摘 要

随着全球环境问题和能源问题的更加严峻，发展和普及电动汽车等新能源技术对于社会和谐发展变得越来越重要。无线能量传输技术是一种相对较新兴的技术，在智能家居电器，深海作业和电动汽车等领域有广阔的应用前景。无线能量传输技术在应用上的优点有运行安全、设备便捷灵活、维修方便等，使它越来越受到人们的青睐[1]。

文章首先对无线能量传输技术进行简单的介绍，了解他们的大致分类，发展进程和研究现状。然后选择其中一种系统（ICPT）对其基本结构和工作原理进行介绍说明，了解电力电子变换器，补偿网络和松耦合变压器原理。然后采纳s-s补偿拓扑，结合电路理论知识建立初、次级线圈变压器等效模型，计算出输出功率公式和传输效率公式，最后分析公式得出影响系统传输性能的重要因素即耦合系数。再对耦合线圈进行建模分析，利用软件采用有限元分析方法绘制出线圈所产生周围磁场强度分布，了解磁场是如何影响系统传输性能。

影响两线圈互感主要是线圈结构参数（匝间距，导线直径，线圈匝数等），先确定线圈自感数值，再选择不同结构参数为变量，其他参数作为定量，制定不同结构优化仿真方案。利用Maxwell对不同结构线圈进行仿真优化分析，得到多个曲线图进行比较分析。

最后通过分析曲线图总结出相关结论，论证说明所列举的方案。然后讨论文章涉及内容，结合目前无线能量传输系统的实际研究现状，提出本论文内容研究方面的展望。

关键词：无线能量传输；松耦合变压器；线圈优化；有限元仿真

Abstract

As global environmental issues and energy issues become more severe, the development and popularization of new power technologies such as electric vehicles are becoming more and more important for the harmonious development of society. Wireless power transmission technology is a relatively new technology and has broad application prospects in the fields of electric energy, such as smart home appliances, digital devices and electric vehicles. The advantages of wireless energy transmission technology include safe operation, convenient and flexible equipment, and a good user experience, making it more and more attractive to people.[1]

The article begins with a brief introduction to wireless power transmission technology, knowing their general classification, development process and research status. Then selecting one of the systems (ICPT) to introduce its basic structure and working principle, and to understand the principles of power electronic converters, compensation networks and loosely coupled transformers. Then adopting s-s compensation topology, combining circuit theory knowledge to establish the transformer equivalent model, calculate the output power formula and transmission efficiency formula, and finally analyzing the formula to get the important factor affecting the transmission performance of the system, the coupling coefficient. Then, the coupled coil was modeled and analyzed, and the finite element analysis method was used to draw the intensity distribution of the surrounding magnetic field generated by the coil. It was learned how the distribution of the magnetic field affected the transmission performance of the system.
What influences coil coupling coefficient is mainly the coil structure parameters (turning spacing, wire diameter, number of turns, etc.). The self-inductance value of the coil is determined, and different structural parameters are chosen to develop different structural optimization simulation schemes. Finally, using the electromagnetic module (Maxwell) in ANSYS software to simulate and optimize the different magnetic coupling coil structure caused by different values ​​of different variables, then comparing and analyzing several curves.

Finally, the relevant conclusions are concluded through the analysis of the curve diagram, and the proposed scheme is demonstrated. Then, based on the analysis of the content of the article, combined with the actual research situation of the current wireless power transmission system, the content of the paper is looking forward to be improved.

Keywords: wireless energy transmission; loosely coupled transformer; coil optimization; finite element simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 Ⅳ

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 无线电能传输方式 2

1.2.1 电磁感应式 2

1.2.2 磁耦合谐振式 3

1.2.3 微波辐射式 4

1.2.4 无线能量传输技术比较 4

1.3 无线能量传输技术研究相状 5

1.3.1 国内研究现状 5

1.3.2 国外研究现状 6

第2章 电磁感应式无线电能传输系统分析 9

2.1 ICPT系统的基本结构 9

2.2 ICPT系统等效模型分析 10

2.3 本章小结 13

第3章 平面螺旋线圈 14

3.1 平面螺旋线圈基本介绍 14

3.2 圆形平面螺旋电感的计算 14

3.3 平面螺旋线圈的仿真 17

3.4 本章小结 19

第4章 耦合线圈仿真及对比分析 20

4.1 Maxwell软件简介 20

4.2 仿真方案 21

4.3 仿真结果分析 27

4.4 本章小结 28

第五章 结论及展望 29

5.1 结论 29

5.2 展望 29

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

当今社会电能与日常生活息息相关，我们需要着重考虑的话题就是如何高效安全地应用电能。整个电力系统由发电、变电、输电、配电和用电不同部分组成，发电部分各个不同种类发电厂的位置不变，计划发电量在相对时间内比较固定，但是用电设备有地理位置和季节性用电的变化，呈现不确定的变动性，需要输配电网络的配合。目前运用的供电方法大都是将发电厂产出的电能用电缆传输到各电压等级变电所，配电系统再分配电能供给到用电设备。无论是长距离传输电能还是短距离传输电能，大都使用导线作为传输媒介。对于经常移动的用电设备来说，输电导线会带来装配和放置上的麻烦，而且导线容易受环境影响而老化破损，提高触电的几率，既产生安全隐患又影响美观。无线电能传输技术可以将充电导线脱离用电设备和充电器，很好地解决用电缆导线传输的问题。

无线电能传输技术相比于传统输电方式优点主要有如下几点：1、使用方便，供、用电设备可移动，不用随身携带有线充电器，无电气连接直接向移动装置供电；2、操作安全，没有类似滑动接触供电中的直接电气接触外露电线和常见的插头插座电气连接，减少发生接触火花融化绝缘装置和直接触电事故；3、环境适应性强，不受空气杂质、污水、其他化学物质影响，可在无碳积和高辐射性的恶劣环境下正常工作；4、运行可靠，无线电能传输供电系统的供电用电部分隔离开，使用和维护方便，实用性耐用性强。

一方面来看无线传输技术大力发展的社会意义，国家大力提倡节约能源、保护环境，推广电动汽车的使用可以很大程度地减小不可再生能源（化石燃料等）的消耗，降低排放出的污染气体和废物残渣。相关研究机构和汽车生产厂家都在各方面极力促进电动汽车产业的发展，特别是在电动汽车电池蓄能和电池充电这一方面，有很大的改进上升空间。目前电动汽车发展存在的主要问题是单次充电时间较长，充电次数多需要频繁抽插磨损充电插头，在特殊的天气环境下，因输电导线表面破损以及充电接头长期磨损绝缘效果降低，充电接接触，减小了充电时人接触充电装置而触电的几率；同时传输的功率可以增加到很大，相比较充电过程更加快捷。

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