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摘 要

无线电能传输现在已经成为热门的研究技术之一，该技术是通过电磁效应或者能量交换作用实现从电源到负载无直接导线接触地进行电能传输的新型输电方式，这个技术能够从硬件上减少导线等器件，并改变传统的输电方式，革新更多的新技术。本文主要首先总结无线电能传输的类型，总结出传输系统的基本原理。然后我们提出串联谐振四线圈模型，推导出该电路拓扑结构的数学模型，研究系统性能与参数之间的关系。接着设计小功率无线电能传输系统的电路模型，设计不同部分的电路结构，然后利用Multisim进行仿真，观察系统的性能以及影响其性能的因素。本文还利用了双管E类逆变器，研究与传统单管逆变器之间的性能差距，观察系统的改变，为后续研究提供一个新的理论支持。

关键词：无线电能传输、磁耦合谐振、小功率、双管E类逆变器

Low Power Wireless Power Transmission System

Abstract

Wireless power transmission has now become one of the hottest research technology, which is realized through the exchange interaction of electromagnetic effect or energy from the power supply to the load carried no direct contact with the wires of the new power transmission mode of transmission, this technology can reduce the wire from the hardware, etc. devices, and change the traditional mode of transmission, more innovative new technologies. This paper summarizes the first type of wireless power transmission, summed up the basic principles of the transmission system. Then we present four series resonant coil model, derived mathematical model of the circuit topology, the relationship between research and system performance parameters. Then design the circuit model of small-power wireless power transmission system, the structure of the different parts of the circuit design, performance and use of Multisim simulation, observation system and the factors that affect its performance. It also takes advantage of the double pipe class E inverter, change the performance gap between research and the traditional single tube inverter between observation systems, providing a new theoretical support for further research.

Keywords: wireless power transfer 、magnetically coupled resonance、

low-power、double class E inverter

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2无线能量传输现状 2

1.3磁耦合谐振式无线电能传输的研究现状 3

1.3.1国外研究现状 3

1.3.2国内研究现状 4

第二章 基本分类与工作原理分析 6

2.1基本分类 6

2.2无线电能传输的结构与原理 6

2.2.1磁感应耦合式无线电能传输 6

2.2.2磁耦合谐振式无线电能传输 7

2.2.3微波辐射式技术 8

2.3 三种无线电能传输的比较分析 8

2.4 本章小结 9

第三章.电磁耦合谐振系统分析与数值仿真 10

3.1回路分析 10

3.1.1 RLC谐振回路的分析研究 10

3.1.2电磁谐振方式传输能量的原理 10

3.2电磁回路模型的分析 11

3.3仿真参数设计 13

3.3.1谐振频率设计 13

3.4数值仿真分析 15

3.4.1原理分析 15

3.5系统的设计 17

3.5.1传输特性仿真 18

3.6本章小结 21

第四章 谐振式无线电能传输系统的模块设计与仿真 23

4.1电磁感应式系统模块设计 23

4.1.1稳压模块的设计 23

4.1.2整流模块的设计 24

4.1.3逆变电路设计 25

4.1.4控制电路 26

4.2总体电路设计 26

4.2.1发射电路的输出波形 28

4.2.2接收端的输出波形 29

4.2.3控制电路的输出Bode图 31

4.2.4接收线圈两端电压与整流后的电压 32

4.3 E类逆变器对系统的影响 33

4.4结果分析 33

4.4本章小结 35

第五章 总结与展望 36

致 谢 37

参考文献 38

第一章 绪论

1.1研究背景

在大约1880年前后人们便对无线电能传输(wireless power transfer ,WPT) 开始了研究，而最先对无线电能传输理论与实践结合起来的是尼古拉-特斯拉，一名美国电学方面足以匹敌爱迪生的科学家。这名优秀的科学家在通过一系列研究之后，终于跨时代地于1899年使用频率为50 kHz 的交流电实现了点亮一盏在远处的白炽灯的目标[1]。近几年来无线电能传输技术在世界各国内展开了深入研究，并且已经投入到实际应用当中，无线电能传输产品已经在市场中出现，并且走入千家万户，我们耳熟能详的设备就有三星的盖世系列手机，还有海尔的无尾电视机等，这些设备的出现，说明了无线电能技术已经相对比较成熟，并且展现出了它在这个市场的活力与重要的地位。在未来，该技术甚至可以应用在一些特殊场合，解决很多技术上的壁垒,比如说在电动汽车方面，我们可以使用无线充电技术，这样就可以避免了充电线路出现故障等潜在危险，而且还可以提高充电效率，促进电动汽车产业的发展。再者对于智能电网的发展也有重大意义，一方面可以改变分布式发电的问题，另一方面也能够为送配电解决很多技术上的难题。同时，利用无线电电能的传输能够节省很多线路设置，减少了建设的成本，降低了建设的难度，为落后地区用电问题提供了便利。相比于大功率无线电能传输的电磁辐射、功率效率、装置体积和制造成本等方面的问题，小功率无线电能的传输几乎不用考虑。小功率器件的使用能够实现便捷化、效率化，不需要过大的器件支持，一定数量小容量的电容和电感，一个或两个逆变器，两到四个线圈等，就能够实现一个小功率无线系统的搭建，这样的小器件同时能够保证一定的效率，成本更加的低廉，体积更加地小型化，能够渗透在我们的日常生活中的各种类型的电器，推广到我们的生活细节当中，因此小功率器件的使用范围更加广泛，它的实际应用更加值得深入研究。

1.2无线能量传输现状

WPT技术在消费类电子市场展现出巨大的发展潜力。该技术可以在大部分需要电池供电的电子产品中应用，比如说小到我们手机，大到电动汽车等。

目前市场已经有了成熟的无线电能传输产品，比如说三星S7、三星S6的无线充电器，还有海尔的无尾电视机。这些都已经进入了我们的生活当中，这就说明了无线充电产品已经是一个市场的需求了。随着电动汽车的发展，伴随而来的还有电动汽车的充电问题，如果能够解决电动汽车的充电问题，这将进一步革新电动汽车产业的发展。因此如何利用无线充电方式对电动汽车进行充电已经成为了研究的热门。电动汽车充电的原理图，如下图1-1所示。

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