基于磁偶极线圈的多向多负载无线电能传输系统研究
这是一篇关于无线电能传输,磁耦合谐振,多向传输,多负载,磁偶极线圈的论文, 主要内容为无线电能传输技术相比于传统有线输电方式具有灵活便捷、电气隔离、安全可靠、环境适用性强等供电优势,极具广泛应用前景及实用价值。本文围绕传输距离、系统功效等技术指标,基于铁氧体磁芯提出了能够提高无线电能传输的传输功效、输电距离,实现多自由度及多端负载无线供电的磁偶极线圈多向多负载无线电能传输系统设计方案,主要研究工作及成果如下:1)基于四种磁谐振补偿拓扑特点,建立了磁偶极线圈系统的等效磁路及等效电路分析模型,探究了磁芯的机理特性,分析了磁偶极两线圈系统的传输功效及磁芯引入使系统效率提升的条件;推导了磁偶极线圈多端负载系统的传输功率、效率规律特性及最优负载匹配,为磁偶极线圈多向多负载无线电能传输系统设计提供理论指导。2)仿真探究了铁氧体磁芯对线圈的电磁增强效应及线圈相关自身结构参数对传输性能的作用规律,优化设计了一套能够实现360°范围多向传输的磁偶极线圈无线电能传输系统,实验结果表明:在传输距离为90 mm时能以平均93%的效率输出达到125 W的负载功率,传输距离为180 mm(即线圈绕组长度)时最优效率可达78%,且在较大偏移范围内,系统拥有较强的抗偏移能力。3)提出了能够实现多端负载无线输电、满足多种应用需求的磁偶极线圈多向多负载无线电能传输系统设计方法,测试结果表明:对称双端负载系统在200 mm以内传输时总效率超过80%;接收端轻小灵活的非对称四端负载系统传输距离为120 mm时总效率能够达86%;具备更多负载数量供电能力的环绕式九端负载系统满负载数量无线供电时,总效率可以达到76%,输出负载功率可超过60 W,说明设计的系统具有优良的多向传输特性和多端负载供电能力。本文设计的长棒型磁偶极线圈易于制备、空间利用率高便于实际安装,且系统可拓展性强、经济性高。研究工作为剖析磁偶极线圈型无线电能传输的电磁调控效应及促进多向多端负载无线电能传输技术的工程实用化提供了有益借鉴及经验指导。
百瓦级无线充电系统研究与设计
这是一篇关于无线电能传输,磁耦合谐振式,频率失谐,频率跟踪,传输效率的论文, 主要内容为随着科学技术的发展,智能化水平越来越高,人们对于充电技术提出了更高的要求,无线电能传输技术凭借着其独有的充电特性,受到人们的喜爱。无线电能传输技术不受导线的束缚,使得该技术可以在更多的场合里得到应用,并且该技术在使用起来更加安全、灵活。本文针对各种中小功率用电设备,设计了一套百瓦级无线电能传输系统,并针对系统在运行过程中,存在系统参数变化、传输线圈偏移、负载变化等情况,这些因素都会使得系统的谐振频率点改变,致使整个系统工作在失谐状态下,降低了系统的传输效率,因此设计了一套频率跟踪控制系统,实现了系统的动态调谐,改善了系统的传输性能。本文的主要研究内容主要包括:(1)用分类的方式对微波式、激光式、电场耦合式、磁感应式和磁耦合谐振式进行了详细的介绍与对比,确定本文的研究目标为磁耦合谐振式。接着对系统各部分进行了介绍,并对两种基本谐振模型进行了系统的分析,得到了谐振时的电路参数及其条件,接着用电路理论模型的方法对四种基本谐振拓扑(串串型、串并型、并串型、并并型)进行对比研究,得出串串型拓扑结构发射端谐振电容大小在设计时更简单,系统更稳定,同等条件下串串型传输效率高,确定了本文的拓扑结构为串串型。接着对传输线圈偏移进行理论分析,得出互感M与线圈水平偏移、垂直偏移以及线圈之间的夹角的关系,随后对串串型谐振拓扑进行了失谐分析,得出系统的输入阻抗角与系统谐振的关系,即输入阻抗角为零时系统谐振,并对系统负载、发射端与接收端电感、电容大小发生变化时系统谐振频率与阻抗角的关系进行了分析,确定通过检测系统的阻抗角来实现对系统谐振状态的监测。(2)对无线电能传输系统进行设计,设计了高频逆变电路、带有电压箝位功能的IR2110S驱动电路、滤波整流电路、DC/DC电路、TLP250光耦驱动电路、电源电路,并对所用到的元器件进行选型;接下来对频率跟踪控制系统进行了设计,选用STM32F407作为控制芯片,并对ARM的开发环境以及开发流程进行了介绍,选择采用数字锁相环的频率跟踪方式对系统进行控制,并对其进行数学建模,在Matlab中对其数学模型进行阶跃仿真,并分析在不同PI参数下数字锁相环的性能,并确定出合适的PI参数,使得系统有良好的性能;最后对ARM控制单元、电流采样电路、比较器电路和保护电路进行设计,并且对各个电路进行了性能测试,满足系统的要求,完成了整个系统的设计,为搭建无线电能传输实验台做铺垫。(3)运用Matlab/Simulink搭建了基于锁相环频率跟踪控制的无线电能传输系统仿真模型,验证了频率跟踪控制方案的可行性;然后搭建了无线电能传输系统实验台,并给出系统的重要参数,接着对系统进行了驱动脉冲测试,结果显示驱动脉冲可达10V且边沿陡峭,可以满足系统要求;然后对系统进行了负载特性实验,得到了不同电压等级下负载变化对传输效率的影响,并得到该系统的最优负载电阻为16Ω;最后对系统分别进行了传输线圈水平、垂直、偏转角变化时的频率跟踪控制实验,实验结果表明,在系统传输线圈发生偏移后,系统可以很好的实现对谐振频率的跟踪,保持系统工作谐振状态,实验结果表明该频率跟踪控制系统具有很好的效果;接着对系统频率跟踪控制前后输出功率与传输效率进行了计算与分析,可以得知,在对系统运用了频率跟踪控制后,可以在一定程度上提升无线电能传输系统的性能。
水下无线电能传输磁耦合机构电磁场仿真及实验验证
这是一篇关于磁耦合装置,海洋环境,无线电能传输,软磁材料的论文, 主要内容为我国海洋面积广阔,开发潜力巨大,而水下潜航器在海洋资源开发中有重要的应用。水下潜航器的动力来源主要是蓄电池供电,因此续航能力和工作范围受限成为限制水下航行器工作能力的主要问题。而无线电能传输技术在发射端和接收端之间进行能量传输的同时实现完全密封,将其应用于水下潜航器充电,可以显著提高水下潜航器的作业时间和隐蔽性,是未来水下潜航器充能的重要发展方向。磁耦合机构是实现无线电能传输发射端与接收端之间能量传输的关键部件,磁耦合机构的设计优化对水下无线电能传输技术的研究有着重要意义。该研究采用有限元仿真方式对磁耦合机构材料及结构参数对磁耦合机构电磁性能参数的影响进行分析,包括磁耦合机构导线材料与软磁材料分析对比,得到在0-100 k Hz范围下,采用Litz导线能够减小磁耦合机构的等效内阻,降低系统损耗;并得出在锰锌铁氧体和纳米晶材料的磁导率超过一定值后,两种材料的替换对磁耦合机构的自感与互感等参数影响较小。然后在得到对应规律的基础上对磁耦合机构进行优化设计,设计的磁耦合机构具备轻质量、小体积的结构特点,具备磁场收敛性好、抗轴向旋转能力好、工作效率高的优点。在完成对磁耦合机构的优化设计后,制作磁耦合机构实物对仿真结果进行验证,针对磁耦合机构的实际参数设计相应的补偿电路及功率变换电路并进行系统仿真得到系统的设计参数。设计的无线电能传输系统采用S-S拓扑补偿网络,发射端功率变换采用全桥逆变电路、接收端功率变换采用全波整流电路。采用射频通信和调频调功方式实现无线电能传输系统的闭环控制。设计的无线电能传输系统电路的能够实现稳定的额定功率传输,满足对磁耦合机构的性能验证的需求。最后,对设计的无线电能传输系统进行防水密封设计,并将系统样机与水下充油电池、负载等装置进行组装,完成水下无线充电实验平台的搭建。利用实验平台对磁耦合机构进行空气、水池、海洋三种不同环境下的工作性能实验验证。近海环境中无线电能传输系统样机能够达到的最大充电功率为1008 W,最大效率为92.8%。
柱状空间无线电能传输系统发射线圈的设计与实现
这是一篇关于无线电能传输,柱状空间,磁场均匀度,螺线管,补偿线圈的论文, 主要内容为随着分布式传感器网络在各个行业中的应用变得越来越广泛,传统的有线充电或是电池供电的方式已经不能满足日益发展的传感器的能源供给需求,这严重限制了分布式传感器网络的应用范围。无线电能传输技术,作为一种更加安全、稳定和灵活的新型供电方案,可以从空间全方位给各种耗电装置进行供电,这为分布式传感器网络的能源供给提供了一种全新的方法。在航空火箭内部,有着许多分布放置的传感器,为了保证分布式传感器网络的稳定工作,就需要建立一个针对火箭内部空间(柱状空间)的无线供电系统为其进行供电。但对于常见的磁耦合谐振式空间无线电能传输系统的发射线圈结构,接收端的用电设备会因为发射线圈在空间中产生的磁场分布不均匀而导致系统的传输效率低下。本文针对柱状空间无线电能传输系统以柱状空间磁能分布均衡为目标,就发射线圈的形态(结构、分布方式、绕制形式等)以及相关参数进行优化设计。主要工作包括:分析了柱状空间无线电能传输系统的功能以及应用需求,基于等效电路的方法分析了多负载磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输特性,进一步比较分析了单个圆线圈、螺线管线圈、双平面螺旋线圈以及双梯形螺旋线圈的轴向磁场分布特性。以柱状空间中的轴向磁场的变异系数作为优化目标,针对上述几种线圈的基本结构,利用Matlab中自带的遗传算法工具箱对螺线管线圈匝间距进行优化设计,然后以双平面螺旋线圈和双梯形螺旋线圈作为补偿线圈,在螺线管线圈的基础上对两种补偿线圈的匝数以及半径进一步设计计算,最终得到能在柱状空间中产生相对均匀轴向磁场的两种空间线圈模型,并分别得到了均匀匝间距的螺线管线圈、优化过匝间距的螺线管线圈以及两种复合线圈在柱状空间内所产生轴向磁场分布的变异系数。研究表明,优化过匝间距的螺线管线圈结构比优化前有效的提高了柱状空间中的轴向磁场均匀度,而两种优化后的复合线圈相对于单纯的螺线管线圈结构又进一步提升了轴向磁场均匀度以及磁场强度。
基于双频超材料的无线电能传输系统研究
这是一篇关于磁谐振,无线电能传输,超材料,双频,E类功率放大器的论文, 主要内容为无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)具有安全、可靠、便捷等诸多优点,近年来被大量应用于各种用电场合。其中,磁耦合谐振式WPT技术由于其传输距离远、效率高以及功率大等优点,成为了最具有发展潜力的WPT技术之一,但在实际应用中其传输性能会随传输距离的增大而降低。对收发端的磁场进行调控,使接收端得到更多的能量是一种解决方法,超材料作为一种具有倏逝波增强、负折射率的人工电磁材料能够改变收发端之间的磁场分布,增强WPT系统的传输性能。目前,WPT系统的收发端往往需要同步传输信号,因此双频及多频WPT系统具有很好的研究前景。针对现有的超材料仅适用于单频WPT系统,无法满足双频WPT系统的问题,本文设计出了具有双频特性的超材料,并实现了基于双频超材料的无线电能传输系统。主要工作和成果如下:首先,设计出了两种具有双频特性的超材料。第一种采用自谐振嵌套结构,通过线圈等效电感和电容来实现相应的工作频点,第二种采用外加补偿嵌套结构,通过外加补偿电容来实现相应的工作频点。嵌套式结构可以使得超材料具有双频特性,通过增加线圈嵌套数量可以得到具有多频特性的超材料,利用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的超材料进行参数优化和分析,利用MATLAB软件提取等效磁导率,验证了设计的正确性。其次,为了使WPT系统能同步传输信号,设计了一种基于PCB板的双频收发线圈,可以分别利用两个不同的谐振频段传输电能和信号。使用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的双频WPT系统进行仿真和参数扫描,得到最佳特性,并搭建基于双频超材料的WPT系统,仿真结果证明了双频超材料可以同时增加WPT系统在两个工作频点处的效率。再者,设计一款高频E类功率放大器作为WPT系统的驱动源,利用ADS软件完成E类功率放大电路的设计和仿真,包括基本电路参数设计、高频MOS管选取、稳定性电路、偏置电路、阻抗匹配电路和滤波电路设计。为了保证实物性能,通过AD软件和ADS软件进行PCB版图联合仿真。利用单片机系统设计了具有信号放大和调制功能的信号发生器,以及相应的稳压电源电路。最后,实验验证了两种双频超材料可以同时增强WPT系统两个工作频点的传输效率,验证了E类功率放大器、信号发生器能够达到设计指标,搭建并测试了基于双频超材料的WPT系统,结果表明加入双频超材料能够增强WPT系统的传输能力。
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