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电磁能量和信息近场耦合系统以交变磁场为传输媒介,实现能量由发送端至接收端的无线供给和信息同步交互,传输过程安全、可靠,灵活度高。根据工作方式,可分为电磁感应耦合和电磁共振耦合,而电磁共振耦合系统可看作收发端工作于共振状态的一种特殊感应耦合系统,其传输距离可达米级,可克服电磁感应耦合仅适合短距离(毫米级)应用缺陷。目前,金属介质对电磁感应耦合传输性能的影响研究较少,未能建立介质影响下的能量传输通道模型,也未能基于介质特性进行电磁感应耦合效率优化设计;电磁共振耦合技术是能量无线传输高新技术,理论和实验研究不够全面,有必要开展电磁共振耦合能量无线传输机理及传输特性方面研究,探讨信息同步加载及反向传输方法,为工程应用奠定理论基础。
本文以电磁能量和信息近场耦合理论及其同步传输技术为研究内容,以引信与武器系统信息交联为应用对象,开展基于电磁感应和电磁共振耦合的能量和信息无线传输理论及传输方法研究。主要内容包括介质对电磁感应耦合系统传输特性的影响及基于介质特性的效率优化设计,电磁共振耦合能量无线传输机理和传输特性及能量传输通道中信息同步加载与反馈原理和方法。
针对感应耦合中,处于耦合磁场中的金属介质表面产生电涡流,对能量和信息传输特性产生影响的问题,提出采用分离式变压器互感模型耦合涡流回路,描述系统传输特性的方法。分析了复合介质及单一介质对系统传输特性的影响,根据介质特性,对系统进行优化设计,利用ANSYS电磁仿真软件,分析了各传输条件下的磁场分布情况。经实验验证,通过在复合介质耦合结构中的初级线圈外围包裹坡莫合金薄层,可将外围磁路束缚在该薄层内,有效减小系统涡流损耗50%左右;单一介质耦合中,缠绕在钛合金管上的初级线圈在5KHz至10KHz激励频率附近工作时,次级可获得最佳感应电压。
对于电磁共振耦合系统的研究,基于互感理论,充分考虑传输系统各回路耦合作用,建立系统电路模型,详细推导回路工作电流及系统传输功率、效率的数学表达式,并在“单发单收”模型研究基础上,建立了“单发双收”系统耦合模型。
基于所建立的电磁共振耦合能量无线传输系统电路模型,结合实验手段研究了回路传输参数对传输性能的影响规律。指出,电磁共振耦合系统能量的高效率、高质量传输并不依赖于大的线圈回路耦合系数;最大功率与最大效率传输工作频率点往往不重合;当收发端距离较近时,功率和效率频响曲线会存在分叉现象,并随着收发端距离的增大,功率频响曲线两个峰值逐渐汇聚成一个,共振频率分叉现象消失,而传输效率频响曲线仅在负载相对于其余回路阻值较大时才出现汇聚现象;探讨了降低负载功率频响曲线尖锐程度方法,指出,通过减小驱动(拾取)线圈与发送(接收)线圈间距离及提高系统共振频率的方法,可以在对传输功率及效率数值影响较小的条件下,实现负载功率频响曲线的钝化。
首次提出基于电磁共振耦合的能量和信息无线同步传输概念,根据电磁共振耦合能量无线传输特性,设计了基于幅度调制和频率调制的两种信息同步加载方案,并采用负载调制技术实现信息的反向传输。根据文中理论及技术方案设计的电磁共振耦合能量和信息无线传输系统,在收发端线圈距离90mm条件下,100μF储能电容可在20ms时间充至12V,信息双向传输正确可靠。实验结果表明,文中电磁共振耦合能量和信息无线同步传输理论正确,技术方案可行,可将该技术应用于大距离条件下的引信与武器系统信息交联中。