无线能量传输系统中谐振补偿网络的研究

论文摘要

目前,电能量的传输方式主要以接触式为主,但是对于一些比较特殊的用电设备,传统的供电方式已经不能满足其生产和生活的需要。无线能量传输具有便于携带,供电和用电设备可移动,可以无电气连接直接向移动装置供电,不受污垢、灰尘、水、化学物质的影响,可在恶劣、无碳积和有害辐射的环境下正常工作,操作安全,没有滑动接触供电中的电气接触及外露电线连接等优点,因而无线能量传输已成为电气电子领域的新的研究热点。谐振补偿网络是无线能量传输系统中至关重要的环节,本文对无线能量传输系统中的谐振补偿网络进行了系统地研究。将谐振补偿网络分成电路和电磁两部分深入研究。本文对现有谐振电路性能及工作特点进行了系统分析和比较,在对比了MOSFET和IGBT各自特点的基础上,给出了将LLC谐振补偿电路应用于无线电能传输系统的方案。通过对LLC谐振电路进行深入分析,推导建立了LLC谐振网络等效电路和数学模型,在MATLAB环境下进行了仿真实验,确定了谐振网络电路的稳态工作区域,计算出谐振网络中元件参数。实验结果表明,本文给出的谐振补偿方案能较好地实现谐振补偿功能。为了满足在特殊环境对无线能量传输的需求,突破现有磁耦合线圈结构的束缚,本文设计出三种新型磁耦合线圈结构,这三种新型磁耦合线圈结构适用于特殊应用要求的场合。同时对包括这三种新型磁耦合线圈在内的六种磁耦合线圈进行了建模,给出了线圈模型参数与材料属性。在有限元分析软件ANSYS环境下,以耦合系数为技术指标,对六种磁耦合线圈进行了仿真实验,对其中耦合系数较高的线圈分别进行了空心与加入铁芯后有限元仿真对比实验,得到了磁耦合线圈结构与耦合系数的相关结论。实验结果表明,本文所设计的三种新型结构的磁耦合线圈,具有较理想的磁耦合性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线能量传输系统研究的背景
• 1.2 国外无线能量传输技术发展现状
• 1.3 国内无线能量传输技术发展现状
• 1.4 谐振补偿网络研究背景与意义
• 1.4.1 谐振补偿网络研究背景
• 1.4.2 谐振补偿网络研究意义
• 1.5 本文研究的主要内容及所做的工作
• 第2章 无线能量传输系统中谐振网络补偿拓扑结构的研究
• 2.1 无线能量传输工作原理
• 2.2 谐振技术和软开关技术
• 2.2.1 谐振技术
• 2.2.2 软开关技术
• 2.3 MOSFET和IGBT的性能比较
• 2.4 几种谐振电路的比较
• 2.4.1 LC串联谐振网络电路
• 2.4.2 LC并联谐振网络电路
• 2.4.3 LCC串并联谐振网络电路
• 2.4.4 几种谐振网络电路的比较
• 2.5 LLC串联谐振网络电路
• 2.6 本章小结
• 第3章 LLC谐振补偿电路
• 3.1 LLC谐振补偿电路的等效电路及数学模型的建立
• 3.2 LLC串联谐振电路的稳态工作区域的确定
• 3.3 LLC谐振补偿电路稳态工作原理及元件参数计算
• 3.3.1 稳态工作原理
• 3.3.2 元件参数计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 谐振网络中磁耦合线圈结构设计
• 4.1 有限元分析应用与所需参数的设定
• 4.2 磁感应强度与耦合系数的计算
• 4.2.1 磁耦合线圈的原理
• 4.2.2 电磁场数值计算基础
• 4.2.3 磁感应强度与耦合系数的求取
• 4.3 新型磁耦合线圈结构设计及有限元建模
• 4.3.1 新型柱形磁耦合线圈的设计与建模
• 4.3.2 锥形磁耦合线圈的设计与建模
• 4.3.3 新型柱锥形磁耦合线圈的设计与建模
• 4.3.4 新型锥柱形磁耦合线圈的设计与建模
• 4.3.5 空心锥形磁耦合线圈的设计与建模
• 4.3.6 带铁芯的锥形磁耦合线圈的设计与建模
• 4.4 本章小结
• 第5章 磁耦合线圈结构的有限元仿真分析
• 5.1 不同磁耦合线圈结构的有限元仿真分析
• 5.1.1 新型柱形线圈的磁耦合分析
• 5.1.2 锥形线圈的磁耦合分析
• 5.1.3 新型柱锥形线圈的磁耦合分析
• 5.1.4 新型锥柱形线圈磁耦合分析
• 5.1.5 空心锥形线圈磁耦合分析
• 5.1.6 带铁芯的锥形线圈磁耦合分析
• 5.2 相关结论
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士学位期间发表的论文、申请专利及获奖