摘要
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)实现了电源与负载之间的电气隔离，具有可靠性、安全性、灵活性，适用于多种特殊场合。其中，磁耦合谐振式无线电能传输技术(Magnetically-coupled resonant WPT,MCR-WPT)在传输距离、电能传输效率等方面更有优势，因此对其研究更加普遍与成熟。 磁耦合机构的性能是保证MCR-WPT系统电能传输效率的关键，谐振线圈是其核心部件之一，目前关于谐振线圈参数优化的研究已经较为广泛，然而其温度上升产生的发热情况、热量损耗对系统的影响以及散热优化等方面的研究较少。本文针对谐振线圈发热问题，结合传热学和无线电能传输技术，对系统的电能传输效率进行研究与分析，并提出对系统散热优化的方法。 首先，分析MCR-WPT系统的工作原理和系统结构，基于电路理论推导了四种补偿结构的传输功率以及电能传输效率的表达式。从能量的角度出发，理论推导了高频电源损耗与磁耦合机构损耗表达式。 其次，在有限元分析软件中研究了不同频率条件下，空心铜管和实心铜线的趋肤效应及邻近效应，根据其电流密度分布特性，提出使用空心铜管代替实心铜线。通过单一变量法分析计算空心铜管的结构参数对系统电能传输效率的影响，研究结果表明：空心铜管的表面磁通密度略高于实心铜线，更有利于无线电能传输。 然后，从传热学的角度对磁耦合谐振机构发热情况进行建模分析，在多物理场联合仿真中结合边界条件进行温度场和电磁场的协同计算分析，研究结果表明：系统在不同功率等级条件下，谐振线圈持续工作约10分钟，其表面温度最高升至近500℃，系统的电能传输效率下降8.09%。由此文章提出使用不同的散热优化方式来减弱谐振线圈发热以提高系统电能传输效率。 最后，基于上述理论基础及仿真结果完成无线电能传输实验。在输入功率为740W条件下，对实心铜线和空心铜管在10分钟内的温升情况及电能传输效率进行对比分析，结果表明实心铜线电能传输效率下降5.03%，空心铜管电能传输效率下降3.32%。进一步开展散热优化实验，对空心铜管内部通入空气和变压器油进行主动散热，结果表明该散热方式有效降低系统的温升情况，系统电能传输效率仅下降2.14%和1.23%。
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