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6kW无线电能传输磁耦合器电磁性能研究.pdf

发布:2025-04-24约12.34万字共85页下载文档
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6kW无线电能传输磁耦合器电磁性能研究

摘要

随着无线电能传输技术(WirelessPowerTransfer,WPT)的持续进步,其在安全性、稳

定性以及灵活性方面的诸多优点日益凸显,引起了广泛国内外学术界和工业界的关注与

深入研究。尤其是磁耦合谐振式无线电能传输(MagneticCoupledResonantWirelessPower

Transfer,MCRWPT),由于其在能量传输效率和传输功率上的显著优势,已经成为目前颇

受推崇的无线电能传输手段。该技术在满足远距离、大功率充电的应用需求中,显示出

了巨大的应用前景。

本研究来源于企业的实际技术需求,旨在满足工业自动化引导车(AutomatedGuided

Vehicle,AGV)在无线充电方面的高效率、远距离传输以及设备轻量化的实际应用要求

并且开展了6kW无线电能传输系统中磁耦合器的电磁性能研究。

本文对S-S型MCRWPT系统的磁耦合器进行理论分析。根据磁路理论对磁耦合结

构建立模型,并通过有限元仿真方式对磁耦合器电磁性能参数进行分析,得到磁耦合线

圈电磁参数的变化规律。综合分析了线圈的自感、互感、耦合系数、谐振频率以及结构

布局和所选材料对系统效率的影响,从而实现了磁耦合线圈的高频化、轻量化设计。根

据电磁场的分布强弱优化磁屏蔽形状、厚度以实现电磁屏蔽装置的轻量化。仿真结果表

明在不影响磁耦合器的电磁性能前提下,线圈重量减少了33.36%,磁屏蔽重量减少了

13.76%,电屏蔽铝板减少了26.3%。

对于工作于高频状态下的S-S型MCRWPT系统而言,其中逆变器与整流器在硬开

关模式下操作,存在显著的功率损耗,并伴随着噪声干扰问题。本文对S-S型MCRWPT

系统的零电压开关(ZeroVoltageSwitching,ZVS)进行研究。首先建立等效电路模型对系

统实现ZVS的条件进行分析,其次通过理论分析和公式推导研究S-S型MCRWPT系统

移相调功过程中实现ZVS的要求,得到系统稳定实现ZVS的方法,最后通过电路仿真

验证理论分析的正确性。

搭建了6kWMCRWPT系统实验验证装置,完成系统硬件电路设计,对磁耦合线圈

及电磁屏蔽装置实物进行测量及分析。首先针对磁耦合线圈以及电磁屏蔽装置实物进行

实验测量以及分析。其次,对6kW的MCRWPT系统进行实验,对输出功率和系统效率

进行分析,系统能够达到6kW输出功率、最大系统效率为91.07%。同时磁耦合器重量

大幅降低,线圈重量减少了36.93%,磁屏蔽重量减少了13.76%,电屏蔽铝板重量减少

了25.84%,与仿真结果基本一致并且符合预定目标。再次,进行系统的ZVS电路实验,

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

对比使用本文ZVS控制前后的实验波形,得出本文实现ZVS的控制策略可以在移相调

功过程中保持软开关状态。

关键词:磁耦合器;电磁屏蔽;无线电能传输;软开关

6kW无线电能传输磁耦合器电磁性能研究

Abstract

Withthecontinuousprogressofradioenergytransmissiontechnology,itsmany

advantagesinsecurity,stabilityandflexibilityhavebecomeincreasinglyprominent,whichhas

attractedextensiveattentionandin-depthresearchinacademiaandindustryathomeandabroad.

Inparticular,MagneticCoupledResonantWirelessPowerTransfer(MCRWPT)hasbecomea

popularmeansofwirelesspowertransmissionbecauseofitssignificantadvantage

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