基于强磁耦合共振无线能量传输系统线圈设计

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1、基于强磁耦合共振无线能量传输系统线圈设计　　谐振耦合是一种新的电能传输方式，能在中等距离内传递能量。本文主要对强磁耦合机理进行分析，建立系统原理图，推导数学模型，得出系统磁耦合等效电路图。并根据耦合公式，设计耦合线圈参数计算程序。根据计算出的最佳线圈参数，设计一个耦合谐振体，验证了该方法的有效性。二十世纪早期NikolaTesl最早提出通过电场耦合实现无线电能传输，如今在无线电发展100多年后，无线充电技术再次受到关注。本设计线圈采用电磁共振式，即主要研究磁耦合谐振式输能技术，是对感应式的突破，可以在几十厘米到几米的范围内实现高效能量传输，一旦取得突破将改变人们的用电方式，其应

2、用前景非常好。4机理分析。利用强磁耦合进行无线能量传输基于共振耦合原理，即：两个具有相同振动频率的物体往往趋向于共振，并且与环境中的其他非共振物体相互作用很弱。我们详细研究、比较了各种电磁耦合模式后，采用长寿命的共振电磁模式，其耦合机制是通过叠加两个非辐射近场，通过这种模式可以实现两个近场物体的有效耦合，实现中距离的无线电力传输。这里，我们重点研究了如何有效的利用这种磁场共振模式。由于RLC谐振是电磁场中的典型共振方式，我们采用电容负载导线环来实现磁场共振模式。导线绕制的线圈可视为电感，与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场间以其自谐振频率在空间自由震荡，产生以两个

3、线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。当受端线圈带上电力负载时，电能就能通过中间的磁场能源源不断地从原线圈传输到负载。系统原理。图1是基本的实验原理图，图中将通过电能变换得到的高频交流电加在由绕制线圈和电容组成的源谐振体上，接受端用一个相同参数的谐振体并联上一个电阻，其中电阻是电力负荷的等效。数学模型：描述共振能量转移的理想的框架模型是模式耦合理论（CMT）。通过分析与对比研究，我们决定采用CMT分析与电路分析的混合方法进行系统的分析，并以此为设计依据。（1）耦合模公式公式中：是独有的本征频率，是由于物体内在损失（吸收或辐射）而导致的共振宽度，K是耦合系数。根据本模型采用的RLC谐

4、振结构，可得式中：a1——与系统电源相连的谐振线圈的模式幅度正频率分量a2——与系统负载相连的谐振线圈的模式幅度正频率分量——分别为两个线圈的损耗系数s——系统电源对谐振系统的作用4——负载系数，定义形式与损耗系数相同，表示阻性负载消耗系统的有功功率，表达式为。谐振电路中，耗散功率与电磁振荡能量的关系为：其中：耦合系数为：电路模型：利用电磁理论计算耦合谐振线圈的参数：电容、电阻、电感。在等效电路中可计算原线圈的电压、电流等物理量，进而利用数学模型求出传输系统中接收线圈的电压、电流等参数。利用以上分析得到的系统参数，可得到原系统的电路等效模型如图2：图三为软件设计的流程图，软件的

5、输出是优化设计的电源等效电压，系统谐振频率以及线圈的半径和匝数。设计过程中基本的参数计算采用前述章节提出的公示，寻优过程主要基于以下三个条件：阻抗是否匹配，电源电压是否匹配，传输效率是否符合要求。当以上三个条件得到满足时，再判定是否满足强磁耦合模式的条件。当以上的判定条件都得到满足时，输出优化的设计结果，为后续实验确立基本参数。本文绕制的线圈所用的漆包线线径是1.5mm，绕制圈数为4匝，直径为32cm.通过设计的MATLAB程序得出在0.8MHZ下匹配的电容值为2.2nF，线圈电感为18.3uH。这两谐振体在发射频率达到0.8MHZ时产生谐振，在50cm处接收线圈感应出的电压能

6、达到5v。4本文通过对强磁耦合公式的推导，建立起系统框图，得出系统磁耦合等效电路图，根据耦合模公式，设计出计算耦合线圈参数程序，根据此程序设计设计出的耦合谐振体，设计理论值与实际值基本一致，论证了本文设计模型与软件计算结果的有效性。本文耦合谐振线圈设计简单实用，利于实验室实现与推广。4