【摘 要】
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无线电能传输（WPT）与电磁超材料是本世纪兴起的两项前沿技术,前者被广泛应用于医疗、电动汽车、消费类电子产品等领域,而后者仍处于初步发展阶段。本论文将两者有机结合,围绕磁耦合谐振式无线电能传输系统在米级传输距离时效率低下和电磁泄露问题,开展了电磁超材料用于系统的电磁调控性能研究,主要研究工作和成果包含以下几个方面:1)理论分析了磁耦合谐振式无线电能传输系统常用两线圈结构、四线圈结构的传输特性,阐述
【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）”；
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无线电能传输（WPT）与电磁超材料是本世纪兴起的两项前沿技术,前者被广泛应用于医疗、电动汽车、消费类电子产品等领域,而后者仍处于初步发展阶段。本论文将两者有机结合,围绕磁耦合谐振式无线电能传输系统在米级传输距离时效率低下和电磁泄露问题,开展了电磁超材料用于系统的电磁调控性能研究,主要研究工作和成果包含以下几个方面:1)理论分析了磁耦合谐振式无线电能传输系统常用两线圈结构、四线圈结构的传输特性,阐述了两者之间的转化关系,并探究了四线圈结构系统最大效率传输所需的最优负载匹配问题。同时对比分析了两类基于相对位置改变实现WPT系统最优负载的匹配方式,给出了相应线圈结构自感互感计算方法,仿真与数值计算相互得到印证,解决米级以上无线能量传输时谐振线圈之间互感测量难的问题,能准确预测最终试验结果。2)介绍了电磁超材料宏观表现为聚焦与屏蔽电磁波的内在机理,并给出了电磁超材料的优化设计方案。通过电磁仿真,获得了相对磁导率为﹣1与近零的两种超材料结构参数（3 MHz）,并建立简易无线电能传输系统仿真模型,仿真验证两类电磁超材料的电磁特性。3)对比分析了常用功率放大器的各种性能,分析得到最佳工作状态时E类功率放大器各元件之间的关系式,并通过电路仿真,验证了性能指标。研制了一套3 MHz的功率放大器,能量转换效率达95%,功率输出为100 W。4)搭建了一套中距离无线电能传输系统实验样机,实验表明:加载聚焦型电磁超材料后,传输距离为120 cm时,系统传输效率提升了27%;加载屏蔽电磁超材料之后,磁场强度有明显下降,下降幅度超过40%。当WPT系统发生偏移时,电磁材料能有效增强系统抗偏移能力,且横向偏移时效果更好。上述研究工作表明,加载不同类型的电磁超材料,既可有效提升WPT系统的传输效率,又可兼顾电磁泄露问题,研究成果有助于中等距离WPT系统走向工程实用化。
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