论文总字数：31509字

摘 要

无线电能传输技术经过一定时间的发展，已经逐渐趋于成熟并投入实际应用，而这也为更灵活便捷的动态无线传能技术的发展提供了契机。短分段式动态无线传能是目前该领域的研究热点之一，磁耦合机构的性能是短分段式动态无线传能系统性能优劣的关键，本文主要研究了短分段式动态无线传能磁耦合机构的设计与优化，包括传能线圈设计优化、补偿网络分析两部分。

本文首先对SS、LCC-S两种补偿方式的拓扑结构进行了分析，得到了系统各输出特性的表达式，并对系统参数对输出特性的影响进行了研究，对两种补偿网络进行了比较，最终选择了SS补偿作为本文研究的补偿网络。之后本文对无线传能线圈的耦合特性进行了理论分析与有限元仿真分析，分析了线圈面积、线圈形状、线圈匝数、位置偏移、磁芯分布对于线圈耦合性能的影响，并结合仿真结果对动态无线电能传输系统线圈进行了初步设计。

最后，本文对所设计的系统的动态位移过程进行了仿真研究，得到了动态位移过程中系统的性能变化，并针对动态过程中线圈耦合系数波动、线圈横向偏移两个问题对线圈进行了优化设计，对比了优化前后系统性能的变化，最终得到了一种适用于动态无线传能的磁耦合机构设计。

关键词：动态无线传能 磁耦合机构 有限元仿真 耦合系数波动

ABSTRACT

After a period of development, wireless power transmission technology has gradually matured and put into practical application. And it’s also provides an opportunity for the development of dynamic wireless power transmission technology which is more flexible and convenient. Short-segment rail dynamic power transmission technology is one of the research hotspots in this field at present. The performance of magnetic coupling platform is the key to the performance of short-segment dynamic wireless performance system. This paper mainly studies the design and optimization of short-segment rail dynamic wireless energy magnetic coupling platform which including coupling coil design optimization and compensation network analysis.

Firstly, the topological structure of SS and LCC-S compensation modes is analyzed, and the expressions of the output characteristics of the system are obtained. The influence of system parameters on output characteristics is studied, and two kinds of compensation networks are compared. Then the coupling characteristics of coupling coil are analyzed theoretically and simulated by finite element method software. The influence of coil area, coil shape, coil turns, position offset and core distribution on coil coupling performance is analyzed as well. And we preliminarily designed the coil of dynamic wireless power transmission system combined with the simulation results.

Finally, the dynamic process of the designed system is simulated and the performance changes of the system are obtained. In view of the fluctuation of the coil coupling coefficient and the lateral offset of the coil in the dynamic process, the optimal design of the coil is carried out. By comparing the performance changes of the system before and after optimization, a magnetic coupling platform design suitable for dynamic wireless power transmission is finally obtained.

KEY WORDS: Dynamic wireless power transmission Magnetic coupling platform Finite element method Fluctuation of coupling coefficient

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 无线电能传输技术简介 1

1.3国内外研究现状 3

1.4 本课题研究意义与研究内容 6

第二章 无线电能传输系统基本电路模型分析 8

2.1 SS补偿无线电能传输系统电路模型 8

2.1.1谐振角频率对SS补偿系统性能影响 10

2.1.2耦合系数对SS补偿系统性能的影响 11

2.1.3负载电阻对SS补偿系统性能的影响 13

2.2 LCC-S补偿无线电能传输系统基本电路模型分析 16

2.2.1耦合系数对LCC-S补偿系统性能的影响 18

2.2.2负载电阻对LCC-S补偿系统性能的影响 20

2.3 本章小结 21

第三章 无线电能传输系统电磁模型及仿真 23

3.1 传能线圈耦合特性分析 23

3.1.1圆形线圈耦合性能分析 23

3.1.2矩形线圈耦合性能分析 24

3.2 耦合线圈特性仿真分析 25

3.2.1有限元分析软件简介 25

3.2.2线圈面积、形状对线圈耦合系数的影响 26

3.3.3线圈匝数对线圈自感、互感、耦合系数的影响 29

3.3.4位置偏移对线圈间互感值的影响 31

3.3.5磁芯分布对线圈耦合系数的影响 33

3.3.6线圈参数设计 35

3.3 本章小结 37

第四章 动态过程中无线电能传输系统性能分析及优化 38

4.1 正方形线圈动态过程系统性能研究 38

4.2 针对动态无线电能传输的耦合线圈优化设计 44

4.3 优化后线圈动态过程性能研究 45

4.4 本章小结 49

第五章 总结与展望 50

5.1 本文工作总结 50

5.2 未来工作展望 50

参考文献 52

致 谢 54

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着人类社会经济、科技的快速发展，电力已经成为人类社会中不可或缺的重要角色。电能作为使用最广泛、传输最便捷的能量形式，在人类社会的方方面面发挥着重要的作用。特别是随着人们环境保护意识的逐渐提高，太阳能、风能等新能源发电技术更是蓬勃发展，为传统的电力体系注入了新的动力。如前文所述，电能最突出的优点就是其方便快速的传输能力，整个电力系统的发电、输电、用电几乎同时完成，因此电能传输方式的重要性就体现出来了。现如今，电能传输的主要方式仍为物理层面的接触式传输，即通过导线传输、导体与导线的接触传输、导体与导体的接触传输等。这种传统电能传输方式简单易实现，但其具有很多难以克服的缺点。如导线的存在使得供电物体与受电物体之间存在物理连接，降低了其灵活性；另一方面，导体的频繁插拔导致接触火花、接头磨损等诸多问题；此外，导体或导线的裸露更具有很大的危险性。在某些特殊场合，如需要移动供电的场合，传统的供电方式已经不能胜任。因此，电能的利用不能受制于传输技术的瓶颈，在这样的大背景下，无线电能传输技术应运而生，逐渐兴起。

无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）技术是基于电磁场理论与电力电子技术的一项新兴技术。其利用电力电子技术制作交流电源，作用于发射线圈在空间中激发电磁场，二次侧再通过接收线圈汲取空间中电磁场的能量，从而实现了电能的无线传输。WPT技术最大的特点便是灵活可靠，使得电力传输不再依靠导体与输电线，供电物体与受电物体之间不再存在物理接触。这样，避免了导体插头的拔插，省去了传输线，大幅减少了传统电能传输方式中的安全隐患，极大地提高了电能传输的灵活性与便捷性，具有传统电能传输方式不可比拟的优点。动态无线电能传输技术则更进一步，允许受电设备在一定范围内移动，实现边移动边供电，这更是对传统供电技术的一次革命性创新。

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