电磁超材料用于提升无线输电系统的传输效率和屏蔽性能的研究

论文摘要

磁谐振式无线输电技术具有供电距离远、传输效率高等优点,被广泛应用于电动汽车、传感器件、医疗器械和家用电器等领域。本文围绕无线输电系统综合性能提升问题,开展了负磁和近零磁导率超材料的结构设计及其应用研究,通过理论分析、数值模拟和实验验证等方法,研究了超材料在无线输电系统中提升传输效率和降低磁场泄露的性能,从而实现双重功效。论文主要研究内容如下:(1)设计了等效磁导率在13.56MHz时为负值和近零值的方形螺旋谐振环的超材料,利用高频电磁仿真软件建模,通过反演法提取超材料的等效电磁参数,为设计性能优异的负磁和近零磁导率超材料提供技术支撑。(2)搭建了工作频率为13.56MHz的无线输电系统实验装置,研究了负磁导率超材料加载位置和偏移对传输效率的影响,发现负磁超材料与线圈轴对称放置且位于系统中间位置时效率最佳;研究了负磁超材料对于系统不同传输距离时传输效率的变化规律,当传输距离为40cm时,系统的传输效率提升了16.79%。(3)构建了近零磁导率超材料放置在无线输电系统侧面的物理模型并搭建相应的实验系统进行验证,对系统的传输效率和系统屏蔽性能进行了分析。实验测量结果表明,近零磁导率超材料能够降低系统的磁场泄露程度,距离接收线圈25cm处,磁场强度平均衰减率为58.24%;改变与接收线圈之间的距离,发现距离越近屏蔽效果越好,但对系统的传输效率有一定的影响,而距离大于20cm时,对传输效率的影响不明显。(4)研究了加载负磁和近零磁导率超材料对无线输电系统总体性能的影响,结果表明两类超材料的联合使用,既能提升传输效率又能削弱电磁泄露,在传输距离40cm时,负磁超材料居中放置,传输效率提高了12.06%,近零磁导率超材料与发射、接收线圈的距离为25cm时,磁场强度分别降低了62.09%和25.73%。本工作拓展了超材料在MHz波段的电磁特性分析,并成功应用于无线输电技术的电磁屏蔽,有力地提升了系统的综合性能。研究成果为促进磁谐振式无线电能传输技术的实用化,提供了可行的技术解决方案。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 路聪慧

导师: 刘明海

关键词: 无线输电系统,负磁和近零磁导率超材料,提升效率,降低磁场泄露

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,电力工业

单位: 华中科技大学

分类号: TM724;O441

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000571

总页数: 60

文件大小: 3848K

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