基于电磁超材料的无线电能传输系统的有限元数值算法的研究

In the wireless power transmission system, the contradiction between the transfer distance and the transfer efficiency greatly limits the application of the system. It is possible to improve the power transfer efficiency of the wireless power transmission system because the metamaterial can focus the electromagnetic wave. From the previous research, the mechanism of metamaterial in the wireless power transmission system is lack of quantitative analysis. In addition, its simulation needs huge resources and time because of its periodical structure. In order to address the problem, the main researches include the following: 1) improving the traditional finite element method. Combining the finite element method and domain decomposition method, it will analyze the near-field electromagnetic wave accurately and rapidly through applying different boundary conditions in specified subdomain according to the aperiodical structure of the system and periodical structure of the metamaterial. This will provide foundation for the optimal design and the parallel computing in the future. 2) analyzing the focusing characteristics of metamaterial to obtain its relative position in the wireless power transmission system which provides the theoretical basis for the future research work. 3) establishing the experimental platform to verify the above simulation analysis which improve the power transfer efficiency greatly to embroad the application sphear of the system.

在无线电能传输系统中，传输距离和传输效率之间的矛盾极大地限制了系统的应用，而电磁超材料对近场电磁波的平板聚焦特性为解决这一矛盾提供了可能。但是当前对电磁超材料在无线电能传输系统中的作用机理缺乏定量的分析，且由于电磁超材料周期性的结构特点，使其仿真耗费巨大的资源和时间，为了解决这一问题，本项目拟开展以下研究：1）改进传统的有限元算法。对有限元求解域进行分解，根据无线电能传输系统的非周期性结构和电磁超材料的周期性结构特点，在不同区域施加不同的边界条件，从而快速准确地分析系统中的近场电磁波，为实际应用中实现优化设计及并行计算提供基础；2）通过分析电磁超材料对电磁波的聚焦特性，得到其在无线电能传输系统中的相对位置及相对距离关系，对其作用机理进行定量分析，为今后的研究工作提供理论依据；3）建立实验分析平台，对仿真分析结果进行验证，大大提高无线电能传输系统的传输效率，从而拓宽系统的应用范围。

随着人们对智能化生活的需求越来越普及，越来越多的场合需要用到便携式电子设备，因此对电子设备能够快速、安全、方便地进行能量补充成为人们关注的课题。传统的数据线加插头的充电方式会给我们的智能生活带来诸多不便，无线电能传输技术为解决这些麻烦提供了方案。目前基于磁耦合谐振式的无线电能传输技术也被广泛应用于各个领域，但是该技术存在一定的局限性，当传输距离增大时，传输效率会大幅度的下降。当无线电能传输技术应用于智能生活时，这种局限性会更加明显。为了改善这一现象，本项目研究了电磁超材料对无线电能传输性能的影响，利用电磁超材料对电磁波的聚焦特性，提高系统的性能。对无线电能传输系统来说，得到系统的共振频率至关重要，本项目提出了基于有限元算法的快速计算系统共振频率的算法，该算法相比于传统的算法更加快速稳定。传统的电磁超材料结构主要应用于高频领域，例如高指向性天线、军事中的电磁隐身及完美透镜等领域。但在无线电能传输系统中，需要设计低频的电磁超材料结构。本项目设计了几种新型的低频电磁超材料结构，可实现与无线电能传输系统中的发射线圈和接收线圈的共振频率相匹配，达到提高系统性能的效果。为了实现下一步对整个系统的优化设计，本项目还对传统的人工蜂群算法进行了改进，提高了优化速度及优化性能。