跨高耗介質(zhì)的無線供電技術(shù)及應(yīng)用.pdf

1、近年來無線供電技術(shù)在消費電子、工業(yè)設(shè)備及自動化裝備、醫(yī)療電子和軍事裝備等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無線供電技術(shù)使得電能的傳遞不再受導(dǎo)線的束縛，這給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。雖然現(xiàn)有的無線供電技術(shù)在跨空氣或絕緣體外殼等低損耗介質(zhì)應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能，但絕大部分的技術(shù)方法還不能直接應(yīng)用在跨非鐵磁性高損耗介質(zhì)（如金屬、泥漿、含鹽液體）的場合，會出現(xiàn)無線傳輸效率嚴(yán)重降低，甚至完全被屏蔽的現(xiàn)象。為拓展無線供電的應(yīng)用領(lǐng)域，本文對跨非鐵磁性高損

2、耗介質(zhì)的無線能量傳輸?shù)幕A(chǔ)問題進行了研究，主要工作如下：
　　首先，對三種最常見的無線供電技術(shù)進行了原理分析，其中重點討論了感應(yīng)耦合式和磁共振式無線供電技術(shù)在跨越非鐵磁性高耗介質(zhì)時可能遇到的問題。分析了常見非鐵磁性高耗介質(zhì)的損耗特性，對典型非鐵磁性高耗介質(zhì)對電、磁場和電磁波的屏蔽性能進行了計算對比，得出了相同頻率下非鐵磁性高耗介質(zhì)對低頻磁場的屏蔽性能最弱的結(jié)論，即低頻磁場可以作為跨非鐵磁性高耗介質(zhì)電磁傳輸?shù)氖侄巍?br>　　第二，

3、開展了非鐵磁性高耗介質(zhì)下的無線傳輸實驗。選取了三種典型非鐵磁性高耗介質(zhì)做為研究對象：鹽水（含導(dǎo)電離子）、石墨（含低密度自由電子）、金屬箔（高密度自由電子）。設(shè)計了實驗系統(tǒng)并開展了1MHz~30MHz低頻電場、磁場以及電磁波的傳輸實驗與對比。結(jié)果支持了相同頻率下低頻磁場在非鐵磁性高耗介質(zhì)中傳播衰減最小的結(jié)論，證明了理論分析的正確性。
　　第三，建立了跨非鐵磁性導(dǎo)電金屬介質(zhì)的電磁耦合傳輸模型?？紤]了低頻磁場穿透非鐵磁性高耗介質(zhì)時導(dǎo)電損

4、耗和渦流損耗兩類損耗機制，建立了等效互感耦合電路模型，從而為電路設(shè)計提供了參考模型。采用有限元和實驗兩種方法，對模型的有效性進行了驗證，并獲得了典型的參考數(shù)據(jù)。
　　最后，在所提出的理論指導(dǎo)下，設(shè)計了一套跨非鐵磁性金屬無線能量傳輸系統(tǒng)，并針對低頻條件下初次級線圈阻抗非常低的問題，提出了基于并聯(lián)諧振的驅(qū)動技術(shù)和基于阻抗變換的接收方法，有效地提高了傳輸效率。測試結(jié)果表明：一方面觀測到了非鐵磁性金屬介質(zhì)層的存在導(dǎo)致松耦合結(jié)構(gòu)初次級線圈電

5、感量下降，等效電阻增加，與跨非鐵磁性金屬無線能量傳輸?shù)碾娐纺Ｐ偷贸龅慕Y(jié)果趨勢吻合，驗證了理論模型的有效性；另一方面，本文提出的方法在跨越0.1mm銅箔時仍可保持27.2％的傳輸效率，在跨越0.3mm銅箔時仍可保持2.89％的傳輸效率與同類文獻相比有所提高。
　　本文的主要成果，一方面從理論上解釋了低頻磁場能夠穿透非鐵磁性高耗介質(zhì)的原因，并且進行了相應(yīng)的實驗驗證；另一方面針對極高損耗的介質(zhì)—非鐵磁性金屬，提出一種并聯(lián)諧振和阻抗變換技