【摘要】：無(wú)線能量傳輸技術(shù)具有靈活方便、電氣隔離、免維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),有望應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)汽車、植入式醫(yī)療、消費(fèi)電子、智能家居等領(lǐng)域,已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。但是,無(wú)線能量傳輸技術(shù)仍存在補(bǔ)償元件多、抗偏移性能差、能量傳輸效率低、系統(tǒng)成本高等問(wèn)題,阻礙了無(wú)線能量傳輸技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。補(bǔ)償拓?fù)浞N類很多,但缺乏普適的設(shè)計(jì)規(guī)則。本文通過(guò)分析四種基本諧振網(wǎng)絡(luò)的壓流變換及阻抗變換特性,總結(jié)出補(bǔ)償拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)規(guī)則,據(jù)此提出用于電流型負(fù)載的LC/S補(bǔ)償拓?fù)?其輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)。本文研究了原副邊耦合電感對(duì)各元件歸一化應(yīng)力的影響規(guī)律,提出基于應(yīng)力均衡原則的耦合電感設(shè)計(jì)方法,保證LC/S補(bǔ)償系統(tǒng)中各元件應(yīng)力均在合理范圍。根據(jù)前述研究總結(jié)的補(bǔ)償拓?fù)湓O(shè)計(jì)規(guī)則,提出用于電壓型負(fù)載的S/CLC補(bǔ)償拓?fù)?其輸出電壓與負(fù)載無(wú)關(guān)。本文所提兩種補(bǔ)償拓?fù)涠季哂醒a(bǔ)償元件少、器件應(yīng)力低、阻抗角接近零的特性,降低了系統(tǒng)成本,提升了能量傳輸效率。通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了理論分析的正確性。無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)多為變耦合系統(tǒng),已有的補(bǔ)償參數(shù)設(shè)計(jì)方法不再適用。為減小輸出電壓隨耦合的波動(dòng),本文提出基于粒子群優(yōu)化算法的變耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償參數(shù)設(shè)計(jì)方法,將無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成包含輸出電壓方差、補(bǔ)償及耦合電感電流、硬開(kāi)關(guān)懲罰函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。首先根據(jù)傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法求出平均耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù),然后選取合適的縮放系數(shù)得到優(yōu)化問(wèn)題的解空間,最后采用線性等分法求出粒子速度最值。在保證能量傳輸效率及全工作范圍軟開(kāi)關(guān)的前提下,所提方法使系統(tǒng)的輸出電壓波動(dòng)最小。根據(jù)傳統(tǒng)的和所提參數(shù)設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)了無(wú)線能量傳輸樣機(jī),通過(guò)對(duì)比分析驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方法的有效性。補(bǔ)償參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提升系統(tǒng)的抗偏移性能,但是提升有限。為進(jìn)一步改善無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的抗偏移性能,本文提出基于集中磁場(chǎng)的非對(duì)稱磁耦合機(jī)構(gòu),其磁通集中分布于中心區(qū)域,抗偏移性能優(yōu)異。由于能量傳輸效率的下降速度遠(yuǎn)低于耦合系數(shù)的下降速度,因此基于所提機(jī)構(gòu)的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)效率較高。在給定尺寸約束下,為獲得最優(yōu)抗偏移性能,同時(shí)保證耦合系數(shù)不低于預(yù)設(shè)值,本文通過(guò)有限元仿真分析了非對(duì)稱磁耦合機(jī)構(gòu)原邊繞組高度、原邊繞組寬度、原邊磁芯寬度、副邊繞組高度、副邊磁芯高度等參數(shù)對(duì)耦合系數(shù)和耦合保持系數(shù)的影響,提出優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計(jì)方法,保證系統(tǒng)具有較高的耦合系數(shù)和優(yōu)異的抗偏移性能。為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、用戶識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的原副邊需交換信息。為解決已有的能量和數(shù)據(jù)非接觸同步傳輸(Wireless power and data transfer,WPDT)方案存在的通信速率低、交叉干擾強(qiáng)、可靠性差等問(wèn)題,本文分析并闡明了上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因,提出基于幅移鍵控和電容耦合的方案。由于數(shù)據(jù)加載及提取電路與主電路并聯(lián),數(shù)據(jù)傳輸對(duì)功率傳輸影響小,能量傳輸效率高。本文分析了多種對(duì)稱補(bǔ)償拓?fù)涞臑V波特性,得出雙邊LCC綜合性能最優(yōu)的結(jié)論,故將之確定為主電路的補(bǔ)償拓?fù)�。通過(guò)引入阻波電感改變載波信號(hào)通路阻抗,提高了信號(hào)傳輸增益,降低了數(shù)據(jù)解調(diào)難度。本文搭建了輸出功率約100 W的WPDT樣機(jī),能量傳輸效率為90.5%,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)119 kbps。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM724
【圖文】：

出了耦合效果更好的平面方形磁耦合機(jī)構(gòu)[57-59]，如圖 1-7(b)所示。a) 平面圓形a) Planar circular structureb) 平面方形b) Planar square structure圖 1-7 平面圓形及平面方形磁耦合機(jī)構(gòu)Fig. 1-7 Planar circular and square magnetic coupling structures根據(jù)文獻(xiàn)[60]中的磁管（flux pipe）理論可知，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，平面方形磁耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)較低。為此，文獻(xiàn)[61]提出了 DD 型磁耦合結(jié)構(gòu)，如圖 1-8(a)所示。DD 型磁耦合結(jié)構(gòu)需要 4 個(gè) D 形繞組，其中原邊兩個(gè)，副邊兩個(gè)，原邊（副邊）兩個(gè) D 形線圈串聯(lián)連接，且電流方向相反。和平面圓形或方形磁耦合機(jī)構(gòu)相比，DD 型磁耦合機(jī)構(gòu)的耦合效果更好。

構(gòu)的抗偏移性能，但是總體而言，基于該思路的磁耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移性能未有明顯改善。針對(duì)該問(wèn)題，西南交通大學(xué)的麥瑞坤教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[67]中提出了一種突破性的方法，通過(guò)在發(fā)射側(cè)引入第三個(gè)線圈，大幅提升了磁耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移性能。該團(tuán)隊(duì)提出的磁耦合機(jī)構(gòu)如圖 1-10 所示，除了通常的發(fā)射線圈和接收線圈外，還引入了第三個(gè)線圈。發(fā)射線圈和第三個(gè)線圈反串聯(lián)，因此原邊耦合機(jī)構(gòu)（原邊磁芯+發(fā)射線圈+第三個(gè)線圈）和副邊耦合機(jī)構(gòu)（副邊磁芯+接收線圈）間的互感等于(MPS MTS)，其中 MPS和 MTS分別表示接收線圈和發(fā)射線圈以及第三個(gè)線圈間的互感。當(dāng)副邊耦合機(jī)構(gòu)相對(duì)原邊耦合機(jī)構(gòu)發(fā)生水平偏移時(shí)，盡管 MPS和 MTS均明顯減小，但是通過(guò)優(yōu)化線圈尺寸參數(shù)，能夠使(MPS MTS)幾乎保持不變，磁耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移性能顯著改善。在植入式醫(yī)療等應(yīng)用中，副邊耦合機(jī)構(gòu)存在 6 個(gè)自由度的偏移，傳統(tǒng)的磁耦合機(jī)構(gòu)不適用于此類應(yīng)用。為解決該問(wèn)題，重慶大學(xué)的戴欣等人提出了多自由度四面體型拾取機(jī)構(gòu)[68]，如圖 1-11 所示。當(dāng)原邊為平面圓形空芯線圈、副邊為四面體型拾取機(jī)構(gòu)時(shí)，磁耦合機(jī)構(gòu)的互感隨角度偏移變化較小，證明了四面體型拾取機(jī)構(gòu)優(yōu)異的抗角度偏移性能。四面體型拾取機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是占用

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 黃學(xué)良;曹偉杰;周亞龍;王維;譚林林;;磁耦合諧振系統(tǒng)中的兩種模型對(duì)比探究[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2013年S2期

2 戴欣;杜人杰;唐春森;王智慧;孫躍;;基于2FSK的ICPT系統(tǒng)高速信號(hào)傳輸方法[J];西南交通大學(xué)學(xué)報(bào);2013年05期

3 趙爭(zhēng)鳴;張藝明;陳凱楠;;磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2013年03期

4 傅文珍;張波;丘東元;王偉;;自諧振線圈耦合式電能無(wú)線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2009年18期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張寧;基于耦合線圈復(fù)用的ICPT系統(tǒng)能量信號(hào)分時(shí)傳輸技術(shù)[D];重慶大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2721621