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磁耦合无线能量传输系统的线圈优化设计

吕超  
【摘要】:磁耦合无线能量传输作为一种新兴技术,近年来受到广泛关注,在智能家居、便携式电子设备和轨道交通等领域都有广阔的应用前景。磁耦合谐振的基本原理是高频电源的工作频率和发射、接收线圈固有谐振频率相同时,通过近场的电磁场进行能量交换,就可以实现中远距离、高效率的无线能量传输。为了进一步提高系统的传输性能,本文针对耦合线圈进行了优化分析和设计,重点研究目前常用的圆形、矩形平面螺旋线圈。 首先采用电路理论建立等效模型,分析能量传输过程、最大传输效率和最大输出功率,得出影响系统传输性能主要因素是线圈耦合系数和品质因数。为了分析线圈耦合,通过部分元等效法建立了两种线圈的数学模型,并给出它们互感的数值解析式,采用有限元2D分析绘制出线圈周围磁场强度分布情况,便于找到接收线圈的最佳位置和角度。 为了提高耦合线圈间的互感,本文选择在线圈下方铺设平板型磁芯,针对磁芯和线圈不同相对位置的四种情形,采用静磁场镜像法分析了磁平面对线圈互感的影响,并通过仿真得到了有限大磁平面的镜像模型,为实际应用提供了理论依据。本文采用开路电压法对线圈互感进行了测量,测试了不同频率对线圈互感以及相位特性的影响,对比分析了两种平面线圈在不同传输距离下互感的变化,验证了线圈镜像法分析的正确性,在同等规格的情况下矩形平面线圈显然比圆形有更好的耦合性,同时线圈两侧铺设磁平面对于线圈互感的提升最大。 最终,根据优化结果制作了传输装置,测量结果表面线圈的耦合系数有了明显提高。实际测试优化前后两组线圈的频率特性和传输效率,结果表面线圈的传输性能有了明显改善。在传输距离8cm下系统整体传输效率为83%左右,输出功率为268.4W。最后利用ANSYS仿真线圈正常工作时对周围电磁环境的影响,结果表明汽车的金属底盘起到了一定的屏蔽作用,可以在充电过程中对车内人员起到很好的保护作用。


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