摘 要

随着科技的发展与社会的进步，家用电器的使用越来越广泛。但是，家用电器的传统供电方法却存在着诸多缺点，如采取供电线供电，线路老化、裸露，插头插拔时产生电火花，导电滑环摩擦损耗大等，使得其供电方式的改革迫在眉睫。为了解决传统供电方法存在的问题，无线供电技术应运而生，ICPT技术自问世以来，便成为国内外学者所研究的热点问题之一，并得到了长足的发展。近年来无线供电技术越来越多地应用在我们的生活中，但是针对旋转设备的无线电能传输系统的研究却非常少，大部分旋转设备目前仍在使用传统的导电滑环供电。基于这一问题，本文将对无线供电技术在旋转设备上的应用展开研究，并设计一套应用于旋转设备的无线供电系统，具有很重要的理论研究意义和实用价值。

首先，本文介绍了无线供电系统的基本结构与原理，分析了谐振补偿网络的作用，并对比分析了四种常用的谐振拓扑结构，通过对其性能分析，结合课题得到了最终选用的S-S型结构为系统的谐振拓扑。

然后，通过ANSYS软件进行耦合机构模型的设计仿真，结合本文提出的耦合机构的设计原则，运用对比的方法分别比较了有无铁芯时、采用不同铁芯数量时和有无铝板时的旋转耦合机构的性能指标，最终选出了最优的耦合机构模型并得到其电路参数及磁场屏蔽效果。

最后，通过最后选出的耦合机构的模型参数，及对整个无线供电系统的理论分析计算，在SIMULINK软件中搭建出了完整的无线供电系统并对其进行了仿真验证，结果证明系统能实现20V-60V可调恒压输出。

关键词：无线电能传输；补偿网络；恒压传输特性；旋转式耦合结构

Abstract

With the development of science and technology and the progress of society, household appliances are more and more widely used. However, the traditional power supply methods of household appliances have many shortcomings, such as the use of power supply lines, aging and bare lines, sparks when plugs are plugged in and out, and large friction loss of conductive slip rings, etc., making the reform of their power supply methods urgent. In order to solve the problems of traditional power supply methods, wireless power supply technology came into being. Since the advent of ICPT technology, it has become one of the hot issues studied by scholars at home and abroad, and has made great progress. In recent years, wireless power supply technology has been increasingly used in our lives, but there is very little research on the wireless energy transmission system of rotating equipment. Most rotating equipment is still using traditional conductive slip rings for power supply. Based on this problem, this article will conduct research on the application of wireless power supply technology to rotating equipment, and design a set of wireless power supply system for rotating equipment, which has very important theoretical research significance and practical value.

First, this article introduces the basic structure and principle of the wireless power supply system, analyzes the role of the resonance compensation network, and comparatively analyzes four commonly used resonant topology structures. Through its performance analysis, combined with the SS type structure finally selected for the resonant topology of the subject.

Then, the design and simulation of the coupling mechanism model is carried out through ANSYS software, combined with the design principles of the coupling mechanism proposed in this paper, and the method of comparison is used to compare the rotation coupling with or without iron core, when using different numbers of iron cores and with or without aluminum plate, to compare with the performance index of the mechanism, finally selects the optimal coupling mechanism model and obtains its circuit parameters and magnetic field shielding effect.

Finally, through the model parameters of the last selected coupling mechanism and the theoretical analysis and calculation of the entire wireless power supply system, a complete wireless power supply system was built and simulated in SIMULINK software. The result tells that the adjustable constant voltage 20V-60V output.

Keywords: Wireless energy transmission；Compensation network；Constant voltage；Rotating coupling structure

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 感应式无线供电系统 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 3

1.4 本文主要的研究内容 3

第二章 IPT系统补偿电路分析 5

2.1 补偿拓扑的意义 5

2.2补偿电路分析 5

2.2.1 补偿电路的特性 5

2.2.2 四种基本的补偿电路及分析 5

2.3 补偿电路方案选择 9

第三章 旋转式耦合结构的设计 11

3.1 耦合结构的设计原则 11

3.2 磁耦合结构的设计 11

3.2.1 有无磁芯的耦合线圈对比 11

3.2.2 磁芯形状、数量优化设计 14

3.2.3 有无铝板时耦合结构的对比 18

3.3 基于ANSYSMAXWELL的旋转式耦合机构的仿真参数 19

第四章 旋转式耦合机构传输特性仿真 20

4.1 Simulink仿真电路的设计 20

4.1.1 逆变源电路的设计 20

第五章 结论 26

5.1 本文总结 26

5.2 本文展望 26

参考文献 28

致谢 30

附录 31

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

随着科技的发展，生活中的用电设备的种类繁多，人们对电能也越来越依赖，随着社会的进一步发展，电能在人类的生产生活中的地位也将进一步提高。传统上，电能主要是通过输电线进行传输的，而用电设备和电源之间则通过插头连接。然而，随着家用电器越来越多，传统的供电方式的局限性也逐渐显露，电源线占用空间太多，供电插座不灵活等传统供电方式所存在的缺点逐渐成为了人们提高生活质量的瓶颈，降低了设备使用时的高效性与便捷性。除此之外，传统供电方式还会导致例如电火花、电线裸露、插头氧化等安全隐患。传统的供电方式已经不能满足人民生活和工业生产的要求，为了解决这些问题，无线电能传输技术应运而生。此技术一出现，便引起了学术界的广泛关注，相比传统供电方式，无线能量传输技术具有无磨损，无接触的显著优点，系统之间相互独立无接触，保证了电气隔离，大大提高了系统使用时的安全性。2008年12月，无限能量传输技术被中国科协评选为“十项引领未来的科学技术之一”。

无线能量传输技术由原理的不同，主要可分为三种常见的形式：感应耦合式、微波辐射式和磁耦合谐振式，它们各自的特点如下^[6]：