基于負(fù)磁超材料增強(qiáng)的無線能量傳輸研究.pdf

1、隨著各類消費(fèi)電子、電動汽車及植入式醫(yī)療傳感器數(shù)量的快速增長，基于近場磁耦合諧振的無線能量傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)因其有傳輸距離適中、效率相對較高及對生物體和環(huán)境影響較小的特點(diǎn)，近年來成為這個(gè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。如何提高能量傳輸效率，并解決效率隨距離增加而呈指數(shù)衰減的問題，是其中的關(guān)鍵點(diǎn)。解決這個(gè)問題，除了提高線圈的品質(zhì)因數(shù)之外，就是對發(fā)射/接收端之間的磁場進(jìn)行調(diào)控，以使更多的能量被傳輸?shù)浇邮斩恕＞哂胸?fù)折

2、射、倏逝波增強(qiáng)、完美透鏡等奇異物理特性的電磁超材料，有望解決這個(gè)電磁場近場調(diào)控的問題。本文主要研究磁導(dǎo)率為負(fù)的電磁超材料在WPT系統(tǒng)中的增強(qiáng)機(jī)制，并對加入不同類型負(fù)磁超材料板的系統(tǒng)傳輸特性規(guī)律進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于不定磁導(dǎo)率超材料板增強(qiáng)的小型化低頻無線能量傳輸系統(tǒng)。
　　本文的主要內(nèi)容如下：
　　首先，本文對典型的基于近場磁諧振式雙線圈WPT系統(tǒng)的電路進(jìn)行了分析，并定義了其系統(tǒng)傳輸效率。通過采用磁偶極子近似模型，對

3、加入負(fù)磁超材料板后的系統(tǒng)互感計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并對該公式近似的約束條件進(jìn)行了數(shù)值仿真與驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)工作在深亞波長狀態(tài)下時(shí)，理論值和仿真結(jié)果符合的很好。
　　其次，本文通過引入互感耦合增強(qiáng)因子ρ，使用多物理場仿真軟件CMOSOL來對加入不同類型負(fù)磁超材料板下諧振線圈互感增強(qiáng)的效果進(jìn)行了數(shù)值分析。對各向同性正定負(fù)磁超材料板的有限尺寸效應(yīng)和損耗效應(yīng)進(jìn)行了總結(jié)，基于光學(xué)變換理論對各向異性正定的負(fù)磁超材料板尺寸壓縮特性進(jìn)行了

4、研究。對不定磁導(dǎo)率超材料板的尺寸變化所造成的ρ的變化規(guī)律及諧振機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)分析。結(jié)果表明，利用不定磁導(dǎo)率超材料板的法布里-佩羅特共振效應(yīng)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以取得更好的增強(qiáng)效果。
　　最后，本文設(shè)計(jì)了一種具有低頻小型化亞波長特點(diǎn)的不定磁導(dǎo)率超材料，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)對照的方法對其電磁參數(shù)進(jìn)行了反演分析。使用三維電磁仿真軟件CST對含有所設(shè)計(jì)不定磁導(dǎo)率超材料板的WPT系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果和測試結(jié)果表