基于电磁场耦合模理论的空间无线能量传输技术研究

论文摘要

随着电子电力设备的普及,人们对于生产生活质量要求的日益提高,舍去复杂笨重的传输电缆,实现无线能量的传输成为近年来科研的热点,其中,如何实现高效率、长距离的无线能量传输成为研究中需要解决的首要问题。但是鉴于实际环境中各种复杂因素的影响,电磁波在空间传播的过程中面临严重的能量损耗,高效能量转移几乎不可能。至今国内外在此领域的研究还都处于不成熟的阶段,导致无线能量传输技术目前尚未在人们的日常生活中得以应用。本课题的研究目的是实现短距离内的无线能量转移,研究磁共振情况下电磁场能量的转移情况及影响其作用距离、转移效率的主要因素,同时基于高频结构仿真平台HFSS的分析,提出一个完整的无线能量转移方案。本文研究的主要内容包括以下几个方面:针对共振原理在实际中的应用,包括弹簧共振、LC振荡电路、核磁共振、荧光共振能量转移,分析其大幅度转移能量的原理,借此来分析磁耦合振子共振能量转移的情况。利用耦合模理论分析共振情况下能量在耦合体之间的传导方式,以此为基础来研究自由空间共振散射波的传播情况。利用高频结构仿真软件HFSS对一定结构的共振体的高频电磁场分布进行仿真,分析结构间的能量转移情况,从而研究影响其作用距离及能量转移效率的因素。基于计算机仿真结果,参阅国内外现有的研究成果,初步设计一套实际的无线能量转移模型,对其存在的影响因素进行分析,反复进行局部研究,改进各个部分的参数设置。上述实验成果在仿真阶段已经取得了一定的成果,为有效的设计无线能量转移装置提供了参考,而实际设备的设计目前还处于理论研究阶段,需要做大量的实际研究与测试来完善初步的设计,但已为无线能量传输技术的开发与实际应用提供了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外相关技术发展现状
• 1.3.1 国外无线能量传输发展状况
• 1.3.2 国内无线能量传输的研究现状
• 1.4 无线能量传输在应用中需要解决的问题
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本文组织结构
• 第2章 共振能量转移的应用及原理讨论
• 2.1 引言
• 2.2 常用的无线能量传输方法及其局限性
• 2.3 共振能量转移的应用及分析
• 2.3.1 共振
• 2.3.2 耦合弹簧振子的耦合振荡
• 2.3.3 LC 谐振电路
• 2.3.4 核磁共振现象
• 2.3.5 荧光共振能量转移
• 2.4 电磁场共振能量转移讨论
• 2.5 共振耦合无线能量传输需要解决的问题
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于耦合模理论的共振散射波分析
• 3.1 引言
• 3.2 耦合模理论在传播模式上的应用及分析
• 3.2.1 单个均匀传输线
• 3.2.2 两个无损耗传播模式耦合的普遍分析方法
• 3.2.3 定向耦合模式
• 3.2.4 反向耦合模式
• 3.3 空间耦合模理论在共振磁耦合振子分析上的应用
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于HFSS 的高频电磁场耦合有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 电磁场数值分析的理论基础
• 4.2.1 电磁场的基本方程
• 4.2.2 位函数的微分方程
• 4.2.3 常见边界条件
• 4.3 有限单元法的基本思想
• 4.3.1 物体离散化
• 4.3.2 有限元方法的特点
• 4.3.3 有限单元法求解
• 4.4 有限元分析软件HFSS 简介
• 4.4.1 HFSS 产品介绍
• 4.4.2 HFSS 分析的主要步骤
• 4.5 电磁场有限元仿真分析
• 4.5.1 模型建立及边界的加载
• 4.5.2 同源激励电磁场的叠加仿真结果分析
• 4.5.3 共振能量转移电磁场仿真结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 无线能量转移模型设计及讨论
• 5.1 引言
• 5.2 能量转移形式整体概述
• 5.3 自振耦合线圈的理论模式及初步参数设定
• 5.4 能量传输模型的预计效率及潜在误差分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢