理是利用电场耦合原理，实现电能的无线传输。
本文旨在对电场耦合无线电能传输技术进行综述，介绍其研究现状、研究方法、研究成果和不足，并展望未来的研究方向和趋势。
研究现状：电场耦合无线电能传输技术的研究主要包括以下几个方面：电场耦合无线电能传输技术的分类及其优缺点：电场耦合无线电能传输技术主要分为近场耦合和远场耦合两种类型。
近场耦合主要采用电容耦合的方式，具有传输功率高、效率高、安全性好的优点，但传输距离较短；远场耦合主要采用电磁感应的方式，具有传输距离远、适用范围广的优点，但传输功率和效率较低。
电场耦合无线电能传输技术的理论研究：主要包括电场耦合无线电能传输技术的传输机制、传输效率、影响因素等方面的研究。
电场耦合无线电能传输技术的实验研究：主要包括传输功率、传输效率、影响因素等方面的实验研究，以及相关硬件设计和实现等。
电场耦合无线电能传输技术的应用前景和挑战：该技术在很多领域都具有广泛的应用前景，如无线充电、电动汽车、智能家居等。
然而，目前仍存在一些挑战和技术难点，如传输距离和功率的限制，空间分布和电磁环境的影响等。
电场耦合无线电能传输技术作为一种新型的无线电能传输技术，具有其独特的优点和适用范围。
目前，该技术已经在许多领域得到了广泛的应用，但仍存在一些挑战和技术难点需要进一步解决。
未来的研究方向和趋势主要包括提高传输功率和效率、拓展传输距离和范围、优化硬件设计和实现成本等方面。
同时，还需要考虑电磁环境对传输性能的影响以及如何提高系统的安全性和可靠性。
电场耦合式无线供电系统:实现轻松无线充电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，通过对置送电侧电极与受电侧电极，利用两电极间产生的感应电场来供电,具有抗水平错位能力较强的特点。
村田制作所已试制完成了为平板终端、电子书终端等便携终端进行无线供电的供电台。
在本文中,村田制作所的新业务负责人和商品策划人员将对该公司的战略和技术详情进行介绍。
在众多企业对无线传输电力的无线供电技术展开研发的背景下，村田制作所将着眼点放在了被称为“电场耦合方式”的技术上.以前村田制作所也开发过“电磁感应方式"的无线供电技术,但2008年前后决定改为推进电场耦合方式.电场耦合方式的构造简单，只要是在供电台规定的充电区域内,无论将产品放在什么位置都可供电，可实现“位置自由（Free Positioning）”的供电。
另外，由于可将电极减薄,因此具有容易嵌入产品等其他方式所没有的特点。
村田制作所用了大约3年的时间提高了技术的完成度，并构筑了以基本专利为中心的专利网。
目前已试制完成为平板终端及电子书等便携终端进行无线供电的供电台.村田制作所计划2011年秋季面向平板终端的无线供电装置量产输出功率为10W的送电模块及受电模块。
与此同时，为了扩大电场耦合方式的应用,还开始进行标准化工作。
本文将以技术方面的内容及特点为核心，详细介绍电场耦合方式。
在业内为少数派无线供电方式因利用的原理不同而有数种方式（图1)。
在无线供电技术中研发历史较长的是电磁感应方式.在电动牙刷及无线电话等领域已有采用的业绩。
电磁感应方式方面，目前已成立了开展标准化作业的业界团体“Wireless Power Consortium（WPC）”，制定完成了面向5W以下设备的标准规格.图1：众多企业关注无线供电（点击放大）图中按电力传输方式汇总了无线供电的开发动向。
在大量企业致力于电磁感应方式和磁场共振方式的情况下，村田制作所则着眼于电场耦合方式。
“磁场共振方式”是刚刚起步的技术。
电场耦合式无线充电系统设计原理的图文解析随着便携式媒体播放器、智能手机和平板电脑等电池供电的消费类电子设备的不断普及，导致家里到处充斥着大量不同的充电器和成捆的电线。
以无线方式给设备充电的概念即没有任何直连线的连接已经推出一段时间了，现在正迅速提起人们的兴趣，使之更加灵活和更加有用。
不过目前有哪些不同的技术、工程师需要应付的设计挑战又有哪些呢？由于无需使用充电线缆，给消费设备进行无线充电有许多吸引人的地方。
也许应该说得更明白点，无线充电的目的是通过不同于有线或连接器等的创新方式提供给设备电池充电的新途径。
无线充电方式在诸如电动牙刷等许多消费设备中已经非常流行，其中最主要的一种方法是基于麦克斯韦定律的感应方法，即来自某个线圈的磁场变化会在另外一个与之耦合的线圈中产生电流。
虽然使用磁场的感应方法适合类似上述这样的许多小设备，但在平板电脑和智能手机等更加现代的消费电子设备中使用这种方法面临着诸多工程设计挑战。
随着馈送给电池的功率的增加，相对效率或摆放耦合线圈的灵活性要求也会提高。
这种感应方法的主要考虑因素是如何控制产生或发送能量并使用感应磁场传送给接收设备的信号所产生的电磁干扰（EMI）。
接收设备随后将磁场能量转换为电能再给电池充电。
Wi-Fi、蓝牙、近场通信（NFC）、蜂窝系统和调频广播是众多无线语音和数据连接方法中的一些例子，它们可能都会受到这种电磁场的干扰。
当然，另外一个考虑因素是使功率传输效率尽可能高，即使在更高功率电平和更宽摆放误差等挑战约束条件下。
在过去几年中，业界对于如何实现感应充电技术提出了许多新的想法，但规避EMI影响的进展不像期望的那样顺利，因为达到EMI兼容需要付出艰巨的努力。
最近这方面的挑战得到了进一步发展，这得感谢无线充电联盟（WPC）的不懈努力。
WPC 是美国消费电子（CEA）组织的一项行动计划，目的是鼓励进一步研究开发，使无线充电更加引人注目，从而得到更大消费群体的青睐。
无线电能传输系统传输环节（耦合电路）拓扑结构分析无线电能传输系统耦合电路的核心为初、次级线圈磁耦合构成的变压器单元。
无线电能传输系统的变压器与传统的变压器的本质区别在于初、次级之间的耦合性能差异。
用耦合系数k 度量两个线圈磁耦合程度，0≤k ≤1。
对于传统的变压器，耦合系数通常在 0.95~0.98 之间，接近于 1。
而无线电能传输系统的变压器属于疏松耦合式系统，耦合系数通常在0.8 以下，有的甚至不到0.1。
也有的用 0.5 作为阈值分野，定义k <0.5 时，线圈间称为松散耦合；对于k >0.5，则称为紧耦合。
本书采用前一种说法，将立足于讨论所有耦合系数不能严格等于1 的多种耦合方式。
（1）无线电能传输系统初、次级耦合模型分析载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。
耦合的效率决定了能量传输的效率，同时也决定了能量传输的距离。
耦合线圈中的磁通链等于自感磁通链和互感磁通链两部分的代数和，并且与施感电流呈线性关系，是各施感电流独立产生的磁通链叠加的结果。
如果两个耦合的电感L 1和L 2中有变动的电流，各电感中磁通链将随电流变动而变动。
设L 1和L 2的电压和电流分别为u 1、i 1和u 2、i 2，且都取关联参考方向，互感为M ，则两耦合电感的电压电流关系为：12112122d d d d d d d d i i L M t t i i L M t t μμ⎧=±⎪⎪⎨⎪=±⎪⎩(2-8) 工程上为了定量描述两个耦合线圈的耦合紧疏程度，定义耦合因数，用k 表示: k =。
k 的大小与两个线圈的结构和相互位置以及周围磁介质有关。
改变或调整他们的相互位置有可能改变耦合因数的大小；当L 1和L 2一定时，也就是相应地改变了互感M 的大小。
分析初、次级绕组之间耦合的建模方法，最常使用的是传统的变压器模型和互感模型。
传统的变压器模型使用电压和负载电流的概念来描述耦合效应。
无线电能传输系统的耦合性能分析1 引言无接触感应电能传输系统利用电磁感应耦合原理，结合现代电力电子技术和控制技术，实现了供电端与用电负载的机械分离，消除了传统的通过金属导体接触供电的一系列缺点，如导线裸露、机构磨损、碳积、接触电火花等，为安全供电尤其是易燃易爆环境下的供电及移动电气设备的供电提供了全新的解决方案。
该技术在国外已经进行了比较广泛的研究，并有一部分无接触式感应耦合电能传输系统投入了试运行。
本文在对非接触感应式电能传输系统的数学模型进行深入分析的基础上，对系统的初级端线圈进行了ANSOFT 仿真分析,最后通过实验对比，验证了仿真结果。
2 感应式能量传输系统数学模型由于无线电能传输系统是疏松耦合的变压器系统，其漏电感不能忽略不计，故通常用互感模型来分析无线电能传输系统的初、次级耦合特性。
互感模型使用感应电压和反映电压来描述初、次级系统之间的耦合效应，感应电压和反映电压都通过互感来描述。
图1为感应式电能传输系统电路分析模型，定义电压源电压为U 1，初级绕组中的电流为I 1，初、次级绕组间的互感为M 。
j ωMI 1为初级电流I 1在次级绕组中感应产生的电压，－j ωMI 2为次级绕组中的电流I 2在初级绕组中的感应电压值。
初级绕组的电阻和电感分别为R 1和L 1，次级绕组的电阻和电感分别为R 2和L 2，负载电阻为R L 。
在初、次级绕组相互感应电压的过程中，实现了能量传递。
以图1中给出电流的方向为正方向，可得初、次级电路的方程为：11121(j )j (1)I L R I M U ωω+-=222L 1(j )j (2)I L R R I M ωω++=图1 感应式电能传输系统互感模型当初级为电压源供电时，可以得到初级电流I1和次级电流I2为：1122112L2(3)jjUIMR LR R Lωωω=++++1112222L211jj(4)jjMUR LIMR R LR Lωωωωω+=++++由式（3）和式（4）可以得到初、次级等效电路图如图2所示。
