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【6h】

超声无线电能传输系统功率传输特性及功率提升方法研究

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 超声无线电能传输技术国内外研究现状

1.3 论文研究目的及内容

1.4 本章小结

2 超声无线电能传输系统机理分析

2.1 超声无线电能传输系统结构

2.2 超声波在介质中的传播特性

2.3 超声压电换能器的工作原理

2.4 本章小结

3 UPT系统最大功率传输特性研究

3.1 系统整体电路模型

3.2 声波在介质中的传播模型

3.3 最大功率传输特性分析

3.4本章小结

4 基于谐振补偿网络的功率提升方法设计

4.1谐振补偿网络设计基本原理

4.2发射端谐振补偿网络设计

4.3接收端谐振补偿网络设计

4.4系统仿真验证

4.5本章小结

5 系统实验及结果分析

5.1 UPT系统展示

5.2 最大功率传输验证

5.3谐振补偿网络实验验证

5.4本章总结

6 结论与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

C. 作者在攻读学位期间取得的奖励和荣誉

D. 发射端谐振补偿网络对比

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摘要

无线电能传输(WPT,Wireless Power Transfer)技术因其便捷、灵活、安全及环境友好等优点得到了飞速发展,其应用前景获得了广泛关注。感应耦合电能传输(ICPT,Inductively Coupled Power Transfer)技术在WPT领域中发展最为成熟,但其无法透过金属介质进行电能的无线传输,这就限制了WPT技术的应用场合。
  超声无线电能传输(UPT,Ultrasonic Power Transfer)技术开始受到海内外学者重视,因为其可穿透金属介质的特点,主要应用在航天、军工以及航海领域,给工作在密闭金属环境内的电子设备进行供电,如坦克、核装置、装甲车以及潜艇内部的电子仪器等。目前国内对UPT系统的研究非常少,其能量传输机理复杂,难以对系统进行建模,多以实验方式验证UPT技术的可行性,且集中在微小功率的电能传输。因此,本文针对UPT系统工作机理进行研究,主要集中在系统功率传输特性及功率提升方法的探索。本文建立了UPT系统模型,可以较好地模拟系统输出特性,同时提出系统谐振网络补偿方法,可提高系统传输功率且消除系统无功功率。
  本文以UPT系统功率传输为研究重点,主要包括以下内容:
  ①对UPT系统整体结构及工作原理进行了详细分析,集中研究了超声波在介质中的传播特性,以及超声换能器实现声能和电能间转换的工作原理,并通过压电效应及机电类比规律,建立了超声换能器的机电等效模型。
  ②分析了UPT系统的工作机理,建立了系统整体电路模型,把系统非电路部分转换为电路模型,并对系统发射端、传播过程和接收端模型进行了详细的理论推导,获得了UPT系统最大功率传输条件。
  ③针对UPT系统传输功率不足且存在无功功率的问题,提出了系统发射端及接收端谐振网络补偿方法,并对参数的选取进行了推导,分析了每种补偿方式适用范围,实现了系统功率提升、滤波、调谐等功能。
  ④搭建了实验平台验证UPT系统模型及最大功率传输条件的正确性,分析了系统工作频率及负载对输出功率的影响。通过搭建谐振补偿网络来优化系统性能,使系统发射功率及传输效率有所提升。

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