旋转设备的无线电能传输分析开题报告

全文总字数：6973字

1. 研究目的与意义（文献综述）

当今社会，人们的生活越来越离不开电。电能的发展也极大的推动了社会的发展，随着科技和社会的进一步发展，电能作为生活的必需品，也更加收到人们的青睐。传统的电能一般都是通过输电线进行传输，然而随着科技的发展，家庭用电器数目和种类越来越多，所需要的线材也越来越多，供电线不灵活，占用空间大的缺点也就显现出来了，传统电能传输模式限制了现代生活对高效性的追求。同时，在如今的各类用电设备中，旋转设备占据了很大的比重。而旋转设备无法使用输电线进行能量传输，因为旋转工作时，线缆会发生缠绕，进而破坏供电线缆，导致供电中断。传统模式下，旋转设备主要依靠导电滑环进行供电，导电滑环主要采用电刷接触方式供电，如果旋转设备长时间工作，会导致滑环接触表面发生磨损，增大接触电阻，产生局部发热问题，从而导致滑环接触不良甚至脱离，极大降低了旋转设备供电的可靠性，减少滑环的使用寿命，严重可能导致重大事故发生，而如果频繁更换滑环，则会增大成本。为了解决传统供电技术所带来的问题，无线电能传输技术应运而生，由于其非接触，安全可靠的特点，很好的解决的传统接触式传输所带来的限制性问题，在旋转设备的电能传输上有重大意义，逐渐受到关注。

目前，国内外关于无线电能传输技术在旋转用电设备方面的研究较少，只有部分小功率旋转设备供电方面的文章，缺乏足够的理论指导和实验支持，本课题属于一个较新的方向。本课题在此方面开展研究可以推动无线电能传输技术在旋转设备方面应用的研究进程，待此方向无线电能传输技术成熟之后，则可以替代传统导电滑环式供电，应用于需要给旋转设备供电的场合，将会极大地推动旋转设备的无线电能传输技术产品的应用化进程，具有重要的实用价值。

1.1国外研究现状

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的目标与基本内容

本研究旨在设计一套应用于旋转设备的无线供电系统，要求在旋转的工况下，220V,50Hz交流电输入，传输功率达到100W,恒压输出20V-60V的可调电压，且物理的指标要求耦合机构的尺寸为直径6cm;耦合机构气隙为1cm。

研究内容主要包括如下四部分：

（1）熟悉无线能量传输主要组成结构，包括电力电子变换器、补偿拓扑结构、松耦合变压器等；

（2）了解松耦合变压器的工作原理，进一步推导补偿拓扑的存在意义；

（3）完成应用于旋转结构变压器的设计，包括磁芯与绕制方式的选择，并在ANSYS Maxwell中进行仿真，得到参数和屏蔽效果；

（4）搭建完整的无线能量传输系统，完成传输特性分析，进行MATLAB仿真。

2.2拟采用的技术方案及措施

首先进行电路模型搭建

无线供电系统主要由三部分构成，分别是驱动电源部分，磁耦合谐振部分和能量接收部分。驱动电源部分包括输入电源、整流滤波电路、DC-DC变换电路和高频逆变源等，用于将电网的工频交流电转变成磁耦合谐振系统所需要的高频交流电；

磁耦合谐振部分是由原边电能发射线圈和副边电能接收线圈及其配套的谐振电容所构成的谐振体组成，用于将驱动电源部分提供的高频电能转变成磁场能发射到接收端，是实现无线能量传输的关键部分；

能量接收部分由高频整流电路、滤波电路、DC-DC变换器和负载应用电路组成，作用是将接收端接收到的高频交流电转变为负载所需要的电能形式。

先通过对各部分电路的理论推导和分析了解各个参数，掌握每个环节的各个电路参数的变化关系，为电路的相关理论计算提供理论支撑；然后根据条件，并遵循效率优化的原则，设计出电路中的各个参数并进行仿真验证电路的传输特性。

然后进行耦合机构的设计

根据课题要求，需要设计一种用于旋转设备无线供电系统的旋转式耦合机构，必须符合耦合机构的尺寸直径6cm，气隙1cm的尺寸要求，而且必须保证耦合机构工作在旋转状态时耦合性能的稳定性。

分析系统的性能指标要求，明确耦合机构的预期功能，给出原、副边线圈自感和耦合系数的需求值，保证所设计的耦合机构实际参数值满足要求。

第一步先对比不同模型的优劣势，在ANSYS软件中设计耦合机构的模型，然后再对磁芯进行优化，优化遵循轻量化原则，再满足系统要求的屏蔽效果的前提下尽量减少铁氧体磁芯的重量，然后依照小型化原则进行尺寸优化，最后设计出一种高效，可靠，优质的旋转式耦合机构，并给出所涉及的耦合机构详细仿真参数。

最后依据之前设计好的参数，搭建完整的无线能量传输系统，并进行传输特性分析，进行MATLAB仿真验证。

拟定方案如下，具体分为以下几个部分：

第一阶段，搜集资料。这一阶段首先熟悉自己的题目，明确设计的主要目标、内容，查阅相关资料，了解无线能量传输系统的主要组成结构和松耦合变压器的工作原理，学习无线能量传输系统电路模型的建立方法和工作原理，包括模型的基本结构和核心参数的确定等，学习了相关知识后，开始设计研究的方案和技术路线，撰写开题报告。

第二阶段，建立电路模型。在了解了无线能量传输系统的电路模型的基础上着手建立本次研究所要用的模型，包括电力电子变换器的选择，耦合机构的补偿拓扑结构的选择等

第三阶段，确定电路参数，包括逆变源的频率，幅值，内阻，线圈电感，耦合系数，谐振补偿电容等，确定参数后，进行电路仿真，验证参数的可行性。

第四阶段，进行耦合机构的设计，根据系统性能需求，给出线圈自感和耦合系数的需求值，在ANSYS软件中进行设计，首先设计耦合机构的模型，对不同模型的耦合机构进行对比分析，然后进行磁芯、尺寸的优化，最后设计出一种高效可靠的旋转式耦合机构，给出所设计的耦合机构详细的仿真参数。

第五阶段，根据设计的参数，搭建出完整的能量传输系统，分析系统的传输特性，在MATLAB软件中进行仿真。

第六阶段，整理资料，撰写论文。

3. 研究计划与安排

1-2周

熟悉无线能量传输工作原理及电路结构，完成松耦合变压器工作原理分析以及补偿拓扑存在意义

3-6周

4. 参考文献（12篇以上）

[1] r. trevisan and a. costanzo, "a 1-kwcontactless energy transfer system based on a rotary transformer for sealingrollers," in ieee transactions on industrial electronics, vol. 61,no. 11, pp. 6337-6345, nov. 2014.

[2] y. sun, p. x. yan, z. h. wang, and y. y.luan, “the parallel transmission of power anddata with the shared channel for an inductive power transfer system,” ieee trans. power electron., vol. 31, no. 8, pp.5495–5502,aug. 2016

[3] s. ditze, a. endruschat, t. schriefer, a.rosskopf and t. heckel, "inductive power transfer system with a rotarytransformer for contactless energy transfer on rotating applications," 2016ieee international symposium on circuits and systems (iscas), montreal, qc,2016, pp. 1622-1625.