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单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

中国机械工程 2021年第19期32卷 2288-2293,2304页

作者：张忠华柴君凌阚君武林仕杰王淑云黄乐帅浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试。试验结果表... 详细信息

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试。试验结果表明,俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱,且存在较佳的磁铁水平耦合距离(d=11 mm),使双势阱的阱深适中、俘能器的固有频率减小、有效频带变宽;竖直耦合距离h增大对有效频带的影响较小,h≤2 mm时,相较于无磁耦合(NMC)降低了固有频率;仅改变耦合角α时,存在最佳参数组合(d=14 mm、h=6 mm、α=67.5°)使俘能器获得较低的固有频率(16 Hz)和较宽的有效带宽(19.6 Hz),较无磁耦合时的有效带宽拓宽了6 Hz,进而提高了俘能器的发电性能。

关键词：磁耦合振动俘能器可靠性磁调频有效频带

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面向无线供电的共口径可调磁通信耦合结构

电子元件与材料 2023年第11期42卷 1384-1390页

作者：邓红梅向乾尹马红波杜娟魏清新谢孟西南交通大学信息科学与技术学院四川成都611756 北京机电工程研究所北京100074

面向磁耦合无线电力传输及其载波通信同时传输场景,设计了适应耦合间距变化和通信频带重构需求的新型可调磁通信耦合结构。采用DD型通信线圈天线和圆形传能线圈天线共口径放置方式实现通信与传能通道的隔离,其中通信线圈直径为10 cm,传... 详细信息

面向磁耦合无线电力传输及其载波通信同时传输场景,设计了适应耦合间距变化和通信频带重构需求的新型可调磁通信耦合结构。采用DD型通信线圈天线和圆形传能线圈天线共口径放置方式实现通信与传能通道的隔离,其中通信线圈直径为10 cm,传能线圈直径为20 cm,耦合间距为30~40 mm。进一步通过LC带阻滤波器,增强对传能泄漏信号的抑制,提升传能效率,降低传能对通信的干扰。基于谐振网络理论,设计了具有可调谐通带和可调阻抗匹配的滤波天线一体化磁通信耦合结构,通过变容二极管实现对该磁通信耦合结构的动态调控。在无线供电场景下的测量表明,当耦合间距变化时,阻抗匹配可调控,回波损耗优于20 dB。中心频率可在33~45 MHz调谐,-3 dB带宽为2.5~3 MHz,磁耦合通道插入损耗小于6 dB。

关键词：磁耦合频率可调谐可调阻抗匹配解耦滤波天线

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磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展

中国电机工程学报 2013年第3期33卷 1-13页

作者：赵争鸣张艺明陈凯楠电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京市海淀区100084

近些年,无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。作为一种中等距离无线电能传输技术,自从美国麻省理工学院于2007年发表其研究成果后,磁耦合谐振式无线电能传输技术就成为了研究热点问题。该文在对无线电能传输技术进行总体介绍的基础... 详细信息

近些年,无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。作为一种中等距离无线电能传输技术,自从美国麻省理工学院于2007年发表其研究成果后,磁耦合谐振式无线电能传输技术就成为了研究热点问题。该文在对无线电能传输技术进行总体介绍的基础上,主要对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行概括论述。首先分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本结构和工作原理,介绍了目前运用于分析该技术的主要理论;接着对该技术目前的传输水平和热点问题进行了分类阐释,主要分为传输特性、新材料的应用、干扰问题和实际应用,介绍了目前的研究现状;最后在当前研究热点问题的基础之上,对该技术有待研究的问题以及发展趋势进行了展望。

关键词：无线电能传输无接触电能传输磁耦合谐振中等距离

多方向磁耦合式压电振动发电机的设计与试验研究

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多方向磁耦合式压电振动发电机的设计与试验研究

作者：柴君凌浙江师范大学

学位级别：硕士

为满足微功率电子产品的自供电需求,解决现有压电振动发电机方向敏感性差、可靠性低、起振频率高及有效频带窄等问题,提出了一种多方向磁耦合式压电振动发电机,为证明该发电机的可行性,主要从理论建模仿真与试验测试两方面进行了研究,... 详细信息

为满足微功率电子产品的自供电需求,解决现有压电振动发电机方向敏感性差、可靠性低、起振频率高及有效频带窄等问题,提出了一种多方向磁耦合式压电振动发电机,为证明该发电机的可行性,主要从理论建模仿真与试验测试两方面进行了研究,结果表明该发电机不仅满足了多方向的振动能量采集需求,同时具有低频、宽频发电特性以及一定的可靠性。具体研究内容如下:(1)阐述了多方向磁耦合式压电振动发电机的结构与工作原理。采用COMSOL对发电机部件进行了有限元分析,获得了摆簧长度/半径、簧片长度/厚度对系统固有频率的影响规律,簧片厚度、夹持比和边界载荷对其静力学特性的影响规律及耦合参数对磁力的影响规律。(2)建立了发电机系统的动力学模型以获得影响动力学特性的相关结构参数。基于理论模型,采用MATLAB对发电机进行了动力学特性分析,获得了不同激励方向、摆簧长度、簧片长度、多向激励摆末端质量及组合换能器末端质量对系统响应特性的影响规律。(3)为验证理论与仿真结果,设计制作了试验样机并搭建了测试平台,进行了试验测试,获得了激励振幅、激励方向、耦合部件的纵向和径向距离、组合换能器末端质量、多向激励摆摆簧长度对发电机输出电压的影响规律及负载电阻对输出功率的影响规律,最后测试发电机驱动LED的能力。试验结果表明:多向激励摆的耦合有效的提高了发电机的多方向性、宽频特性、低频特性及可靠性;改变耦合距离可有效调节耦合磁力大小及磁力作用范围,起到助振与限幅的作用。改变摆簧长度、组合换能器末端质量可有效调节发电机工作频带。发电机最佳的输出功率达到了4.803m W,对应的负载电阻为350kΩ,14Hz下最高能够点亮100盏并联的LED。

关键词：压电振动发电机多方向磁耦合宽频带

基于电磁超材料的磁耦合无线电能传输前端结构设计

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基于电磁超材料的磁耦合无线电能传输前端结构设计

作者：秦聿大连海事大学

学位级别：硕士

无线电能传输(Wireless power transfer,WPT)是一种接收设备与功率源设备之间无需进行物理接触的实时输电技术。由于其表现出广泛的适用性、安全性及便捷性,以磁耦合WPT为代表的无线输电技术在过去的十几年间蓬勃发展。然而目前其仍存... 详细信息

无线电能传输(Wireless power transfer,WPT)是一种接收设备与功率源设备之间无需进行物理接触的实时输电技术。由于其表现出广泛的适用性、安全性及便捷性,以磁耦合WPT为代表的无线输电技术在过去的十几年间蓬勃发展。然而目前其仍存在着工艺复杂、制备成本高、传输效率低下的问题,阻碍了无线电能传输技术的实用化进程发展。现有的磁耦合WPT技术仍存在远程化、非同轴、共面化、分频化、可控化的需求,本文针对目前磁耦合WPT技术所存在问题,对磁耦合WPT前端耦合及传输结构展开相关研究及设计工作,具体内容包括:首先,针对磁耦合WPT的传输效率低下问题,讨论了经典的四线圈型WPT系统物理模型,推导了耦合线圈响应模型,分析了磁耦合WPT系统参数特征及影响因素。发展了用于源线圈/负载线圈耦合增强的电磁(Electromagnetic,EM)超材料(Metamaterials,MTM)布置及设计方法,讨论了典型MTM耦合线圈构型及传输特性。其次,在基于典型MTM四线圈型WPT系统基础上,打破MTM的周期性限制,提出了用于磁耦合WPT的具有最大能量传输效率(Power transfer efficiency,PTE)的MTM微结构拓扑优化方法。将MTM微结构金属贴片区域作为设计域,对其离散化处理,以源线圈与负载线圈间PTE最大为设计目标、以贴片用量为约束,对网格中导体贴片进行排布设计。针对特定源线圈与负载线圈的位置关系及所需WPT工作频率,设计了基于MTM的高效率磁耦合WPT系统。研究了WPT系统的增强传输机制,讨论了典型偏差下WPT系统传输特性,仿真及实验验证了所设计结构的可行性及高效性。第三,在源线圈/负载线圈同轴空间位置基础上,发展了用于非共轴收发线圈WPT系统的高效超材料结构拓扑优化方法。构建了包含非同轴收发线圈的WPT系统实现方法及MTM伪周期阵列设计模型,设计了两种特定收发线圈空间方位下MTM拓扑构型及相应高PTE磁耦合WPT系统。研究了非规则传输路径下WPT系统的电磁能量传输机制,仿真及实验验证了所提方法的有效性。最后,提出用于复杂传输路径的WPT系统实现方法,建立了用以实现非规则路径两端强耦合的MTM伪周期阵列拓扑优化模型,以L型路径和N型路径下WPT系统设计为例,对相应MTM构型进行了设计,实现了该复杂路径下最大PTE能量传输。为实现在更为复杂的传输路径中完成WPT,将已设计该路径对应拓扑构型拼接,通过引入中继线圈,实现远距离无线电能传输,讨论了该形式下WPT系统的电磁能量传输机制。

关键词：无线电能传输磁耦合电磁超材料拓扑优化

带E类功放的磁耦合谐振无线输电系统源线圈优化

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电工技术学报 2017年第10期32卷 162-167页

作者：闫卓王天风张晓晨河北大学电子信息工程学院保定071002 北京理工大学自动化学院北京100081 河北大学工商学院保定071002

首先为磁耦合谐振式无线输电系统设计了一款E类功放作为系统输入端电源。鉴于E类功放性能易受负载参数影响,通过优化无线输电系统源线圈结构来降低因E类功放特性造成的系统性能下降。提出了三类源线圈结构,在多负载情况下分别测试负载... 详细信息

首先为磁耦合谐振式无线输电系统设计了一款E类功放作为系统输入端电源。鉴于E类功放性能易受负载参数影响,通过优化无线输电系统源线圈结构来降低因E类功放特性造成的系统性能下降。提出了三类源线圈结构,在多负载情况下分别测试负载两端电压变化情况,对比研究各结构下负载间耦合情况对负载电压的影响和各结构下系统的传输效率。研究发现多源线圈单谐振结构能通过利用负载间的耦合来降低由磁场分布引起的负载电压变化。而在E类功放下,串联型分立的多源线圈多谐振结构易造成系统性能下降,负载间耦合对负载影响也十分明显。

关键词：磁耦合无线输电 E类功放源线圈优化

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一种磁耦合激励的圆极化滤波天线

电讯技术 2023年第8期63卷 1249-1253页

作者：汤晓云王震丁卓富肖利空军装备部驻洛阳地区第一军事代表室河南洛阳471009 陆军装备部驻成都地区航空军事代表室成都610036 成都雷电微力科技股份有限公司成都610213

提出了一种磁耦合激励的圆极化滤波天线。该天线采用磁耦合技术,实现了TEM模到TE10模的小型化转换,再经过矩形到圆波导的过渡,结合圆极化片的调节,获得向自由空间高效率转换的圆极化电磁波。在介质矩形波导中,引入了4个尺寸不同的耦合探... 详细信息

提出了一种磁耦合激励的圆极化滤波天线。该天线采用磁耦合技术,实现了TEM模到TE10模的小型化转换,再经过矩形到圆波导的过渡,结合圆极化片的调节,获得向自由空间高效率转换的圆极化电磁波。在介质矩形波导中,引入了4个尺寸不同的耦合探针,通过对这些探针尺寸的调节,可以产生谐振和非谐振模式,获得期望的谐振频率、传输零点、滤波极点和谐振器间的耦合系数等,最终实现良好带外抑制的低频滤波天线性能。实测结果充分验证了设计的合理性。该设计思路对其他多级滤波天线也同样具有借鉴意义。

关键词：圆极化天线滤波天线磁耦合介质波导带外抑制

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磁耦合无线充电系统失谐研究

佳木斯大学学报（自然科学版） 2022年第4期40卷 24-26,34页

作者：蒋敬波高俊岭安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232000

磁耦合无线充电技术主要是应用了磁耦合谐振技术,磁耦合谐振技术的基本原理是使发射线圈和接收线圈的频率相同,与系统的工作频率一致。在发射回路和接收回路发生失谐的情况下,进行能量传输,从而实现效率的最大利用化。但在实际系统中,... 详细信息

磁耦合无线充电技术主要是应用了磁耦合谐振技术,磁耦合谐振技术的基本原理是使发射线圈和接收线圈的频率相同,与系统的工作频率一致。在发射回路和接收回路发生失谐的情况下,进行能量传输,从而实现效率的最大利用化。但在实际系统中,发射线圈和接收线圈会受到电容和电感偏差的影响,使线圈谐振频率偏离系统的工作频率。从而造成系统的传输效率下降。本文主要研究互感耦合电路,并建立互感磁耦合无线充电模型,对影响系统频率的关键因素进行分析,并给出传输效率和传输功率的计算模型。通过MATLAB建立一个磁耦合无线充电仿真模型,对理论分析进行了仿真,并通过实验验证。

关键词：磁耦合谐振频率失谐效率

磁耦合机构拾取线圈平面金属的影响及其抑制方法研究

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磁耦合机构拾取线圈平面金属的影响及其抑制方法研究

作者：刘家鸣重庆大学

学位级别：硕士

随着磁场耦合无线电能传输(Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)技术在电动汽车、医疗器械、水下设备等新领域的不断拓展,MC-WPT技术在一些特殊金属环境下的应用问题亟需解决。航天器与潜水器等多采用金属外壳,MC-... 详细信息

随着磁场耦合无线电能传输(Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)技术在电动汽车、医疗器械、水下设备等新领域的不断拓展,MC-WPT技术在一些特殊金属环境下的应用问题亟需解决。航天器与潜水器等多采用金属外壳,MC-WPT系统耦合机构在壳体上镶嵌安装。考虑到金属壳体对结构强度的要求,壳体的开窗面积需要尽可能小,这使得耦合机构与壳体之间存在较强的耦合。而金属在磁场内会产生涡流效应,不仅在金属上形成涡流热损,还会影响传输性能,甚至导致系统失谐。目前关于金属对MC-WPT系统的影响已有较多研究,但大多是针对线圈之间出现的金属异物、线圈底部金属板或是耦合机构位于金属桶内的影响分析,尚未发现针对与线圈同一平面的金属对耦合机构参数与MC-WPT系统影响的研究。本文主要围绕与拾取线圈位于同一平面金属的影响及其抑制方法进行研究。文中在Comsol与Matlab软件平台建立了仿真模型,研究了与拾取线圈同一平面的不同材料、形状、位置、大小以及传输距离的金属对耦合机构线圈参数及系统传输性能的影响规律;基于上述规律,提出了一种能够抑制拾取线圈平面金属影响的带抑制线圈的耦合机构,通过对其磁场、电路和抑制线圈绕制方法分析,以拾取线圈平面金属对系统传输性能的影响最小为目标,给出了带抑制线圈耦合机构的参数设计方法;为了在确保输出功率不降的情况下,提高系统在不同材料的金属环境下的传输性能,选用带约束的多目标遗传算法NSGA-II对MC-WPT系统参数进行优化,给出了系统参数优化结果,进一步抑制拾取线圈平面金属对使用带抑制线圈的MC-WPT传输性能的影响。最后设计电路并搭建实验装置,实验验证了与拾取线圈同平面金属的对耦合机构参数与系统的影响规律,然后实验对比在铁合金与铝合金影响下,有抑制与无抑制的耦合机构参数与系统传输性能,实验结果显示无抑制线圈的系统在金属出现后效率降低约20%,而带抑制线圈的系统传输效率仅降低约3%,证明了带抑制线圈的耦合机构对金属的影响具有明显的抑制效果。同时,按参数优化结果重新搭建谐振网络,实验验证了基于NSGA-II的系统参数优化方法对传输性能的改进,优化后的系统参数在铝合金与铁合金环境下,效率分别比优化前提高了3%与4%且输出功率在不同金属环境下较优化前更稳定。

关键词：无线电能传输系统磁耦合金属影响耦合机构