随着科技的迅猛发展,无线电能传输技术得到了国内外专家学者的高度关注。该技术的研究和快速推广,将使电能的生产、输送、分配以及使用途径更加多元化、方式更加多样化。由于无线电能传输技术具有灵活性、可靠性和便捷性等诸多优点,在众多领域都出现了应用实例,如电动汽车、智慧家居、便携式电子设备、植入式医疗设备和智能传感器等。然而,随着无线电能传输技术研究的逐步深入,越来越多的问题也随之暴露出来,比如抗偏移性较差、空间自由度较低、带载能力较弱、传输距离较短和电磁安全问题等,极大限制了该技术实用化的发展。因此,本文从无线电能传输技术的磁耦合机构优化设计和电磁超材料等效电路分析两个角度出发,重点研究了谐振线圈抗偏移优化设计、多负载多自由度耦合机构设计、网孔铝板电磁屏蔽问题以及电磁超材料在无线输电系统中的理论研究四个方面,对各自的本征特性、传输性能等科学问题进行了详细的研究,为促进磁耦合无线电能传输技术的发展提供了一些可行的解决方案。本文主要围绕以下几个方面展开研究工作:（1）针对无人机无线输电系统,提出了不等间距平面方形发射线圈,并通过发射线圈空间电磁场分布设计了非等大圆螺旋接收线圈,有效改善了耦合机构的抗偏移性,保证系统传输性能的稳定性。对两线圈无线输电系统补偿拓扑结构进行了对比分析,基于电磁场理论分析了典型结构线圈在充电平面上的磁场分布。并通过三维仿真软件和遗传算法对发射线圈进行了优化设计,重点对发射线圈的各匝边长进行了迭代分析。实验结果表明:相比于等间距发射线圈,优化发射线圈在横向和对角线方向最大偏移条件下,系统传输效率分别提高了32.89%和56.23%。（2）针对无线输电系统负载多样性、多方向性传输需求,设计了一种基于偶极线圈的多负载多自由度耦合机构。为了从理论上论证偶极线圈的优势,对比分析了空芯线圈和偶极线圈等效电路模型。对多负载无线输电系统进行了功效分析,阐述了多自由度无线输电系统电磁理论分析方法。进一步对耦合机构空间电磁分布特性进行了仿真分析,重点研究了正方体发射线圈的绕制方式和电流方向,并对接收线圈进行了优化设计。最后设计实验并进行验证,结果表明:所设计的发射线圈能产生均匀三维空间磁场,并能同时为八个负载供电,当传输距离为30 cm时,传输效率可达60%。（3）针对电动汽车静态无线输电系统电磁安全问题,提出了金属网孔铝板的电磁屏蔽方法,可以在尽量减少对系统传输性能影响的情况下,达到良好的屏蔽效果。从电磁场理论和等效电路模型出发,对金属铝板的电磁屏蔽原理进行了阐述。详细分析了网孔屏蔽铝板的设计方法,通过改变网孔铝板的形态、尺寸、厚度以及加载位置,对比研究了系统传输性能和屏蔽效果的差异。根据网孔铝板屏蔽磁场分布性质,提出了一种非均匀网孔铝板设计方案。最后搭建实验平台并进行了一系列对比实验,实验结果表明:相比于实心铝板,加载网孔铝板的电动汽车无线输电系统的传输效率始终保持在90%以上,相对于无屏蔽铝板的情况,实现中心处磁场最大26 d B的衰减,验证了网孔屏蔽铝板分析和设计的合理性和实用性。（4）针对加载电磁超材料的中距离无线输电系统进行了等效电路分析,很好地解释了负磁超材料用于提升系统传输效率和近零超材料屏蔽功效的工作机理。分别研究了负磁超材料和近零超材料在无线输电系统的阻抗变化和传输特性,并对负磁超材料最优加载位置进行了分析。模拟人体大脑建立了三维仿真模型,验证了近零超材料优异的电磁屏蔽性能,对比研究了不同屏蔽材料电磁场强度大小变化。深入分析了同时加载两类电磁超材料的无线输电系统,实验结果表明:负磁超材料能够提升系统效率最高可达15.7%,近零超材料可减少电磁场泄漏为15.17%。本文从提升抗偏移能力、提高带载能力和自由度、改善电磁环境三方面入手,探究了无线输电系统耦合机构的构思方法,为其他领域的优化方案提供重要借鉴;同时,采用等效电路方法解释加载电磁超材料的无线输电系统工作机理,通过理论、仿真、实验相结合的方法对加载负磁超材料或近零超材料的无线输电系统进行了分析与研究。本文对未来无线电能传输技术的发展有良好的指导意义。