磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究.pdf

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1、博士學(xué)位論文磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究RESEARCHONMAGNETICRESONANTWIRELESSPOWERTRANSFERSYSTEM于春來哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012年12月國內(nèi)圖書分類號(hào)：TM725學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621.3密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究博士研究生：于春來導(dǎo)師：陳清泉教授副導(dǎo)師：朱春波教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)：電機(jī)與電器所在單位：電氣工程系答辯日期：2012年12月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TM725U.D.C.:621.3Disse

2、rtationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMAGNETICRESONANTWIRELESSPOWERTRANSFERSYSTEMCandidate：YuChunlaiSupervisor：Prof.C.C.ChanAssociateSupervisor：Prof.ZhuChunboAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachineandApparatusAffiliation：SchoolofElectri

3、calEngineeringDateofDefence：December,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要無線電能傳輸在嵌入式醫(yī)學(xué)、人體內(nèi)部檢測(cè)、射頻識(shí)別、移動(dòng)設(shè)備充電等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。磁耦合諧振式無線電能傳輸是一種利用線圈間高頻耦合諧振磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸?shù)男屡d技術(shù)。由于其原理上展現(xiàn)出的中距離高效能量傳輸?shù)目赡苄?，成為無線電能傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前該技術(shù)在傳輸距離、效率和功率等方面還不能夠滿足實(shí)用化所提出的要求，仍存在一些問題有待于研究。其理論

4、研究主要采用耦合模理論和集中參數(shù)電路模型的分析方法，對(duì)耦合體的動(dòng)態(tài)過程、系統(tǒng)內(nèi)部能量分布規(guī)律的研究還不夠深入。另外由于工作頻率高于電力電子器件的一般使用頻率，磁耦合線圈的耦合系數(shù)較小并且處于諧振狀態(tài)，存在著功率器件難以滿足要求、系統(tǒng)損耗較大、效率較低等問題。針對(duì)以上問題，本文從機(jī)理與模型、諧振線圈組、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)源、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面展開研究，主要的研究?jī)?nèi)容如下：首先從穩(wěn)態(tài)分析角度，建立集中參數(shù)磁耦合電路模型，并采用阻抗歸算方法建立耦合系統(tǒng)的能量傳輸模型和分析方法，研究穩(wěn)態(tài)諧振條件下多耦合能量傳輸系統(tǒng)的內(nèi)部能量分配規(guī)律及損耗特性。從系統(tǒng)的暫態(tài)過程分析角度，提出將無

5、線電能傳輸與時(shí)域振動(dòng)理論相結(jié)合的方法來分析雙自由度非保守系統(tǒng)的共振過程。建立廣義振動(dòng)理論為基礎(chǔ)的耦合振動(dòng)能量傳輸模型，研究動(dòng)態(tài)條件下的能量傳遞規(guī)律；并進(jìn)一步提出基于高品質(zhì)因數(shù)弱耦合系統(tǒng)的高效率分頻激勵(lì)能量傳輸方式。從穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型角度，建立了系統(tǒng)輸出指標(biāo)距離、功率、效率等與發(fā)送與接收電路參數(shù)間的關(guān)系。為磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。為了設(shè)計(jì)和優(yōu)化磁耦合諧振線圈組并建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在采用阻抗歸算方法建立內(nèi)部損耗及能量傳遞模型的基礎(chǔ)上，研究了高頻條件下磁耦合輸能線圈的模型。著重分析線圈的電學(xué)參數(shù)、頻率特性、參數(shù)計(jì)算和損耗特性與能量傳輸?shù)年P(guān)

6、聯(lián)與約束，建立起線圈結(jié)構(gòu)與電學(xué)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系。以此提出了基于能量分布優(yōu)化的多線圈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并給出優(yōu)化指標(biāo)、約束條件和設(shè)計(jì)過程。通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及無尾顯示器無線供電裝置的磁耦合線圈組，驗(yàn)證了該方法的可行性。根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)源的技術(shù)需求，本文首先研究單管諧振驅(qū)動(dòng)源的工作特性并分析其自由振蕩階段的規(guī)律，結(jié)合分頻激勵(lì)能量傳遞方式對(duì)驅(qū)動(dòng)源的要求，實(shí)現(xiàn)單管驅(qū)動(dòng)下的分頻激勵(lì)能量傳輸工作方式。實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)源可以實(shí)現(xiàn)分頻激勵(lì)能量傳輸方式，激勵(lì)頻率僅為諧振頻率的一半或者更低，能夠降低驅(qū)動(dòng)源的-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文損耗和提高系統(tǒng)的總傳輸效率。電能與信息的雙向傳

7、輸是磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)囊粋€(gè)重要發(fā)展方向。針對(duì)這個(gè)研究問題，本文提出一種可實(shí)現(xiàn)電能-信息雙向傳送的緊湊型電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中唯一的接收側(cè)諧振線圈同時(shí)承擔(dān)電能和信息的雙向傳送。還給出了不同工作模式下的控制方法和編碼方式，并對(duì)運(yùn)行過程、損耗等內(nèi)容進(jìn)行了分析。仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該電路既可以作為接收電路接收能量和信息，還可以利用耦合諧振磁場(chǎng)發(fā)送信息；通過分時(shí)復(fù)用方法和控制諧振頻率的偏移，還能夠避免雙向傳輸過程中線圈間的干擾。最后，為了驗(yàn)證磁耦合線圈組的設(shè)計(jì)結(jié)果，建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了線圈距離等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的影響；并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究的基礎(chǔ)上，出于實(shí)現(xiàn)向普通用電

8、設(shè)備提供電能的目的，設(shè)計(jì)和試制了基于平面線圈組的供電裝置。該裝置包