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15 基于COMSOL的无线电能传输建模研究

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    [LV.7]常住居民III

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    灌水之王学生会员会员荣誉会员

    发表于 2017-5-15 20:46:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
    1问题描述及背景介绍
    根据电能传输实现原理可以将无线电能传输分为基于电磁感应原理的无线电能传输技术、通过天线发送和接收原理的电磁波能量传输技术,即 RF无线电波技术、利用电磁场的共振原理的电能传输技术、激光技术、微波技术、基于电场原理的容性非接触电能传输技术这六种无线电能传输技术。无线电能传输实现了电源与用电设备间的电气隔离,具有安全、灵活、可靠等优点,得到了国内外学者的广泛关注。尤其是在2007年麻省理工学院(MIT)发现了磁谐振耦合式无线电能传输技术时将无线电能传输的研究推向了一个崭新的阶段,引起了新一轮研究无线电能传输的热潮。
    在研究无线电能的过程中免不了仿真软件的使用,常通常从两个方面进行仿真,一是电路方面,即通过PSPiceMATLAB等电路仿真软件进行电路验证。二是从磁路方面,通过Maxwell等软件对磁路进行磁场验证。对于一般的研究或许仅仅需要电路仿真就行,但对于特殊磁路的研究往往要两相结合,尤其是在需要进行搭建平台进行试验验证时。
    本案例用COMSOL软件搭建一个无线电能系统,主要通过磁路、电路两个物理场两无线电能传输中的电路仿真与磁路仿真结合起来。先对磁路进行仿真,根据理论设计利用COMSOL来选择线圈线径、线圈匝数及相距距离,同时观察磁场参数,对是否选用磁心做出指导。再添加电路进行仿真验证,是否符合设计要求。此种方式可以集合MATLABMaxwell的功能与一身,方便快捷。
    2应用物理场
    ACDC|磁场
    ACDC|电路
    3几何模型
    4结果图
    右击派生值选择全局计算,选择研究1/1可以对线圈电感,交流电阻以及线圈2的感应电压值进行计算,同时根据以上结果可以对两线圈之间的M值进行求解,在根据自己设计目标对线圈匝数及间距进行修正。本案例无线电能传输系统设计目标为127V输入127V输出接60W灯泡(案例中用270Ω电阻替代),拟采用参数为原边79.15μH,副边158.3μH,互感76.5μH,频率40kHzLCL-S拓扑结构,其中LCL结构具有原边恒流特性。经验证原边为38匝副边为48匝间距12mm时能达到设计要求。线圈1与线圈2的电感以及线圈2电压分别为:7.8244E-5(H)1.5523E-4(H)180.38i
    在计算线圈电感时需要将两个线圈中任意一个线圈激励修改为0否则影响计算结果,因为在同时添加电流激励时由于互感的原因对线圈电感参数具有影响。
    对研究2结果进行处理,右击结果添加一维绘图组,右击一维绘图组添加全局,选择研究2/2,重复以上动作四次,分别修改表达式为外部I vs U1电流电压,以及负载R2电流电压观察输出波形,如图4.14.24.34.4所示。
    4.1 经过器件 外部I vs U1的电流      
      4.2 经过器件 外部I vs U1的电压
    4.3 经过器件 R2的电流         
         4.4 经过器件 R2的电压
    可以看出仿真结果大致满足设计要求,在进行实验验证时可根据以上得出参数进行准备并实验。
    5创新点
    采用一个软件进行了两个软件的工作,当然在本案例中对无线电能传输系统进行了简化,直接加的正弦源激励没有进行工频交流电整流滤波逆变环节,同时也省略了输出整流滤波。但是为一个新的思路,磁场可以对实际实验时线圈的绕制与距离以及是否需要磁芯进行指导,电路可以对设计结果进行验证。往后还可以在其中添加固体传热物理场对系统发热进行仿真模拟。

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