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基于四线圈结构的感应式无线电能传输系统研究

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基于四线圈结构的感应式无线电能传输系统研究

作者：李施其西南交通大学

学位级别：硕士

随着生产力的迅猛发展,能源作为核心问题受到越来越多的重视。而电能已经成为现代社会最重要的动力来源之一。传统的电能传输通常采用线缆的方式,但存在无法避免的传输损耗、发热以及线路老化、尖端放电等问题,极易引起安全事故。因此... 详细信息

随着生产力的迅猛发展,能源作为核心问题受到越来越多的重视。而电能已经成为现代社会最重要的动力来源之一。传统的电能传输通常采用线缆的方式,但存在无法避免的传输损耗、发热以及线路老化、尖端放电等问题,极易引起安全事故。因此在一些领域,无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术有着无可比拟的优势,有望代替传统输电技术。感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)是一种有效的WPT技术方案,具有传输功率大,传输效率高以及传输距离较远等优点,应用潜力巨大。但传统IPT系统补偿拓扑的抗偏移能力较差,当接收端发生偏移时,传输功率会产生较大波动从而影响系统正常工作。本文主要针对提升IPT系统抗偏移能力,提出了一种四线圈结构的感应式无线电能传输系统,对于促进无线电能传输技术在实际场景中的普及具有一定的意义。本文首先介绍了无线电能传输技术的基本概念、特点及分类,然后总结了当前国内外的研究现状。通过建立等效电路的方法,详细分析了IPT系统中常用的SS补偿拓扑和双边LCC补偿拓扑,推导了系统输入输出特性,指出了影响系统输出功率的因素及在实际应用中存在的问题。在此基础上本文给出了一种四线圈结构的IPT系统,并进行了详细的分析研究。首先建立了简化的受控源等效电路模型,之后针对其基波近似电路利用经典的电路叠加定理分析方法推导了系统输入输出特性。进一步地,并针对多耦合结构分别计算了每组通道的传输功率,从运行原理上分析了系统抗偏移能力,提出了优化传输的影响因素。最后,根据理论分析搭建了实验平台,设计并实现了传输距离为100mm的IPT系统,输入输出电压均为250V,正对时的系统输出功率为500W,DC-DC效率达到了96.067%。当系统沿x方向偏移100mm后输出功率为正对时的56%;沿y方向偏移100mm后输出功率为正对时的92%。实验结果表明系统具有较强的抗偏移能力,验证了所提拓扑的可行性。

关键词：无线电能传输补偿拓扑抗偏移方法四线圈结构多通道传输

基于线圈回路复阻抗设计实现无线能量传输系统最大效率研究

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电工技术学报 2015年第6期30卷 99-105页

作者：李均锋廖承林王丽芳中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100190

目前四线圈结构无线能量传输系统大多采用磁谐振技术,通过调整实际负载与系统最佳负载相匹配实现系统最大效率工作。本文提出一种基于线圈回路复阻抗设计技术,可通过调整线圈回路复阻抗使得系统工作在最大效率状态。首先,对系统效率与... 详细信息

目前四线圈结构无线能量传输系统大多采用磁谐振技术,通过调整实际负载与系统最佳负载相匹配实现系统最大效率工作。本文提出一种基于线圈回路复阻抗设计技术,可通过调整线圈回路复阻抗使得系统工作在最大效率状态。首先,对系统效率与各线圈回路复阻抗之间关系进行理论推导,证明基于线圈回路复阻抗设计技术的理论可行性。其次,采用数值仿真方法,分析理论推导与实际系统的差别,计算实际系统设计时线圈回路复阻抗数值,并对比两种最大效率设计方法的系统效率和功率输出性能;最后,搭建四线圈结构无线能量传输实验平台,对基于线圈回路复阻抗设计方法进行实验验证。

关键词：无线能量传输四线圈结构最大效率复阻抗设计

弱能量接收下的植入式医疗设备无线能量传输设计

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天津工业大学学报 2017年第3期36卷 60-64页

作者：熊慧孟帅刘来闫多超天津工业大学电气工程与自动化学院天津300387

为了提高经皮无线能量传输的耦合强度和接收端的电压输出能力,针对设备的弱能量接收,设计了具有倍压整流器的四线圈结构磁谐振耦合式无线能量传输系统.通过四线圈谐振能量传输结构,使能量在线圈间的传输隔离来自发射电路和接收电路的影... 详细信息

为了提高经皮无线能量传输的耦合强度和接收端的电压输出能力,针对设备的弱能量接收,设计了具有倍压整流器的四线圈结构磁谐振耦合式无线能量传输系统.通过四线圈谐振能量传输结构,使能量在线圈间的传输隔离来自发射电路和接收电路的影响,从而提高传输电路的品质因数,并且提高系统的耦合系数.实验结果表明:设计结构使用10 mm接收线圈时可使设备在40 mm植入深度下能量传输效率达到15%以上,倍压整流器的输出纹波系数小于0.7%,这说明本文所设计的能量传输系统结构能够在弱能量接收下正常运行.

关键词：植入式医疗设备四线圈结构无线能量传输倍压整流器弱能量接收

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非接触式耦合谐振电能传输系统研究

非接触式耦合谐振电能传输系统研究

作者：刘毅南京邮电大学

学位级别：硕士

非接触式耦合谐振电能传输系统又被称为磁耦合无线电能传输系统。当今世界飞速发展,无线电能传输技术摆脱了对导线的依赖,克服了在医疗领域,水下矿井工作等方面的诸多不便。本文以四线圈系统为模型,研究了磁耦合谐振技术。具体研究内容... 详细信息

非接触式耦合谐振电能传输系统又被称为磁耦合无线电能传输系统。当今世界飞速发展,无线电能传输技术摆脱了对导线的依赖,克服了在医疗领域,水下矿井工作等方面的诸多不便。本文以四线圈系统为模型,研究了磁耦合谐振技术。具体研究内容为:从耦合模理论与电路理论入手,对系统发射端的设计和线圈设进行分析。根据电路理论搭建系统模型,从数学角度理论分析推导四线圈系统输出功率和输出效率的关系。研究了系统的谐振补偿电路,通过电磁仿真软件Ansoft Maxwell对四线圈系统模型分析,得出涡流场中四线圈模型周围磁场分布,在瞬态场中使用Ansoft Maxwell与Simplorer进行联合仿真。说明了谐振补偿的必要性。分析系统工作频率,耦合系数,和传输距离等参数对系统传输性能的影响,提供了选取线圈参数的依据。提出一种提高系统传输性能的优化因子?,使得系统在其固有工作频率下保持最大传输效率,避免了频率分裂现象的产生。并提出一种发射端复合式谐振无线电能传输系统,并做了简单分析,为日后无线电能的研究提供了新的方向。最后对系统发射端和接收端主电路进行分析设计,给出系统驱动电路,逆变电路等主电路设计,搭建出适用于四线圈ssss型系统的低功率实验装置,给出实物电路和实验分析结果。

关键词：无线电能传输耦合谐振四线圈结构优化因子系统性能系统设计

无线电能传输中面向径向移动负载的动态阻抗匹配技术

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无线电能传输中面向径向移动负载的动态阻抗匹配技术

作者：徐晓慧电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线充电在生活中的应用,近年来对无线电能传输的研究也越来越重视。无线电能传输原理大致可分为微波辐射式、电磁感应式和磁耦合谐振式三种。因磁耦合谐振式无线充电有着传输距离远,传输过程中并不要求线圈绝对的正对,辐射小等优点... 详细信息

随着无线充电在生活中的应用,近年来对无线电能传输的研究也越来越重视。无线电能传输原理大致可分为微波辐射式、电磁感应式和磁耦合谐振式三种。因磁耦合谐振式无线充电有着传输距离远,传输过程中并不要求线圈绝对的正对,辐射小等优点,应用场景广泛。实际使用过程中线圈之间通常不会是完全处于同轴状态,径向的错位会引起系统的阻抗失配,导致系统传输功率和效率降低。故本文针对磁耦合谐振式无线输电系统中的线圈径向错位问题进行研究。本文提出采取定点阻抗匹配的方法以提升系统的传输功率和效率,主要研究工作如下:(1)利用耦合模理论和互感理论对磁耦合谐振式无线充电进行理论分析,建立双线圈传输结构的自感和互感模型,进行线圈处于非同轴情况下互感计算的推导。计算了系统的传输效率,并给出了最大功率传输的条件。(2)进行阻抗匹配的分析,在分析常用的阻抗匹配网络后选择了结构较简单的L型匹配电路,给出了L型匹配电路各参数的计算公式,同时提出了利用史密斯原图的阻抗匹配方法。建立线圈模型,优化设计后进行HFSS和ADS的联合仿真,得到线圈传输过程中的等效输入阻抗,功率增益等信息,并利用史密斯原图对各径向偏移距离的情况进行阻抗匹配设计。仿真结果验证了增加阻抗匹配电路对整个系统传输功率和效率的提升作用。(3)实际测试电路的等效输入阻抗,设计并制作继电器电容阵列阻抗匹配电路板实物,设计动态阻抗匹配的流程框图和各模块的选择。搭建无线充电实验平台,包括信号发生器,直流电源,一级和二级功率放大器,整流稳压电路和负载。(4)进行动态阻抗匹配各模块的调试与测试,进行接收线圈径向移动的实验,在系统中加入阻抗匹配网络后进行前后实验结果对比,验证所设计的阻抗匹配方案的可行性。本文针对接收线圈径向错位情况下的双线圈结构无线供电系统进行研究,提出阻抗匹配方案以使其传输功率和效率得以提升,在仿真实验的基础上制作阻抗匹配电路板进行实验验证,初步证明了所设计的方案的可行性,为相关的研究提供了依据和实验基础。

关键词：无线电能传输非同轴线圈磁耦合谐振阻抗匹配四线圈结构

基于分段串联补偿的高距径比感应式无线电能传输系统研究

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基于分段串联补偿的高距径比感应式无线电能传输系统研究

作者：曾宪瑞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在感应式无线能量传输(inductive wireless power transfer,IPT)系统中,较高的工作频率、紧密绕制的线圈会放大寄生电容的影响,导致损耗增大。研究人员为了减轻这种影响常常采用增大线圈匝间距的方法,但这样会导致相同体积下的线圈互感... 详细信息

在感应式无线能量传输(inductive wireless power transfer,IPT)系统中,较高的工作频率、紧密绕制的线圈会放大寄生电容的影响,导致损耗增大。研究人员为了减轻这种影响常常采用增大线圈匝间距的方法,但这样会导致相同体积下的线圈互感大大减小,降低远距离传输能力。为了消除高频条件下紧密绕制线圈的寄生电容的影响,提升IPT系统的远距离传输能力,本文提出了基于分段补偿的高距径比(距径比,传输距离与线圈直径之比)感应式无线能量传输系统,对磁耦合机构优化设计、线圈分布参数模型及其分段补偿方法和四线圈补偿拓扑进行研究。尽管传统的螺线管耦合机构具备较高的耦合系数,但线圈匝间距较大,匝数较少,自感和互感较小,难以适应大功率无线电能传输场景。基于此,本文先通过对磁耦合机构偏磁力线分布的分析,提出了紧密绕制的多层螺线管型耦合机构,在保持强耦合能力的同时自感和互感显著增加,线圈的功率传输能力得到提升。随后,以耦合系数、体积等为优化目标,各外尺寸参数为待优化变量,将线圈结构参数设计问题抽象为多目标优化数学模型,利用改进的多目标遗传算法进行求解,完成了耦合机构的结构参数优化设计。为了防止线圈漏磁场干扰,采用相似的优化思路设计了磁屏蔽装置,使得磁耦合机构在保留原有优异性能的同时具备了电磁屏蔽功能。于是,本文得到了耦合系数最优,体积成本较小,漏磁场较小的多层方形螺线管磁耦合机构。紧密绕制的多层螺线管耦合机构在高频条件下,线圈寄生电容的影响极为显著。因此,需要对寄生电容的作用机理进行分析,以消除其负面效应。建立了考虑分段电感、分布电容和等效电阻的分布参数线圈模型,并对其进行参数和阻抗分析。基于有限元仿真得到线圈的分布参数后,结合所提模型计算各段线圈所需的补偿电容,从而得到线圈的分段串联补偿方法。将传统端部补偿和所提分段补偿两种不同方式下流经寄生电容的电流进行对比,从理论上验证了分段补偿方式的有效性。基于提出的线圈分布参数模型,本文建立了比传统补偿方式效率更高的分段串联补偿方法,该方法能有效消除线圈寄生电容的影响提升IPT系统的传输能力。为了在功率等级保持不变的条件下调节线圈电流大小,充分利用线圈的功率传输能力,本文采用四线圈串联补偿拓扑结构进行能量无线传输。磁耦合机构优化设计完成并得到其电磁参数后,采用分段串联方式进行补偿并基于此建立高距径比IPT系统的四线圈补偿拓扑模型。利用搭建的系统模型进行输入输出特性分析,总结了系统的基本特性。同时,为了确保系统高效安全运行,对四线圈拓扑进行了效率最优/功率最大的阻抗匹配分析和电压电流应力分析,给出了电源线圈和负载线圈的调节范围。至此,高距径比IPT系统的耦合机构优化设计、线圈分段串联补偿方法设计和四线圈拓扑阻抗匹配设计完成。最后,基于前文的理论分析,本文搭建了一台最大输出功率为100 W的IPT系统样机,原副边耦合机构均采用多层线圈紧密绕制,线圈直径为100mm。当原副边耦合机构相距200mm时,25Ω阻抗匹配条件下输出功率为47W,传输效率为38.9%。

关键词：感应式无线能量传输高距径比多层螺线管耦合机构分段串联补偿四线圈结构阻抗匹配

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磁谐振无线电能传输系统的阻抗匹配特性分析

电器与能效管理技术 2015年第6期 1-5页

作者：卢文成丘小辉毛行奎福州大学电气工程与自动化学院福州350108

针对磁谐振无线电能传输系统的四线圈结构,将其分解为三部分,不仅可简化系统传输效率和输出功率的分析,而且更能体现电源线圈和负载线圈的阻抗匹配作用。通过分析发现,电源线圈可以调节系统输入阻抗,负载线圈可以调节接收线圈等效负载... 详细信息

针对磁谐振无线电能传输系统的四线圈结构,将其分解为三部分,不仅可简化系统传输效率和输出功率的分析,而且更能体现电源线圈和负载线圈的阻抗匹配作用。通过分析发现,电源线圈可以调节系统输入阻抗,负载线圈可以调节接收线圈等效负载电阻。因此相比于两线圈结构,四线圈结构对于不同的高频激励源和负载具有更好的适应性,容易使系统工作在较高效率的状态,并且可较灵活地调节系统输出功率。设计制作了一台试验样机,验证了前述分析的正确性。

关键词：无线电能传输磁谐振四线圈结构阻抗匹配

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磁耦合谐振无线传能系统中的线圈损耗分析

集成电路应用 2023年第4期40卷 258-259页

作者：马天昊陈星四川大学电子信息学院四川610065

阐述采用有限元仿真软件COMSOL对线圈进行损耗分析,考虑高频电阻带来的损耗。探讨一个工作于3.4MHz的四线圈结构的设计、仿真和制作。在传输距离为26cm时,仿真得到了四线圈结构的传输效率73%,相应的高频电阻(源线圈和负载线圈为0.05Ω,... 详细信息

阐述采用有限元仿真软件COMSOL对线圈进行损耗分析,考虑高频电阻带来的损耗。探讨一个工作于3.4MHz的四线圈结构的设计、仿真和制作。在传输距离为26cm时,仿真得到了四线圈结构的传输效率73%,相应的高频电阻(源线圈和负载线圈为0.05Ω,发射和接收线圈为4.2Ω)。实验结果和仿真结果基本一致,实验测试效率为71%。

关键词：四线圈结构高频电阻有限元分析传输效率