摘 要

有线电力输送技术是现阶段社会广泛使用的电能传输技术，但是随着社会的进步，有线电力输送技术的设备移动便捷性差、安全性不高、外形不美观等弊端逐渐显现。用电设备以非接触方式从固定电网取电能的技术称之为无线能量传输技术，这一技术可以在一定程度上改善有线电能传输的上述缺点，在移动设备，家用电器以及医疗器械等方面具有广泛的应用前景。

现阶段，根据无线能量传输的原理可以将该项技术分为三类，分别是电磁感应式无线能量传输、磁耦合谐振式与无线能量传输和电磁波式无线能量传输。电磁感应方式相比磁耦合谐振方式拥有更远的传输距离，与电磁波传输方式相比磁耦合谐振方式的抗干扰能力更强。

本文对磁耦合谐振的无线能量传输技术进行了研究，分析了系统的结构，系统的工作机理，能量传输的具体过程，运用电路原理的知识建立了传输系统的等效电路模型，在此基础上，对系统的最佳工作条件进行了理论推导。分析了系统在过耦合以及欠耦合状态下，系统的传输效率和功率与系统的传输距离以及携带负载的关系。在得到理论表达式的情况下，使用Matlab软件建立理论表达式的三维模型对系统传输特性进行定性的分析。

在对系统工作特性进行理论研究的基础上，使用无线能量传输装置对理论推导结论进行实验验证。主要以发射线圈和接收线圈的耦合距离以及系统工作频率为变量，检测系统的传输功率。最后对实验数据进行作图分析，并与建立的理论模型进行比较，验证模型建立以及理论推导的正确性。

关键词： 无线能量传输；磁耦合谐振；效率

Abstract

Cable power transmission technology is widely used at the present stage of social. With the progress of society, poor mobility and security, unsightly appearance and other defects is gradually emerging. Wireless energy transmission is the technology that electrical equipment obtain electric energy from fixed power grid in a non-contact way. This technology can improve the above shortcomings of cable power transmission to a certain extent. And has a wide range of applications in mobile devices, household appliances, medical devices and so on.

At the present stage, this technology can be divided into three categories according to the principle of wireless energy transmission. These are Electromagnetic induction type wireless energy transmission, magnetic coupling resonant wireless energy transmission and electromagnetic wave wireless energy transmission. Compared with the electromagnetic induction method, the magnetic coupling resonance method has a further transmission distance. It has stronger anti-interference ability than microwave power transmission method .

This thesis mainly discusses the wireless energy transmission technology which is based on the magnetic coupling resonance. In this paper, it analyses the structure and the working principle of the system, the specific process of energy transmission and how to use the knowledge of circuit principle to establish the equivalent circuit model. Based on the equivalent circuit model, the optimal operating conditions of the system are theoretically deduced in this subject. It also expounds the relationship between transmission efficiency and power of the system and the transmission distance and the load of the system under the condition of over coupling and under coupling as well as how to use Matlab software to establish a three-dimensional model of the transmission characteristics of the system to carry out qualitative analysis in the light of the theoretical expression.

On the basis of theoretical research on the system's working characteristics, using the wireless energy transmission device to verify the theoretical results and detecting the transmission power of the system with the variables of the coupling distance of transmitting coil and receiving coil and the working frequency of the system are also the content of this thesis. Meanwhile, the experimental data are plotted and analyzed , and they are compared with the theoretical model so as to verify the correctness of the establishment of the model and the theoretical derivation in this paper.

Key words: wireless energy transmission, magnetic coupling resonance, efficiency

目 录

摘要 II

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 磁耦合谐振无线能量传输技术国内外研究现状 2

1.2.1 磁耦合谐振无线能量传输技术国外研究现状 2

1.2.2 磁耦合谐振无线能量传输国内研究现状 4

1.3 研究的主要内容 5

第2章 磁耦合谐振无线能量传输系统的建模 7

2.1 无线能量传输系统的结构 7

2.2 无线能量传输系统的工作原理 8

2.3 无线能量传输系统模型的建立 8

2.4 本章小结 10

第3章 过耦合条件下系统最佳工作条件的分析 11

3.1 传输系统工作的最大效率和功率 11

3.1.1 理论分析 11

3.1.2 三维模型的建立 13

3.2 传输系统工作阻抗匹配 16

3.3 传输系统的最大传输距离 18

3.4 本章小结 20

第4章 欠耦合条件下系统最佳工作条件的分析 22

4.1 传输系统工作的最大效率和功率 22

4.1.1 理论分析 22

4.1.2 三维模型的建立 26

4.2 传输系统的阻抗匹配 28

4.3 本章小结 29

第5章 无线能量传输系统的实验验证 30

5.1 频率分裂现象的实验验证 30

5.2 系统最佳工作条件的实验验证 32

5.3 实验结论和误差分析 35

5.4 本章小结 36

第6章 总结与展望 37

6.1 总结 37

6.2 展望 37

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

无线能量传输技术是一项新的能量传输技术，即用电设备以非接触方式从固定电网获取电能的技术。1891年，著名电气工程师（物理学家）Nikola Tesla进行一项与无线能量传输有关的实验，在不使用导线的情况下成功的将25英里外的一盏氖气照明灯点亮完成能量传输。这一实验的成功意味着无线能量传输技术可以改善有线电力输送技术中多项缺点，包括用电设备的移动性差，外接电线容易受到损坏，在干燥环境下容易引发火灾等。这项技术特别适用于移动设备以及水下作业的安全供电^[[1]]。该技术不仅在电动汽车、微型机器人、油田矿井、水下作业、无线传感器网络等领域具有重要的应用价值，而且在家用电器、医疗设备和消费电子等民用领域也具有广泛的应用前景[^[2]]。

目前，根据无线能量传输的机理，可将无线能量传输的方式分为三类：电磁波无线能量传输技术、电磁感应式无线能量传输技术、磁耦合谐振式无线能量传输技术^[[3]]。