无线电能传输(Wireless power transfer,WPT)是一种不借助线缆传输电能的方式。WPT技术起源于19世纪末的科学家尼古拉·特斯拉,经过了跌宕起伏的发展历程,目前WPT技术已成为能源与信息领域研究的热门课题之一,在WPT原理研究、系统装备、工业应用等方面已经取得了长足的进步,在传输功率、传输效率、电磁兼容与人体安全等问题的研究中取得了一定突破。但是,目前WPT技术主要还处于实验室研究阶段,在传输距离、传输方向等方面依旧不能实现完全代替线缆的作用,和电能实现任意距离、任意方位的终极梦想还有一定距离。出现这种差距的原因之一是对WPT系统空间电磁场的基本物理特性及电量传输规律掌握还不够,有待进一步研究。因此,针对这一问题本文围绕WPT系统传输空间的电磁场计算方法、电磁场时变及分布特性和功率传输机理三个方面进行了研究。主要工作如下:○1提出了计算WPT电磁场的直接细线法和优化方案。第一,提出了一种基于直接求解毕奥萨伐尔定律、适用于WPT系统电磁场及功率流分析的直接细线法。相比于其他细线法,直接细线法是一种以编程求解为目的、计算效率更高、公式表达更为简洁的计算方法。第二,基于图形去噪原理,提出了最大值滤波法联合二维特性选择验证法(2D Feature selected validation,2D-FSV)对线圈分段数进行优化的方案,从而解决了直接细线法的计算效率与精度的矛盾。本文提出的算法与优化方案较好地满足了WPT系统空间电磁场的求解与分析需求,奠定了全文理论计算的基础。○2研究了WPT系统空间电磁场的特性。第一,采用时域法和相量法研究了WPT系统的合成磁场,分析了其大小、方向随空间和时间的变化规律。揭示了合成磁场是非正弦磁场,并应用复数模和瞬时最大值定义了合成磁场的非正弦率(Magnetic field soniual distortion,MFSD),从而实现了对合成磁场非正弦程度的量化分析。揭示并研究了合成磁场的极化特性,发现了合成磁场同时具备线极化、圆极化和椭圆极化的三种极化形式。通过对极化条件和轴比的分析,发现线极化是固有极化特性,仅由WPT系统的几何结构决定。讨论了WPT系统在不同状态下的非正弦特性和极化特性的变化情况,得出合成磁场的非正弦特性与三种极化形式是普遍存在于WPT系统中的,空间磁场分量相位差是导致非正弦和极化特性的直接原因。最后对非正弦特性、极化特性进行了仿真与实验验证,验证了理论分析的正确性。第二,研究了WPT系统的电场,最终获得了WPT系统电场的单分量、线极化、正弦时变的特性。根据感应电场的特点,设计了WPT系统空间电场的测量方法。对WPT系统电磁场特性的研究,揭示了WPT系统电磁场的基本特性,为本文功率流分析奠定了基础,也可以为其他WPT系统电磁场设计与屏蔽提供理论参考。○3研究了WPT系统中的功率传输机理。在复坡印亭矢量的分析中,从有功功率密度和无功功率密度矢量出发,分析功率流的特性。其中有功功率密度矢量始终发端于发射线圈,终止于接收线圈,并且在空间形成了圆筒状的电能传输通道。而无功功率密度则形成了两个独立包裹各自线圈的环形,无功功率在两线圈之间没有流动。讨论了在不同WPT系统状态下有功与无功功率密度矢量的变化规律。发现平均有功功率密度矢量的方向与电流幅值比无关。计算了以接收线圈横截面为大小、靠近接收线圈的圆面上的有功功率,即传输功率,发现传输功率是否存在取决于电流相位差。最后通过仿真验证了理论分析的正确性。对WPT系统的功率流的研究,获得了功率流的基本特性,对WPT系统的分析和设计有一定参考价值,同时也可为其他近场耦合系统的研究提供参考。