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.pdf

1、隨著經(jīng)濟的發(fā)展、生活水平的提高，人們對于用電設(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，獲得了各界的廣泛關(guān)注。越來越多的領(lǐng)域諸如電動汽車、便攜式電子設(shè)備、植入式醫(yī)療器件、電力系統(tǒng)監(jiān)測裝置、工業(yè)自動化設(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)境及安全問題也勢必會曝露于公眾的視野中，人們對電磁問題必然會越來越關(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)工作時的電磁問題研究變得十分關(guān)鍵。磁場作為一把雙刃劍，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;而另一方面在非工作區(qū)，磁場又是公眾關(guān)注的焦點，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系統(tǒng)周圍的磁場進(jìn)行屏蔽。由于系統(tǒng)與屏蔽機構(gòu)之間的耦合作用，屏蔽措施的引入

3、勢必會使系統(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)、強粘連性的技術(shù)，電氣參數(shù)的任何一點微弱變化都可能會改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。
　　針對上述問題，本文對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)境下的傳輸機理，建立引入屏蔽機構(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)補償機制和效率還原方法，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)用到實際的無線電能傳輸系統(tǒng)中。
　　本文主要圍繞以下幾個方面展開研究工作:
　　1)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模方法研究。從單個諧振器的模型入手，逐步深入為兩個諧振器、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)計方法計算諧振器電磁參數(shù)中普遍忽略的量，精確計算出各個場量，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)境對諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的影響研究。從電磁場基本理論出發(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諧振器參數(shù)的影響，并綜合仿真與實驗對模型進(jìn)行驗證。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，分別對對稱性屏蔽體與非對稱性屏蔽體環(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)境變化時的運行狀態(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構(gòu)，可以使得系統(tǒng)參數(shù)維持在自由環(huán)境時的初始狀態(tài)，從而減小由于屏蔽機構(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分布，并以電動汽車無線充電系統(tǒng)為例，通過仿真計算了系統(tǒng)對人體各個器官的影響。分別分析了非鐵磁性材料和鐵磁性材料對系統(tǒng)的屏蔽作用，并采用仿真的方法探究了屏蔽機構(gòu)存在時的空間電磁場分布。同時對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構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了系統(tǒng)工作區(qū)磁場的加強和非工作區(qū)磁場削弱。
　　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。設(shè)