摘 要

随着现代科学技术的发展，电磁理论的持续完善和电力设备系统更新升级，前景美好的无线能量传输逐渐变得可行。而电磁谐振无线能量传输是其中具有独特优势的一种。

本文特色在于在仿真分析探讨相关结构参数对传输效率影响特性的基础上，从不同角度展开优化，得到三种不同的优化途径和方法论，并依次对于假定的线圈进行优化，进行验证。

主要采取方法是:基于基本原理和相关理论公式，利用MATLAB分别进行仿真计算，讨论影响电磁谐振无线电路系统传输效率的因素，空间螺旋线圈、平面螺旋线圈和平面方形线圈不同结构的三种线圈的高频特性。在此基础上，进一步开展了空间螺旋线圈，平面线圈对电路系统传输效率影响的研究工作，得到了不同的优化方案。

研究结果表明，对于由空间螺旋线圈组成的串联补偿结构电磁谐振无线能量传输电路系统，在确定的谐振频率和线圈半径下，根据线圈长度，选取最佳传输距离、最佳线圈匝数和最佳负载电阻。而平面方形线圈组成的电磁谐振无线能量传输电路中，在最佳负载时的一定范围内优化分析；在负载电阻恒定，相对于传输距离，选取最佳的线圈边长和线圈匝数。

最终，不同的优化方案对假定线圈的电路的传输效率进行优化，验证了优化效果。

关键词：电磁谐振；无线能量传输；传输效率；线圈

Abstract

While modern technology is developing, the persistent improvement of electromagnetic theory and the upgrading of power equipment systems, the promising wireless energy transmission has gradually become feasible. And electromagnetic resonance wireless energy transmission is one of them with unique advantages.

The feature of this paper is that on the basis of simulation analysis and study of the influence characteristics of relevant structural parameters on transmission efficiency, optimization is carried out from diverse angles, several diverse optimization approaches and methodologies are obtained, and the assumed coils are optimized and verified in turn.

The main methods are: based on the basic principles and related theoretical formulas, MATLAB is used to carry out simulation calculation respectively to discuss the factors affecting the transmission efficiency of electromagnetic resonance wireless circuit system, and the high frequency characteristics of three kinds of coils with different structures of space spiral coil, plane spiral coil and plane square coil. On this basis, further research on the influence of space spiral coil and plane coil on the transmission efficiency of the circuit system has been carried out, and different optimization schemes have been obtained.

The research results show that for the series compensation structure electromagnetic resonance wireless energy transmission circuit system composed of space spiral coils, under the determined resonance frequency and coil radius, the best transmission distance, the best coil turns and the best load resistance are selected according to the coil length. However, in the electromagnetic resonance wireless energy transmission circuit composed of planar square coils, optimal analysis is carried out within a certain range under optimal load. When the load resistance is constant, the best coil side length and coil turns are selected relative to the transmission distance.

Finally, different optimization schemes optimize the transmission efficiency of the assumed coil circuit and verify the optimization effect.

Key words: Electromagnetic resonance; Wireless energy transmission; Transmission efficiency; Coil

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 理论原理分析 3

2.1近场理论 3

2.2谐振回路 3

2.2.1单振荡回路相关特性 3

2.2.2耦合回路相关特性 4

2.3 本章小结 5

第三章 仿真研究分析 6

3.1电磁谐振无线能量传输模型 6

3.2 电磁谐振无线能量传输模型仿真分析 6

3.2.1 回路内阻r和负载阻值R对传输效率的影响 7

3.2.2负载阻值和谐振频率和互对传输效率的影响 8

3.2.3补充研究 8

3.3 线圈互感特性 8

3.3.1平面方形线圈 8

3.3.2平面螺旋线圈 9

3.3.3 圆柱螺旋线圈 9

3.4对比研究 9

3.4.1 线圈的传输距离d对线圈互感M的影响 10

3.4.2线圈的平均半径r对线圈的互感的影响 11

3.4.3线圈匝数对线圈互感的影响 11

3.4.4 线圈对比研究 11

3.5 线圈的电阻 12

3.6 本章小结 12

第四章 空间螺旋线圈仿真优化分析 13

4.1空间螺旋线圈相关性分析 13

4.1.1线圈半径r对线圈互感M值影响 14

4.1.2传输距离d对线圈互感M值影响 14

4.1.3线圈长度对线圈互感值影响 15

4.2线圈优化分析 15

4.2.1线圈长度和传输距离d优化分析 16

4.2.2线圈匝数N优化 16

4.3 负载阻值优化 17

4.4 本章小结 18

第五章 平面线圈的仿真优化分析 19

5.1负载电阻优化 19

5.2线圈的半径和线圈匝数优化 20

5.2.1特性分析 21

5.2.2优化方案 21

5.3 本章小结 21

第六章 结论与展望 23

6.1结论 23

6.2 展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

近年来，5G时代的来临，将是信息时代质的变革，它将进一步扩大对智能化，自动化等的要求，以实现万物互联。 这样的背景下，电子设备对于供电技术的安全便利可靠等的要求也在不断攀升。在传统主流的方式仍为有线供电或电池设备的同时，无线能量传输技术无疑是对其很好的补充，丰富。作为研究能量传输途径的重要的一块，它能不通过直接接触，而将能量从供能设备传输到负载设备上。因而也可以在许多特殊的场景使用，例如医用的心脏起搏器等；另外，在当下时兴的新能源电动汽车上应用中也有一席之地。美好的前景，在科技的进步下，变得越发可行，自然引人注目。

无线能量传输主要分为四类，微波辐射和激光传输能量，电磁感应耦合传输能量和电磁谐振传输能量^[1,2,3]。前两个利用远场理论辐射式，传输距离远，但传输效率不高，难度大；而后两个则利用近场理论非辐射式。其中，电磁感应耦合传输能量的传输效率高，且容易实现和应用，但传输距离有限；而在其基础上改进的电磁谐振传输能量，在传输距离实现进一步拓展，且具有无方向性、不怕障碍物等特点，所以引起了比较多的关注和研究。而研究影响其传输特性的因素是众多学者的关注点。主要的研究方向包括以下：