【摘 要】
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随着无人机在灾害救援、环保监测、电力巡检等领域的应用越来越广泛,磁耦合共振式无线充电技术是一种新型的电力输送技术,受到了广泛的重视。但是,目前无人机的定点降落精度不高,且无线充电技术在线圈处于非对准的情况下效率会急剧下降。对此,本文以在保证较高传输效率的前提下拓宽磁耦合谐振式无线充电的能量传输区域为目标,从电路的拓扑结构和能量线圈这两个方面进行研究。具体的研究内容如下:1)研究谐振补偿拓扑。本文以
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随着无人机在灾害救援、环保监测、电力巡检等领域的应用越来越广泛,磁耦合共振式无线充电技术是一种新型的电力输送技术,受到了广泛的重视。但是,目前无人机的定点降落精度不高,且无线充电技术在线圈处于非对准的情况下效率会急剧下降。对此,本文以在保证较高传输效率的前提下拓宽磁耦合谐振式无线充电的能量传输区域为目标,从电路的拓扑结构和能量线圈这两个方面进行研究。具体的研究内容如下:1)研究谐振补偿拓扑。本文以S-S-S和LCC-LCC拓扑为基础,通过将S-S-S拓扑的两边的S用LCC替换掉而得到新式的LCC-S-LCC拓扑。然后论文通过分析S-S-S和LCC-S-LCC的等效电路,证明LCC-S-LCC拓扑在同等耦合系数条件下,其输出功率与传输效率的优越性。最后论文从理论和仿真两个角度,对LCC-S-LCC拓扑的恒流和传输效率等特性进行分析,证明LCC-S-LCC拓扑不仅保留了LCC-LCC谐振补偿拓扑的优点,还提高系统抗偏移特性。2)设计阵列线圈单元。本文为了设计优良的阵列线圈,首先要设计优良的阵列线圈单元。单元的设计要以线圈的重要指标参数:品质因数、等效交流电阻、自感、耦合系数和磁场分布为依据,来研究线圈的线径、形状、匝数、匝间距和尺寸。结合仿真软件Ansys Maxwell设计出最佳的阵列单元。3)设计传输线圈结构。本文利用空间错位重叠排布的方式设计了一种2×2异面重叠的阵列结构。论文通过仿真分析阵列线圈上方的磁场均匀度和各阵列单元之间的耦合系数来确定最佳的重叠区域。各阵列单元的连接方式由传统的独立放置改进为串行连接的方式,将原先的四个谐振电容简化为一个谐振电容。这不仅使得线圈的设计制作变得更加的方便,而且还能改善整个系统因频率分裂现象而引起效率下降的问题。进而使得阵列线圈系统具有更好的抗偏移特性。4)搭建实验平台。本文用氮化镓场效应晶体管（Gallium Nitride Field-effect Transistor,Ga NFET）搭建了全桥电路,用肖特基二极管搭建了全波不可控整流桥,用电子负载模拟电池验证系统传输效率和阵列线圈上方效率均匀性。实测结果表明,充电电流为10A,充电功率为240W时,在重叠阵列上方区域内系统整体传输效率维持在73.5%～78%之间,高于传统的平面阵列线圈结构的60%。
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