论文总字数：24272字

摘 要

本文对面向小功率电动汽车的3kW无线传能耦合机构进行了设计与仿真。

首先介绍了无线电能传输技术相关的背景、国内外发展现状、目前无线电能传输耦合机构的类型，以及无线传能技术应用于工程化的必要性，并分析了采用不同方式进行无线电能传输的优缺点；

其次在3kW传输功率、既定效率的目标条件下，分析了不同拓扑结构下磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输性能，最终选定了串串（SS）拓扑结构，对工作频率、谐振器参数和电源拓扑进行了理论推导，完成了线圈的参数设计与补偿网络设计，包括线圈耦合方式，谐振网络和电磁屏蔽；

然后在参数分析的基础上，调研了不同种线圈结构的优缺点，并选定了DD型线圈，使用ANSYS仿真软件建立了场路模型，验证了参数设计和系统指标达到指定要求，并采用负载匹配技术进行了效率优化；

最后分析了铁磁性金属屏蔽和非铁磁性金属屏蔽对电磁环境的影响，按照国标中电磁辐射的指标要求，使用铝板作为电磁屏蔽，并在ANSYS仿真软件中建模，经验证达到相关指标要求。

关键词：无线电能传输，3kW耦合机构，DD线圈建模，负载匹配技术，电磁屏蔽

Abstract

In this thesis, it designs and simulates 3kW wireless power transfer coupling mechanism for small power electric cars.

Firstly, it introduces the related background of the wireless power transfer technology, present situation of domestic and foreign development, the type of current wireless power transfer coupling mechanism, and the necessity of engineering which wireless power transfer technology applies to, and analyzes the advantages and disadvantages of using different ways to do wireless power transmission.

Secondly, under the target condition of 3kW transmission power and established efficiency, the thesis selected a series-series (SS) topological structure by analyzing transmission performance of magnetic coupling resonant wireless power transfer^[1] coupling mechanism under different topology structure, and the working frequency, resonator parameters and power topology are theoretically derived, and the parameters design and compensation network design of the coil are completed, including the coil coupling mode, resonant network, electromagnetic shielding and heat dissipation mode.

Then on the basis of parameter analysis, researched the advantages and disadvantages of different kinds of coil structure, and selected the DD type coil. The field-circuit model was established by using ANSYS simulation software, and the parameter design and system index were verified to meet the specified requirements, and efficiency optimization was performed by using load matching techniques.

Finally, the influence of ferromagnetic metal shielding and non-ferromagnetic metal shielding on the electromagnetic environment was analyzed. According to the requirements of electromagnetic radiation in the national standard, aluminum plate was used as electromagnetic shielding, and the empirical evidence met the requirements of relevant indexes modeling in the ANSYS simulation software.

KEY WORDS: Wireless power transfer, 3kW coupling mechanism, DD type coil modeling, load matching techniques, electromagnetic shielding

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 无线电能传输国内外研究现状 4

1.2.1 国内发展现状 4

1.2.2 国外发展现状 5

1.3 不同类型的无线电能传输方式 8

1.3.1 磁耦合谐振式无线电能传输方式 8

1.3.2 电磁感应式无线电能传输方式 9

1.3.3 两种无线电能传输方式优缺点分析 9

第二章 理论分析 10

2.1 拓扑结构分析 10

2.2 线圈参数设计 11

2.3 本章小结 16

第三章 3kW无线传能耦合机构模型 17

3.1 模型结构设计与仿真 17

3.2 效率优化 26

3.3 本章小结 27

第四章 电磁屏蔽 28

4.1 电磁屏蔽方式 29

4.2 电磁屏蔽方案设计及仿真 30

4.3 本章小结 32

第五章 总结 33

致谢 35

参考文献 36

绪论

背景

目前大多数电力输送采用的方式都是有线传输，这一类传统输电方式靠的是电阻率比较低的金属缆线将用电设备与电能的输出端相连接，在此传输过程中必不可免会有损耗，同时根据如震动、低温和湿热等电能传输的环境不同，缆线的电阻率可能更容易增加，引起无功功率的增加以及电能传输效率的降低，而线路的老化也容易导致电火花，降低供电的可靠性和安全性，电缆线在例如海底的一些特殊场合便有很大的安全隐患，一旦引起设备损坏乃至爆炸和火灾，极易造成经济损失和人员伤亡；同时，生活中许多电源线的交叉也给人们带来了不便^[2]。

在人类开始利用电能时就一直存在着对将电能进行无线传输的方式的期待，基于有线电力传输的缺点和不便之处，传统的有线传输供电方式已经无法满足人们对移动性的要求^[3]，相比于原来的有线电能传输，无线电能传输并不使用导线，一样可以实现传输电能的功能，同时其具备的无电火花产生、更方便、没有机械摩擦等优点，使得人们对无线电能传输技术的追求越来越迫切；这项技术在电源到负载传输电能的过程中没有直接的电气接触。

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