【摘要】：無線電能傳輸(wireless power transfer,WPT)技術(shù)發(fā)展至今,應(yīng)用范圍廣泛。如手機(jī)無線充電、電動牙刷無線充電、心臟起搏器無線充電、電動汽車無線充電等。WPT技術(shù)的廣泛應(yīng)用與它的安全性、便捷性密不可分,但其能量傳輸效率與傳統(tǒng)的有線充電相比是一個劣勢。耦合線圈作為WPT系統(tǒng)的的核心組成部分,很大程度上決定了系統(tǒng)的能量傳輸效率。所以,耦合線圈的設(shè)計是WPT系統(tǒng)設(shè)計中的重要工作。本文以常見的series-series型補(bǔ)償拓?fù)錇槔?根據(jù)負(fù)載電阻及工作頻率的設(shè)計約束類型,將WPT系統(tǒng)的設(shè)計約束分成了四類,分別是:1)負(fù)載電阻與工作頻率均提前給定;2)負(fù)載電阻可自由匹配,但工作頻率提前給定,如6.78MHz、85kHz等等;3)負(fù)載電阻提前給定,但工作頻率可在一定范圍內(nèi)選擇;4)負(fù)載電阻可自由匹配,且工作頻率可在一定范圍內(nèi)選擇。本文分析了四種設(shè)計約束下線圈間能量傳輸效率與設(shè)計參數(shù)之間(線圈的匝數(shù)、匝間距、外匝半徑等效負(fù)載和工作頻率)的關(guān)系,對于負(fù)載或頻率可自由選擇的情形,推導(dǎo)出了最佳負(fù)載和最佳頻率與線圈參數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,降低了設(shè)計參數(shù)的搜索維度。在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確定后,本文采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)進(jìn)行設(shè)計參數(shù)尋優(yōu),并將尋優(yōu)算法編寫成MATLAB程序,形成了一個自動化設(shè)計程序,只需要設(shè)計者輸入設(shè)計要求及約束,就能輸出最佳的設(shè)計參數(shù)組合,使得線圈間能量傳輸效率在所有約束下達(dá)到最高。本文的一個主要創(chuàng)新點(diǎn)是改進(jìn)了耦合利茲線圈的交流電阻的解析計算方法,其中包括了傳導(dǎo)電阻隨頻率變化的近似估計以及鄰近效應(yīng)電阻的改進(jìn)計算。與經(jīng)驗(yàn)公式相比,改進(jìn)的解析計算方法更加準(zhǔn)確;與有限元仿真(FEM)方法相比,解析計算耗時更短,且計算公式可以作為MATLAB程序的一部分,而FEM軟件需要人工參與建模,不能實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)計過程。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,改進(jìn)的交流電阻計算方法可以準(zhǔn)確計算密繞或者疏繞的線圈在很大頻率范圍內(nèi)的交流電阻。最后,給出了第三類約束下的三組設(shè)計實(shí)例,并利用本文提出的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,線圈間的能量傳輸效率的理論值與測量值之差在1.3%以內(nèi),驗(yàn)證了設(shè)計方法的準(zhǔn)確性。此外作為對比,還利用一種傳統(tǒng)設(shè)計方法對設(shè)計實(shí)例進(jìn)行了求解,結(jié)果表明本文提出的設(shè)計方法比傳統(tǒng)設(shè)計方法得到的系統(tǒng)傳輸效率高1.0%到2.0%,證明了基于PSO的設(shè)計方法的優(yōu)越性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM724
【圖文】：

這上述情況下還要追求更高的傳輸效率，使得耦合線圈的十分有意義的工作。研究現(xiàn)狀線圈本身考慮，線圈間的能量傳輸效率和線圈的品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)的乘積（kQ）成正相關(guān)[3]。特別的，當(dāng)接收端的值時，線圈間能量傳輸效率可以表示成只含 kQ 的表達(dá)式高，所以有很多研究是通過提升 Q 或 kQ 來提升效率的式是0Q =ω L /R，其中 ω 為流過線圈的電流角頻率， L 為圈在頻率ω 下的內(nèi)阻。所以降低線圈導(dǎo)線內(nèi)阻是一種有效種常規(guī) REBCO 導(dǎo)線合成了一種復(fù)合導(dǎo)線，有效地降低了圈的品質(zhì)因數(shù)提高至原來的 2 倍；還有采用非均勻線徑圖 1-1所示，該方法主要應(yīng)用于純銅線繞制的線圈，通過 和匝間距 g，調(diào)整線圈的自感和內(nèi)阻，從而調(diào)整線圈的品圈可以使線圈的品質(zhì)因數(shù)提高至傳統(tǒng)等線徑線圈的 1.2 倍

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文微鏡下的結(jié)構(gòu)圖像，可以發(fā)現(xiàn)有很多空穴間隙存在，這些間隙會降低性；圖 b)為 350℃退火處理后的顯微圖像，可以發(fā)現(xiàn)缺陷幾乎消失，銅線的導(dǎo)電能力，減小電阻，提高品質(zhì)因數(shù)。圖 1-3為實(shí)驗(yàn)線圈在退以及 250℃和 350℃退火處理后的高頻內(nèi)阻曲線，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過退火圈在很大的頻率范圍內(nèi)電阻保持穩(wěn)定，且低于退火處理前的線圈內(nèi)阻法都可以有效地提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，但一方面對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備要求高度大，一方面不適用于無線電能傳輸中應(yīng)用廣泛的利茲線圈。

50℃和 350℃退火處理后的高頻內(nèi)阻曲線，可以發(fā)現(xiàn)大的頻率范圍內(nèi)電阻保持穩(wěn)定，且低于退火處理前的以有效地提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，但一方面對實(shí)驗(yàn)室設(shè)一方面不適用于無線電能傳輸中應(yīng)用廣泛的利茲線圈。圖 1-2 銅薄膜在顯微鏡下的結(jié)構(gòu)(a) 退火處理前，(b) 300℃退火處理后[6]

【相似文獻(xiàn)】

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10 衛(wèi)敬宜;胡釙;任R妓

本文編號：2768029