水下磁耦合谐振式无线能量高效传输技术研究

论文摘要

一直以来,为水下设备提供简便、安全且高效的能源供给,都是水下工程中被广泛关注的问题。传统的有线充电方式存在着对接过程繁琐、安全性差以及造价贵等问题,用无线能量传输技术代替有线能量传输可以有效弥补上述不足。其中,磁耦合谐振式无线能量传输（Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transfer,MRC-WPT）技术因其较高的工作效率,适中的传输距离,成为最适合水下工作环境的能量传输方式。与此同时,水下MRC-WPT技术也存在着因涡流损耗造成的传输水平过低、因海水扰动造成的稳定性差、以及在应用中易存在电磁干扰等问题。因此本课题以分析磁耦合谐振的等效电路和线圈的磁场分布为基础,通过研究水下MRC-WPT技术的传输性能,针对该技术存在的问题和挑战提出新型的传输方案。针对水下环境对无线能量传输定位的要求,提出两种无线能量传输方案。由于并联耦合谐振电路在水下的传输特性优于串联形式,本文选择并联谐振电路为研究等效电路模型,并由此对空芯线圈的无线能量传输方式进行设计,基于此,分别从优化二维发射线圈定位方式和改变三维发射线圈结构弱化其定位过程的两种角度,提出两种无线能量传输方案。根据两种设计方案,分别对其进行仿真与应用结构设计,结果证明所设计方案减小了位置偏移对传输性能造成的影响,提高了能量传输水平。针对传统水下MRC-WPT技术在应用中易与其他设备产生干扰的问题,提出了四相磁芯线圈无线能量传输方案。通过研究发射线圈的磁场分布,在发射线圈内加入磁芯以及气隙,研究其近场磁场的分布情况,从理论上得出磁芯以及气隙对线圈近场磁场的影响,由此提出一种四相磁芯线圈无线能量传输的方案。根据对所提结构的磁场分布特性及水下应用场景的分析,提出两种普适性较高的应用模型,仿真结果表明,本文所提出的方法具备避免与其他设备产生干扰的能力。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 现有的无线能量传输技术

1.3 国内外研究现状

1.3.1 水下有线能量传输研究现状

1.3.2 水下无线能量传输研究现状

1.3.3 研究现状综述

1.4 论文主要研究内容

1.5 论文章节安排

第2章水下磁耦合谐振无线能量传输的基本原理

2.1 引言

2.2 电磁原理分析

2.2.1 物理原理

2.2.2 等效电路模型

2.3 端口理论模型分析

2.3.1 散射参数理论

2.3.2 散射参数在系统中的意义

2.3.3 端口阻抗的影响

2.4 水下介质模型

2.5 基本原理的仿真验证

2.5.1 理论模型仿真分析

2.5.2 电路模型仿真分析

2.5.3 端口模型仿真分析

2.6 本章小结

第3章空芯线圈的无线能量传输研究

3.1 引言

3.2 并联耦合谐振电路模型分析

3.2.1 空芯线圈等效模型

3.2.2 电路等效模型分析

3.2.3 临界耦合状态分析

3.2.4 散射参数与系统性能的关系

3.2.5 系统性能指标分析

3.3 二维空芯线圈无线能量传输研究

3.3.1 磁偶极子的等效模型

3.3.2 收发线圈水平偏移的仿真分析

3.3.3 传输方案等效模型

3.3.4 传输方案应用模型

3.4 三维空芯线圈无线能量传输研究

3.4.1 收发线圈角度偏移的仿真分析

3.4.2 传输方案等效模型

3.4.3 传输方案应用模型

3.5 本章小结

第4章磁芯线圈的无线能量传输研究

4.1 引言

4.2 磁芯线圈的近场磁场分布研究

4.2.1 磁芯线圈近场磁场分布理论分析

4.2.2 磁芯线圈近场磁场分布仿真分析

4.3 四相磁芯线圈无线能量传输方法研究

4.3.1 传输方案电路模型

4.3.2 传输方案仿真模型

4.4 四相磁芯线圈无线能量传输应用场景

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐欣

导师: 汪洋

关键词: 磁耦合谐振,水下无线能量传输,空芯线圈,磁芯线圈

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,电力工业

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TM724;P75

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001584

总页数: 68

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