摘 要

无线能量传输即不通过传统的有线方式，而是通过无线传输直接进行能量传输，目前已经在许多方面都有了一定的应用，包括手机无线充电、电动汽车充电以及在医疗电子方面都有应用。目前研究得比较多的无线能量传输方式有电磁辐射式，电场耦合式，磁场耦合式三种方式。本文研究的是一种用于中距离无线能量传输的磁耦合共振无线能量传输的线圈，目标谐振频率为13.56 MHz，首先通过对结构的优化设计，确定了线圈的基本几何参数，然后进过不断调整线圈的几何参数及线圈之间的距离来使谐振系统的谐振频率达到了目标的13.56 MHz。

本文首先通过HFSS软件对设计的四线圈模型进行仿真，同时对HFSS软件的使用做了一定的介绍。之所以选用四线圈模型是因为与两线圈结构相比四线圈结构能增加能量传输路径，增大传输距离，还可以进行阻抗补偿，改善频率分裂现象。通过对线圈尺寸不同的线圈进行仿真，使在中距离传输且有较高传输效率时，将线圈系统的谐振频率调整到13.56 MHz，而系统的传输效率也从刚开始的10%左右，达到了之后的50.3%。如果参数设置合理，完全有可能达到更高的传输效率。

关键词：无线能量传输；谐振频率；环形平面螺旋线圈；磁耦合共振

Abstract

Wireless power transmission is a way to transfer energe not through the wire but Wireless transmission .And this method has been used in many ways ,iincluding mobile wireless charging,elertric car charging and in medical electrionics.There are ways in current research of wireless energy transmission,which are electromagnetic radiation type , electric field coupling and magnetic coupling In this paper, what we study is a magnetic resonant coupling wireless power transmission coil system,designed for medium range wireless energy transmission.The target resonant frequency is 13.56 MHz.Frist of all,determinethe basic geometric parameters of the coil by optimizating of structure design.And then went to constantly adjust the geometric parameters of the coil and the distance between the coil to make the resonant frequency of resonance system has reached the target of 13.56 MHz.

Firstly, a software called HFSS are used to design the four coil model simulation. At the same time, an introduction HFSS will be given . The reason why the author chooses four coil model is that compared to the two coil structure ,four coil structure can increase the energy transmission path, and increase the transmission distance, to impedance compensation, dicrease the frequency splitting phenomena. By changing the size of the coil , adjust the resonant frequency of the coil system to 13.56 MHz,in the middle distance transmission and has higher transmission efficiency.And transmission efficiency of the system is also from the beginning of about 10% to 50.3%. If the parameter set is reasonable, it is possible to get higher transmission efficiency.

Key Words：Wireless energy transmission; Resonance frequency; Annular flat spiral coil;

Magnetic coupling resonanc

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容及各章安排 5

第2章 无线能量传输线圈系统原理及设计方法 6

2.1 无线能量传输系统介绍 6

2.2 磁耦合谐振线圈系统等效电路 6

2.3 线圈几何参数 9

2.4 线圈间距与耦合系数之间的关系 10

2.5 本章小结 11

第3章 线圈天线系统仿真分析 12

3.1 仿真工具介绍 12

3.2 验证计算与对比分析 12

3.3 线圈天线设计流程与仿真计算 13

3.3.1 设计流程 13

3.3.2 几何参数设计及仿真结果分析 20

3.4 本章小结 26

第4章 总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

随着科学技术的迅猛发展，人们在日常生活和工作中越来越多的使用各种电子产品，这些电子产品给人们的生活带来了巨大的方便和前所未有的科技享受，但同时也带来了一系列问题，电子产品越多，它们所配备的电源线和数据线所占用的空间就会越来越多，这些电源线和数据传输线使得我们的生活和工作环境日趋凌乱。在这种情况下，运用无线能量传输技术则可以较好的解决这一问题，特别有中距（米级）无线能量传输（WPT），能够应用于生活中的大部分场所，因此这一技术必将在生活中受到消费者的欢迎。无线能量传输是一种无接触的能量传输方式，能量从能量源传输到负载不需要传统的数据线。从无线能量传输技术诞生以来，就因为它自身方便、安全，且能够满足某些特殊环境下供电的需求等特点，而备受各方关注。在电子产品、信息通信、医疗器械等领域有着广阔的前景，尤其是在飞速发展的物联网智能家居方面有着极高的实用价值。而磁耦合谐振式能量传输由于米级的传输距离、较高的传输效率且没有辐射，使其在日常生活中能够得到广泛的应用，本文研究的就是磁耦合共振WPT系统。与传统供电方式相比，WPT能彻底消除机械摩擦和接触火花，具有安全、便捷、灵活等优点，在便携式电子产品、电动汽车、医疗器械、矿井和水下等领域具有广阔的应用前景^[1]。