自谐振式无线电能传输系统的设计与优化

第1章绪论 (1)

1.1 课题研究的背景 (1)

1.2 无线电能传输系统概述 (1)

1.2.1电磁感应式无线电能传输 (2)

1.2.2采用微波或激光的形式进行无线电能传输 (3)

1.2.3磁耦合谐振式无线电能传输 (3)

1.3 课题研究的内容 (4)

第2章自谐振式无线电能传输系统的结构及原理 (5)

2.1 无线电能传输系统的结构 (5)

2.2 基于耦合模理论的分析 (5)

2.2.1耦合模理论概述 (5)

2.2.2耦合模理论在无线电能传输系统中的应用 (6)

2.2.3系统传输的效率 (7)

2.3 无线电能传输系统的设计指标 (7)

2.4 小结 (7)

第3章无线电能传输系统发射模块的电路设计 (8)

3.1 发射模块概述 (8)

3.2 信号发生电路的设计 (8)

3.2.1稳压电源模块的设计 (8)

3.2.2信号发生电路的原理 (9)

3.2.3信号发生电路的仿真 (10)

3.3 功放电路概述 (10)

3.3.1功放的分类及参数 (11)

3.3.2最大输出功率 (11)

3.3.3功放的传输效率 (11)

3.3.4功放的选择 (12)

3.3.5功放电路的仿真 (12)

3.3.6功放电路的效率分析 (13)

3.4 阻抗匹配网络的设计 (15)

3.4.1阻抗匹配的作用 (15)

3.4.2纯电阻电路的阻抗匹配 (16)

3.4.3复数阻抗间的功率传输 (16)

3.4.4阻抗匹配网络的分类 (17)

3.4.5串并联支路间的阻抗变换 (17)

3.4.6电容部分接入阻抗变换 (18)

3.4.7 L型阻抗匹配网络 (19)

3.4.8π型阻抗匹配网络 (20)

3.4.9 T型阻抗匹配网络 (21)

3.4.10阻抗匹配网络的选择与设计 (22)

3.5 小结 (23)

第4章螺旋天线数学模型的建立 (24)

4.1螺旋天线的几何参数 (24)

4.2 螺旋天线的制作 (24)

4.3 螺旋天线在低频电路中的等效模型 (25)

4.3.1螺旋天线的测量 (25)

4.3.2螺旋天线的电路模型及验证 (26)

4.4 螺旋天线在射频电路中的等效模型 (27)

4.5无线电能传输中螺旋天线的数学模型 (28)

4.5.1谐振时螺旋线天线几何参数的数学模型 (28)

4.5.2螺旋天线数学模型的分析 (29)

4.5.3天线谐振频率与匝间距的关系 (30)

4.5.4最大轴向辐射的条件 (30)

4.6 小结 (31)

第5章无线电能传输系统接收模块的电路设计 (32)

5.1 接收模块的结构 (32)

5.2 接收天线 (34)

5.3接收功率 (34)

5.4 小结 (34)

第6章无线电能传输系统的特性与效率 (35)

6.1能量传输的方向性 (35)

6.2螺旋天线的传输效率 (35)

6.3无线电能传输系统的效率 (36)

第7章结论与展望 (38)

7.1 论文总结 (38)

7.2 有待进一步研究的内容与展望 (38)

参考文献 (39)

附录 (43)

1. 印制电路板与焊接板 (43)

2. 元件清单 (44)

3. 螺旋天线建模采用的MATLAB程序 (45)

致谢 (47)

攻读学位期间取得的科研成果 (48)

第1章绪论

1.1 课题研究的背景

当今社会，人类已经进入电气化时代，随着电视、空调、冰箱、数控机床等大中型用电设备的激增以及人类活动范围的不断扩展，电气设备广泛应用在交通、航天、通信、科研等领域，极大地改变了人类的生活方式；特别是人类进入二十一世纪以后，新生事物不断涌现，智能机器人、无人机、智能手机等，将人类社会带入一个新的纪元。随着人类社会的发展，人们对电能的依赖程度越来越高，电能传输网络也变得越来越复杂，对供配电系统的性能要求也更高，这对传统的供配电系统产生了一定的挑战。

采用传统的供配电系统，需要大范围敷设电缆，浪费人力物力；同时，室外电缆需要定期检修、更新；电路发生短路时容易产生火花而引起火灾，安全性较差；某些特殊区域的设备不方便走线，如水下智能机器人、人体植入的医疗器械等；另外，大量开关、插座的使用不仅浪费材料也显得不够美观。

采用无线电能传输技术，可以建立起高效、简洁的供电系统，减少人们对电缆、插座等电力耗材的依赖程度，从而节省材料；同时，极大增强了设备的灵活性和安全性。传统供电方式带来的问题将随着无线电能传输技术的普及而解决。

无线电能传输技术，首先由著名物理学家尼古拉·特斯拉提出，其目的是通过非接触的方式实现电能的传输。作为电能输送的一种新的形式，无线电能传输技术集多种学科（如电磁场、物理、数学、电力电子等）于一体，是目前国内外高校与科研机构的一个研究热点[1-10]。经过近几年的发展，无线电能传输技术已经逐渐走进人们的生活，如手机充电，电动车充电等，越来越受到人们的青睐，具有良好的发展趋势[11]。

鉴于无线电能传输技术的诸多优势及良好的发展势头，以及人们对其日益增长的发展需求，很多科技工作者致力于无线电能传输技术市场化的研究[12-16]，使其早日走出实验室，应用到人们的生活中。

1.2 无线电能传输系统概述

磁耦合谐振式无线电能传输技术摆脱了传统的导线连接带来的不便，可根据不同的