磁谐振耦合无线电能传输系统谐振器的仿真和实验研究

WT-WEP0100磁耦合无线电能传输实验系统作为无线电能传输的一种方式，磁耦合谐振无线电能传输技术（Wireless Electricity，WiTricity）是2007年由麻省理工学院Marin Soljacic教授团队提出，利用的是“近场磁耦合“而非“远场电磁辐射”，基本原理上强调的是谐振：距离相对较远的弱耦合线圈系统，若具有相同固有谐振频率，则都处于谐振时耦合将得到显著增强，从而线圈间的能量进行高效交换。

该实验将物理理论、工程技术有机整合，集理论知识、应用、实验于一体，涵盖了电磁原理、电能无线传输等多学科知识，可从不同专业教学需求，灵活设置教学侧重点。

知识点磁耦合谐振、耦合模理论、等效电路理论、耦合率、LC振荡、频率分裂现象、谐振频率、负载功率、传输效率。

系统特点模块化设计，配高频大功率信号源和电子负载。

教学价值：基于基础教学、科研为一体的综合实验平台。

实验内容1.学习基于磁耦合谐振的电能无线传输实验原理；2.搭建电能无线传输实验系统；3.磁谐振耦合无线能量传输四线圈系统效率测量；4.观测磁耦合谐振中的谐振频率劈裂现象；5.掌握磁耦合谐振式无线电能传输的影响因素（耦合系数、频率、负载、k S1,2L）。

6.无线充电实验（选作）技术参数实验系统组成：实验导轨组件、线圈组件（发射、谐振接收）高频大功率信号源电子负载、无线充电装置（选配）一、本体1、导轨总长度850mm，刻度精度1mm；2、谐振线圈结构型：螺线管式结构，稳定封装在有机玻璃管内。

3、谐振线圈尺寸：外径：260mm,匝数6~8匝；线径2mm/3mm，谐振频率3MHz~6.8MHz （提供2组线圈参数）。

4、线圈（单匝）尺寸：外径260mm，线径3mm；封装在平面有机玻璃板内。

5、发射线圈适配器：输入/输出阻抗50Ω，电流取样电阻1Ω。

6、接收线圈适配器：大功率白光LED灯8只，及其直流电压电流测试接口。

7、变阻箱：4档位，调节范围0.1~999.9Ω。

基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种通过磁场耦合方式实现电能传输的无线电能传输技术。

与传统的无线电能传输技术相比，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有高效率、高安全性、低辐射等优点，在很多领域有着广泛的应用前景。

本文将对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行分析与设计。

首先，磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本原理是通过谐振腔和共振线圈实现能量的传输。

谐振腔和共振线圈之间通过磁场耦合，实现了能量的传输。

谐振腔是发射端和接收端都必须具备的，谐振腔内的电磁场能量被传输到共振线圈中，再通过共振线圈传输到接收端。

谐振腔和共振线圈的谐振频率需要匹配，以实现高效率的能量传输。

在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时，首先需要确定传输的距离和传输功率的需求。

传输距离的长短决定了系统的工作频率和设计参数的选择，传输功率的需求决定了系统的功率放大器的设计。

其次，需要进行谐振腔和共振线圈的设计。

谐振腔的设计主要是确定谐振腔的形状和尺寸，以及谐振腔的谐振频率。

谐振腔的形状和尺寸可以根据实际应用场景进行选择，谐振频率需要与共振线圈的谐振频率匹配。

共振线圈的设计主要是确定线圈的匝数和长度，以及线圈的电感值。

接下来是功率放大器的设计。

功率放大器是用来提高传输功率的装置，通常采用放大器来实现。

功率放大器的设计需要考虑放大器的频率响应、增益和功率效率等参数。

由于谐振腔和共振线圈是通过磁场耦合进行能量传输的，所以功率放大器的输出需要采用谐振腔和共振线圈的输入端进行耦合。

最后是系统的控制和保护。

在实际应用中，磁耦合谐振式无线电能传输系统需要具备良好的控制和保护功能。

控制功能可以通过监测传输功率、输出电压和电流等参数实现，保护功能可以通过过流、过压和过温等方式实现。

综上所述，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计主要包括传输距离和功率需求的确定，谐振腔和共振线圈的设计，功率放大器的设计，以及系统的控制和保护。

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。

谐振式磁耦合无线能量传输系统仿真研究
殷星
【期刊名称】《新型工业化》
【年(卷),期】2017(007)002
【摘要】近来磁耦合谐振式无线能量传输系统的研究日趋火热,谐振线圈作为无线输电系统中的核心部件,大多数学者都将研究圆形线圈作为研究对象且一般为了效果明显线圈设置一般较大而对矩形等其他形状的线圈研究相对较少.本文基于ANSYS仿真软件设计研究一种小型矩形平面螺线管线圈的无线能量传输系统,用Maxwell分析线圈参数性能,之后将所建立的线圈模型导入ANSYS Simplorer仿真软件上,搭建基于磁耦合谐振无线电能传输的耦合模型,并对系统进行研究分析.【总页数】5页(P67-71)
【作者】殷星
【作者单位】上海海事大学物流工程学院,上海,201306
【正文语种】中文
【相关文献】
1.磁耦合谐振式无线能量传输系统频率特性研究 [J], 邹玲;郑伟;李丽
2.磁耦合谐振式无线能量传输系统负载特性研究 [J], 张智娟;梁雪梅;崔水香
3.磁耦合谐振式无线能量传输系统特性研究 [J], 周甜;万隆君;徐轶群
4.磁耦合谐振式无线能量传输理论研究与实验验证 [J], 张智娟;张湘雨
5.磁耦合谐振式无线能量传输技术效率分析 [J], 周驰; 潘越; 朱敏辉
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