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中国电机工程学报 2020年第10期40卷 3297-3309页

作者：梁留欢刘志珍范书静唐国深侯延进 Naghmash-Ali 山东大学电气工程学院山东省济南市250014 齐鲁工业大学(山东省科学院)能源研究所山东省济南市250014

为了实现无线供电系统同时为多个设备同步供电,该文设计了一种双频磁耦合谐振式无线电能传输系统和一种叠式双圆形线圈结构。主系统可实现大功率能量传输,其谐振频率设为85kHz;辅助系统则可作为小功率传输通道或信号传输通道,其谐振频率... 详细信息

为了实现无线供电系统同时为多个设备同步供电,该文设计了一种双频磁耦合谐振式无线电能传输系统和一种叠式双圆形线圈结构。主系统可实现大功率能量传输,其谐振频率设为85kHz;辅助系统则可作为小功率传输通道或信号传输通道,其谐振频率为30k Hz。建立双频无线供电系统的等效电路模型,并推导了其数学模型。针对重叠的线圈之间较强的交叉耦合问题,分析了系统的电感、谐振频率对线圈交叉耦合产生的干扰影响,通过在线圈上串联滤波电感并合理匹配谐振频率的手段有效抑制因线圈交叉耦合产生的电流谐波。最后,搭建双频磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验平台,成功为40Ω电阻和5Ω电阻负载实现同时供电,通过实验结果验证了理论分析的正确性和可行性。

关键词：无线充电磁耦合谐振双频率双电源多负载供电

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双频磁耦合谐振式无线电能传输系统研究

双频磁耦合谐振式无线电能传输系统研究

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作者：梁留欢山东大学

学位级别：硕士

无线电能传输技术具有安全稳定、便于安装、使用范围广等优点,近年来成为热门的研究方向。采用无线充电技术为电动汽车、机器人、无人机等设备供电已经成为当下的热门趋势。磁耦合谐振式无线电能传输技术在中距离范围内具有较高的传输效... 详细信息

无线电能传输技术具有安全稳定、便于安装、使用范围广等优点,近年来成为热门的研究方向。采用无线充电技术为电动汽车、机器人、无人机等设备供电已经成为当下的热门趋势。磁耦合谐振式无线电能传输技术在中距离范围内具有较高的传输效率,可实现大功率电能传输等优点,成为无线电能传输领域的热门方向。而多负载无线电能传输技术能够同时为多个负载供电,具有灵活性高,适用性广,节省占地面积,易实现设备轻量化等优点,成为新的研究热点。本文设计了一种双频磁耦合谐振式无线电能传输系统,设计了一种重叠式双圆形线圈结构,实现为两个负载同时供电的功能。将85kHz作为主系统谐振频率,实现能量传输功能;辅助系统谐振频率采用30kHz,可作为辅助电源或信号传输系统。本文对双圆形线圈结构的磁路模型进行了分析,推导出线圈磁耦合系数与磁阻的关系,该理论基础为线圈的布局和参数设计提供依据。对磁耦合谐振式无线电能传输系统的基础理论进行了分析,并以此为基础对双频磁耦合谐振式无线电能传输系统的电路模型和数学模型进行了建立和推导。重叠式双圆形线圈各个线圈之间均存在耦合,互相形成干扰,本文分析了电感、谐振频率对系统的影响,并通过在系统支路中增加滤波电感或合理选择谐振频率消除干扰的方法。采用ANSYS Maxwell三维仿真软件分析了线圈参数变化对磁耦合系数的影响,并以此为依据选择了合适的线圈的参数。采用Simulink软件对双频磁耦合谐振式无线电能传输系统进行电路仿真,分析了系统各个支路电流谐波含量随电感和谐振频率变化的关系,通过合理增大滤波电感和增大两个谐振频率的差值可以有效抑制线圈之间因交叉耦合产生的干扰。为了简化系统,实现轻量化,本文采用多频脉冲宽度调制技术,使单个逆变器输出多个不同频率的高频交流电压。分析了多频脉冲宽度调制技术理论,探讨了获取特定频率和幅值的谐波的方法,通过Simulink电路仿真软件实现单个逆变器同时输出30kHz和90kHz两种频率的电压,并将多频脉冲宽度调制技术应用于双频磁耦合谐振式无线电能传输系统,使单个全桥逆变器驱动双频线圈,实现了双负载供电,且系统线圈电流的谐波含量符合要求。为了对理论分析和仿真的正确性进行进一步验证,本文搭建了双频磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验平台。简要介绍了实验平台各个模块的作用和搭建过程。分别对85kHz和30kHz系统进行单独充电实验,得到两组系统发射端电流、接收端电流、输出功率、效率的频率特性曲线。最后进行双频系统的同时运行,实验结果表明两组系统的相互干扰已被消除,与单独运行时差别较小。实验验证了理论分析和仿真验证的正确性和可行性。

关键词：无线充电磁耦合谐振线圈设计双频双电源多负载供电

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