摘 要

当无线充电技术应用于电动汽车或充电场合时，传输效率是评价这项技术的重要指标。无线能量传输的效率与无线充电系统中松耦合传输机构的磁场特性直接相关，合理的线圈参数设计将有效提高系统效率。因此研究无线能量传输机构的磁场分布，优化线圈结构对提高无线充电效率具有重要的现实意义。

本文首先介绍无线充电技术的原理，建立无线能量互感模型等效电路，建立等效电路微分方程，得出无线能量传输功率的相关因素。其次为得到电能传输效果较好的线圈模型，选取线圈的耦合系数为技术指标，利用MAXWELL软件对不同形状的单极型、DD型及圆形线圈进行建模。研究线圈相关参数及磁芯结构对线圈磁场分布和耦合系数的影响，对线圈参数进行优化得到最佳线圈尺寸。

基于线圈优化过程得出线圈设计的一些结论并运用于线圈设计实例。最后仿真出线圈磁场分布和温度分布，为无线电能传输系统线圈设计提供技术支持。

关键词:无线电能传输；线圈参数；MAXWELL

ABSTRACT

When wireless charging technology is used in electric vehicles or charging occasions, transmission efficiency is an important indicator of the evaluation of this technology. The efficiency of wireless energy transmission is directly related to the magnetic field characteristic of loose coupling transmission in wireless charging system. Reasonable coil parameter design will improve the efficiency of the system effectively. Therefore, it has great practical significance to study the magnetic field distribution of wireless energy transmission mechanism and optimize the coil structure to improve the efficiency of wireless charging.

This paper first introduces the principle of wireless charging technology, establishes the equivalent circuit of wireless energy mutual inductance model, establishes the equivalent circuit differential equation, and obtains the relevant factors of wireless energy transmission power. Secondly, for the coil model with better power transmission effect, the coupling coefficient of the coil is selected as the technical index, and the single-pole type, DD type and circular coil of different shapes are modeled by MAXWELL software. The influence of the coil parameters and the magnetic core structure on the magnetic field distribution and the coupling coefficient of the coil is studied, and the coil parameters are optimized to obtain the optimum coil size.

Based on the coil optimization process, some conclusions about the coil design are obtained and applied to the coil design example. Finally, the magnetic field distribution and temperature distribution of the coil are simulated to provide technical support for the coil design of the wireless energy transmission system.

Key Words：Wireless power transfer; Coil parameter design; MAXWELL

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 无线电能传输基本原理 2

1.3 Ansoft Maxwell及Ansys Workbanch仿真软件概述 3

1.4 国内外研究现状 4

1.4.1 国外研究现状 4

1.4.2 国内研究现状 6

1.5 本文研究主要内容 7

第2章 耦合结构原理与特性分析 8

2.1 引言 8

2.2 无线电能传输的理论基础 8

2.2.1 麦克斯韦方程组 8

2.2.2 电动汽车无线充电原理 9

2.3 电磁耦合机构耦合等效模型及效率分析 9

第3章 线圈结构及相关系数 12

3.1 引言 12

3.2 方形线圈与圆形线圈的比较 12

3.2.1 线圈耦合特性分析 12

3.3 磁芯 13

3.3.1 磁芯厚度 13

3.4 线圈相关参数与绕线方式 15

3.4.1 集中型结构与分散型结构比较 15

3.4.2 线圈层厚度分析 17

3.4.3 线圈长宽比分析 18

第4章 磁芯结构仿真研究 20

4.1 引言 20

4.2 发射端磁芯结构分析 20

4.3 接收端磁芯结构分析 22

第5章 线圈设计实例 25

5.1 引言 25

5.2 线圈设计 25

5.2.1 磁芯摆放方式 25

5.2.2 线圈相关参数设计 26

5.3 线圈的磁场分布与温度场分布 26

5.3.1 磁场分布 26

5.3.2 温度场分布 28

5.4 线圈不对准程度与效率关系分析 28

第6章 结束语 32

6.1 总结 32

6.2 展望 32

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1875年，美国著名学者亚历山大.贝尔发明了有线电。信息技术的不断发展，美国著名的摩托罗拉公司职员马丁.库伯在1973年发明了第一部推向普通民众的手机。方便快捷无线电话使人类的相互交流迈出了历史性的一步。

为了摆脱传输电线的束缚，科学家们对无线电能传输进行了长期不断的探索。传统的电能传输以电缆、电线为主，电缆价格贵，线路损耗大，不仅在架设电线过程中易发生事故，而且设备老化速度更快。2008年，南方地区持续强降雨不仅引起了严重的洪涝灾害，还使电网发生故障而引发大面积的停电，大面积停电下火车停运交通系统瘫痪，工程不能正常运转，造成严重的财产损失。在这种情况下无线充电技术作为一种新的电能传输方式应运而生，无线能量传输也可被称作非接触能量传输，它通过电磁场或电磁波来进行能量的传输，所有设备免去直接的电气连接的同时还可以实现完全自动化控制，充电时无需人工操作。

近年来由于二氧化碳都有害物质的排放量急剧增加、在全球范围内个国家遭受着严重的环境污染，严重威胁到人类赖以生存的大自然，减少汽车尾气排放意义重大。以电能来替代其他能源的运输工具正在进行，诸如电动汽车和电动自行车这样的绿色工具，已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，电动汽车只需要在车辆底盘上安装次级感应线圈（接收线圈）与埋设于地表的初级侧线圈进行耦合，即可进行电能传输。电动汽车不需要消耗化石燃料，利用车载电动机将电能转化为机械能，工作时不会产生二氧化碳等有害气体，完全符合“零污染”的发展理念。因此电动汽车成为缓解资源紧缺、减少有害气体放量的最佳选择。

在过去十年电动汽车的需求持续上涨，发展纯电动汽车是全世界的必然趋势。电动汽车作为解决资源短缺，环境污染等问题的重要途径，得到了我国政府的大力支持，各种鼓励电动汽车发展的政策文件相继出台， 2014年7月9日，国务院常务会议上决定，2014年9月1日至2017年12月31日，电动车免征车辆购置税；2014年7月21日，国务院办公厅发布的《新能源汽车推广应用的指导意见》指明要以纯电驱动作为新能源汽车发展的方向。电动汽车对我国实现绿色交通、缓解环境污染、能源紧缺以及国家的可持续发展意义重大。