复杂金属环境下的能量传输系统设计

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1、复杂金属环境下的能量传输系统设计重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：黎小娇指导教师：熊东副教授学位类别：工程硕士（电子与通信工程领域）重庆大学通信工程学院二O一五年四月DesignofPowerTransmissionSysteminComplexMetallicEnvironmentAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementforProfessionalDegreeByLiXiaojiaoSupe

2、rvisedbyAss.Prof.XiongDongSpecialty：ME(TheFieldofElectronicsandCommunicationEngineering)CollegeofCommunicationEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要本文结合重庆市应用开发重点项目“复杂金属环境下RFID系统关键技术与设计”，对复杂金属环境下的无线能量传输系统进行设计。该系统也称为感应能量装定系统，是通过发射线圈

3、和接收线圈间的电磁耦合方式进行能量传输。本文从无线能量传输系统电路设计、发射线圈和接收线圈设计及金属环境对系统能量传输的影响等三个方面展开研究，以实现金属环境下较大功率的无线能量传输。主要工作如下：①根据项目实际工作环境，确定感应能量装定系统设计方案，完成方案的电路实施。论文根据接收端与发射端在相距3cm且处于复杂的金属环境下，在65ms内对200uF的储能电容充电到13V的系统要求，提出了基于Royer振荡器拓扑结构的感应能量装定方案，确定发射线圈结构及系统工作频率。该系统发射端自激振荡和功率放大产生足够

4、功率的高频交流电压，驱动发射线圈产生交变磁场，接收线圈处于该交变磁场中感应产生同频率的交流电压，并通过整流稳压电路转换为直流电压，对储能电容进行充电。通过仿真及测试证实了所设计的电路能够达到系统要求。②完成发射线圈的设计。为了在装定器输出功率一定的情况下尽可能的提高接收线圈耦合到的能量，就必须增加接收线圈处的磁感应强度。由于发射线圈和接收线圈不能同轴限制了直螺旋发射线圈在接收线圈处的磁场，因此本文提出具有软磁材料铁芯的轴线弯曲型螺旋线圈作为发射线圈。通过MATLAB仿真及Ansoft有限元分析可知，轴线弯曲

5、型螺旋线圈作为发射线圈增强了接收线圈处的磁感应强度，提高了系统能量利用率，能够提高接收端所获取的能量，此外在发射线圈中加入钴基非晶合金作为磁芯能够在很大程度上增强发射线圈周围的磁场。③提出接收线圈最佳匝数设计方法。由于接收线圈位于金属腔体中，位置及大小均受到限制，通过在MATLAB中建立仿真分析可知，在发射端不变的情况下，接收电压有一个最佳接收线圈电感使接收电压取得最大值，当系统谐振频率一定时，该值由接收线圈电阻及负载唯一确定。通过分析接收线圈参数，如接收线圈直径、线圈导线直径及线圈匝数对接收线圈电阻及电感

6、的影响，从而分析其对接收电压的影响，提出当接收线圈直径及导线直径一定的情况下可通过确定线圈最佳匝数来确定接收电压最大值。④确定系统周围引信体金属材料。由于金属在高频磁场作用下会产生涡流，使线圈导线产生集肤效应，线圈交流电阻大于直流电阻，从而增大了线圈的欧姆I重庆大学硕士学位论文损耗。另外，线圈处于复杂金属环境下，金属的涡流效应会吸收一部分电磁波，铝、铁、银、不锈钢等四种金属对电磁波的吸收作用不同，其中铁的能量损耗远远大于其它几种金属，其次是不锈钢，接着是铝和银，因此引信体材料选用对电磁波吸收作用最小的铝板或

7、银板或者在引信体上镀银。但不锈钢板上感应产生的涡流最小，其对原线圈磁场的反作用也最小，而铁对原磁场的反作用最大，因此不锈钢作为金属腔体材料对系统的影响完全可以接受的。根据理论及仿真分析，本文完成了复杂金属环境下较大功率的无线能量传输系统设计，以基于Royer振荡器的拓扑结构设计了感应能量装定系统电路，以含有钴基非晶合金铁芯的轴线弯曲型螺旋线圈作为发射线圈，接收线圈按最佳匝数设计以及选择对电磁波吸收作用最小的金属作为引信体材料。所设计的系统经过实际测试，满足项目提出的各项要求，达到了预期目标。关键词：无线能量

8、传输，Royer振荡器，轴线弯曲型螺旋线圈，Ansoft有限元分析II英文摘要ABSTRACTCombinedwiththekeyprojectofapplicationanddevelopmentofChongqing“ThekeytechnologyanddesignofRFIDsystemincomplexmetallicenvironment”,thispaperdesignedwirelesspower