【摘 要】
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磁共振耦合无线电能传输（Magnetic Resonant Coupling Wireless Power Transfer,MRC-WPT）和近场超材料是21世纪的两类前沿技术,在科技界和工业界显示出巨大的发展和应用潜力,成为设备高效、稳定和安全供电的有效解决方案。本文围绕MRC-WPT系统空间能力差、传输效率低和电磁泄露问题,对磁耦合机构和近场超材料的调控机理进行了深入研究,主要的研究工作包括
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“基于新型电力电子器件的高性能充电系统关键技术（2018YFB0106300）,（2018YFB0106304）”；
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磁共振耦合无线电能传输（Magnetic Resonant Coupling Wireless Power Transfer,MRC-WPT）和近场超材料是21世纪的两类前沿技术,在科技界和工业界显示出巨大的发展和应用潜力,成为设备高效、稳定和安全供电的有效解决方案。本文围绕MRC-WPT系统空间能力差、传输效率低和电磁泄露问题,对磁耦合机构和近场超材料的调控机理进行了深入研究,主要的研究工作包括:（1）针对现有多向MRC-WPT系统仅支持单频率设备的供电问题,设计了双频率多向传输的MRC-WPT系统。构建了双频率多向传输系统的等效电路模型,推导了系统的传输效率解析表达式,采用数值分析方法和优化算法对磁耦合机构的物理参量进行优化设计。仿真和实验结果表明了频率为13.56 MHz和27.12 MHz的接收器围绕发射器多方向旋转时,传输效率分别为61.6%和65.4%。（2）针对双频率MRC-WPT系统传输效率低和电磁泄露问题,设计了双频率负磁导率（Dual-Band Mu-Negative,DB-MNG）和零磁导率（Dual-Band Mu-Near-Zero,DB-MNZ）近场超材料。提取了表征双频率近场超材料磁响应特性的等效磁导率曲线,并分析了两类双频近场超材料介入MRC-WPT系统中的效率和漏磁场分布规律。实验结果表明DB-MNG和DB-MNZ近场超材料组合能够提升不同频率系统的传输效率,同时削弱接收器后方的漏磁场。（3）针对目前对MRC-WPT系统充电区域外的磁场调控研究不充分问题,提出了侧置负磁导率（Mu-Negative,MNG）和零磁导率（Mu-Near-Zero,MNZ）近场超材料。通过等效磁导率的表征式建立与单元结构参数的关系,分析了MNG和MNZ近场超材料不同组合对传输效率和漏磁场的影响。结果表明两块侧置MNZ近场超材料板和一块侧置MNG与MNZ近场超材料板组合的系统分别在传输距离小于40 cm和大于40 cm时具有较大的效率提升,且增强了系统周围的电磁安全。（4）针对大功率MRC-WPT系统电磁泄露的问题,提出了矩阵超材料屏蔽板（Matrix Metamaterial Shiled Slab,M-MTMSS）。根据系统的一体化设计思路,建立相应的等效电路模型并对系统效率和磁场分布进行分析。基于多目标优化算法,建立最大传输效率和最小漏磁场的优化模型。仿真和实验证明了所提出的M-MTMSS可以有效地降低MRC-WPT系统85 kHz基波和255 kHz谐波的漏磁场,同时传输效率维持在87.29%以上。本文从磁路优化的角度出发,提出了双频率多向磁耦合机构的设计方案和近场超材料的磁场调控方法,解决不同频率设备充电自由度受限和不兼容问题,并改善MRC-WPT系统的传输效率和电磁安全。本文的研究成果有助于提升MRC-WPT系统整体性能,推动两类技术的进一步应用与发展。
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