基于電磁耦合結(jié)構(gòu)的諧振屏蔽及抗偏移性能研究

吉 莉, 葛富辰, 張 弛, 張 明, 錢步仁, 孫紅軍

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 102249)

1 引言

隨著電動(dòng)汽車充電技術(shù)不斷創(chuàng)新,無線電能傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)有效解決了有線充電方式需要電纜、難以在潮濕環(huán)境下充電等問題,使得電動(dòng)汽車充電更加方便、安全、經(jīng)濟(jì)[1-3]。在無線電能傳輸技術(shù)中,目前應(yīng)用最為廣泛的是電磁諧振式WPT。其本質(zhì)是利用一次回路線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),耦合至二次回路線圈,將電能傳遞給負(fù)載,實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)汽車充電[4]。由于磁場(chǎng)頻率較高,根據(jù)SAE J2954規(guī)定,一般將電動(dòng)汽車無線充電的頻率設(shè)置為85 kHz[5],因此在充電過程中,會(huì)有一部分磁通量由WPT系統(tǒng)泄露到空氣中,在車體周圍產(chǎn)生漏磁場(chǎng),形成的電磁輻射會(huì)對(duì)一些電子設(shè)備以及人體造成不利影響。

根據(jù)國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(the International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection,ICNIRP)制定的標(biāo)準(zhǔn)[6,7],磁感應(yīng)強(qiáng)度的公眾暴露限值是6.25 μT,而我國(guó)對(duì)電磁輻射限值更加嚴(yán)格,即需要小于1.4 μT。并且還在逐步加強(qiáng)管控,因此在電動(dòng)汽車無線充電過程中削弱電磁輻射對(duì)人體的有害影響是一項(xiàng)關(guān)鍵課題。

國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)電磁輻射問題提出了如下解決方法:新西蘭奧克蘭大學(xué)提出基于圓形耦合線圈的鐵氧體屏蔽方法[8-10],將鐵氧體條在線圈表面均勻擺放。由于鐵氧體具有較高的磁導(dǎo)率,可以引導(dǎo)磁通量靠近磁場(chǎng)源,從而減少周圍的泄漏磁場(chǎng)。但是過多的鐵氧體會(huì)降低系統(tǒng)的材料利用率。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院提出一種利用金屬材料屏蔽電磁場(chǎng)的方法[11-13]。金屬材料具有良好的導(dǎo)電性能,暴露在時(shí)變磁場(chǎng)下會(huì)感應(yīng)出電流、產(chǎn)生反向磁場(chǎng),進(jìn)而抵消入射磁場(chǎng),達(dá)到屏蔽的效果。然而金屬屏蔽會(huì)導(dǎo)致線圈自感互感降低、有效串聯(lián)電阻增加。中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了一種有源線圈屏蔽的方法[14-16],通過額外添加一個(gè)電源,主動(dòng)調(diào)節(jié)屏蔽線圈的電流大小,使其產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng),消除泄漏磁場(chǎng)。不過在實(shí)驗(yàn)中使用有源組件,需要同時(shí)對(duì)屏蔽電流的振幅和相位進(jìn)行控制,所以很難通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)有源屏蔽法的缺陷,韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院提出了一種無功諧振屏蔽方法[17-20],該方法沒有使用額外電源,通過WPT系統(tǒng)線圈產(chǎn)生的發(fā)射磁場(chǎng)穿過屏蔽線圈,從而產(chǎn)生一個(gè)屏蔽磁場(chǎng),達(dá)到消磁目的,但是其沒有考慮線圈偏移情況對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

然而,在實(shí)際應(yīng)用中WPT系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)偏移是不可避免的,容易出現(xiàn)橫向、縱向的偏移,造成互感等參數(shù)改變、傳輸效率下降、穩(wěn)定性降低等問題[21,22]。從當(dāng)前的研究成果來看,大部分的磁屏蔽方法僅單一地考慮了消磁效果,忽略了耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移性能。如何在滿足漏磁屏蔽的條件下,提高耦合線圈的抗偏移性能成為研究課題的關(guān)鍵。

本文將諧振屏蔽法運(yùn)用在圓形線圈上,在達(dá)到減弱泄漏磁場(chǎng)目的的同時(shí),對(duì)圓形屏蔽線圈進(jìn)行分析設(shè)計(jì),提高了線圈的抗偏移性能。具體而言,本文以WPT系統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,首先建立了系統(tǒng)的等效電路模型,推導(dǎo)出存在屏蔽線圈時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率,并對(duì)諧振屏蔽的原理進(jìn)行理論分析。主要通過屏蔽線圈的匝間距設(shè)計(jì)提升磁場(chǎng)均勻度,加強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)抗偏移性能。然后采用Comsol軟件進(jìn)行有限元分析,以屏蔽線圈的匝數(shù)及位置、屏蔽電流為變量,設(shè)計(jì)了一套電磁屏蔽裝置,同時(shí)與仿真對(duì)比,證明該裝置具有良好屏蔽效果的同時(shí),提高了耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移性能。最后搭建了WPT系統(tǒng),通過LCR分析儀成功驗(yàn)證了屏蔽的有效性。

2 WPT諧振屏蔽及抗偏移研究

圖1是一個(gè)利用戴維寧定理進(jìn)行化簡(jiǎn)的具有屏蔽線圈的無線充電系統(tǒng)等效電路圖。發(fā)射側(cè)電路由等效的交流電壓源U、發(fā)射補(bǔ)償電容Ct、發(fā)射線圈自感Lt以及內(nèi)阻Rt組成;接收側(cè)電路由等效負(fù)載R、接收補(bǔ)償電容Cr、接收線圈自感Lr以及內(nèi)阻Rr組成;屏蔽側(cè)電路由屏蔽線圈自感Lsh、屏蔽線圈內(nèi)阻Rsh、屏蔽線圈的補(bǔ)償電容Csh構(gòu)成。圖1中Mtsh為發(fā)射線圈與屏蔽線圈的互感;Mtr為發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感;Mrsh為接收線圈和屏蔽線圈間的互感。

圖1 帶有屏蔽線圈簡(jiǎn)化無線充電系統(tǒng)等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of simplified wireless charging system with shielded coil

將流過發(fā)射線圈、接收線圈、屏蔽線圈的電流分別定義為It、Ir、Ish,由基爾霍夫電壓定律可得:

(1)

(2)

(3)

式中,ω為角頻率,并且ω=2πf。當(dāng)1/(jωCt)+(jωLt)=1/(jωCr)+jωLr=1/(jωCsh)+jωLsh=0時(shí),系統(tǒng)發(fā)生諧振,對(duì)式(1)～式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,由此可以推導(dǎo)出發(fā)射電流It、接收電流Ir、以及屏蔽電流Ish如式(4)～式(6)所示。

(4)

(5)

(6)

(7)

本文提出的諧振屏蔽是以泄漏磁場(chǎng)為來源產(chǎn)生屏蔽磁場(chǎng)達(dá)到磁屏蔽目的。與主動(dòng)屏蔽、非諧振屏蔽、金屬屏蔽等屏蔽方式相比,諧振屏蔽通過調(diào)節(jié)屏蔽線圈上的匹配電容控制屏蔽線圈電流的參數(shù),進(jìn)而控制屏蔽磁場(chǎng)的大小和方向。

圖2是由諧振屏蔽法產(chǎn)生的磁場(chǎng)截面圖。在無屏蔽措施的條件下,耦合線圈周圍空間的磁場(chǎng)由圖2中帶有箭頭的實(shí)線表示,它是由發(fā)射線圈和接收線圈決定的。將屏蔽線圈放置在與收、發(fā)線圈同一水平高度位置處,當(dāng)耦合線圈的磁場(chǎng)穿過屏蔽線圈時(shí),產(chǎn)生的屏蔽磁場(chǎng)受匹配電容調(diào)節(jié)與發(fā)射磁場(chǎng)方向相反,如圖2中帶箭頭的虛線部分所示,對(duì)區(qū)域內(nèi)的泄漏磁場(chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用。

圖2 諧振屏蔽概念圖Fig.2 Concept diagram of resonance shielding

根據(jù)電磁感應(yīng)原理,回路完整屏蔽線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Vsh如式(8)所示。

(8)

式中,φ為穿過屏蔽線圈的磁通量;S為屏蔽線圈的回路面積;Bt為發(fā)射線圈產(chǎn)生的發(fā)射磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

調(diào)節(jié)電容器匹配,令屏蔽線圈的電流與發(fā)射線圈的電流相位相反,屏蔽電流Ish如式(9)所示。由電生磁原理,屏蔽電流產(chǎn)生的屏蔽磁場(chǎng)如式(10)所示。

(9)

(10)

式中,μ0為真空磁導(dǎo)率;Idl為電流微元;y為空間任意一點(diǎn)到導(dǎo)線的距離模長(zhǎng);Bsh為屏蔽磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度;ay為y的單位矢量。

由于屏蔽回路阻抗是決定屏蔽性能的關(guān)鍵因素,所以用屏蔽電容來確定屏蔽回路的工作狀態(tài)。當(dāng)屏蔽回路的電容大于電感,回路處于容性狀態(tài)時(shí),式(9)變?yōu)槭?11):

(11)

式中,Ceq為屏蔽回路的等效電容,由于Rsh為屏蔽線圈內(nèi)阻,其阻值太小,故可以忽略不計(jì)[23]。

由式(11)可以看出屏蔽電流與原電流具有相同的相位,繼而屏蔽磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相位也相同,所以該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到加強(qiáng)漏磁的作用。

當(dāng)回路的電感大于電容,屏蔽回路呈現(xiàn)感性狀態(tài)時(shí),式(9)變?yōu)槭?12):

(12)

式中,Leq為屏蔽回路的等效電感,內(nèi)阻Rsh忽略不計(jì)。由式(12)看出屏蔽電流與原電流相位相反,使得屏蔽磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相位也相反,因此該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到屏蔽作用。

將屏蔽電感與屏蔽電容等效為式(13)中的等效電感Leq,計(jì)算得屏蔽磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bsh如式(14)所示,r1～rN表示N匝屏蔽線圈的半徑。

(13)

(14)

由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B是矢量,滿足疊加定理,為實(shí)現(xiàn)耦合結(jié)構(gòu)功率傳遞最大化,It與Ir的相位差是90°。如圖3所示,無屏蔽條件下的總磁場(chǎng)可以表示為發(fā)射磁場(chǎng)與接收磁場(chǎng)的矢量和,如式(15)所示。

圖3 無屏蔽線圈的總磁場(chǎng)Fig.3 Total magnetic field of unshielded coil

Bov1=Bt+Br

(15)

式中,Bov1為無屏蔽的耦合結(jié)構(gòu)總磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度;Br為接收磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

在耦合結(jié)構(gòu)中添加屏蔽線圈后,WPT系統(tǒng)的總磁場(chǎng)由It、Ir及Ish共同決定,如圖4所示,其中Bov為有屏蔽的耦合結(jié)構(gòu)總磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖4 有屏蔽線圈的總磁場(chǎng)Fig.4 Total magnetic field with shielded coil

對(duì)比圖3和圖4可知,在放置屏蔽線圈情況下,總磁場(chǎng)如下所示。

Bov=Bt+Br+Bsh

(16)

綜合式(14)和式(16)可以得知Bsh與屏蔽電流Ish和屏蔽線圈匝數(shù)N相關(guān)。因此在耦合結(jié)構(gòu)磁屏蔽設(shè)計(jì)上需要重點(diǎn)對(duì)Ish和N進(jìn)行分析。在滿足磁屏蔽要求下,為提高耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移能力,本文通過設(shè)計(jì)屏蔽線圈的匝間距離,平衡耦合結(jié)構(gòu)的中間部分與邊緣部分磁感線,提高系統(tǒng)的抗偏移能力。

綜上所述,為了產(chǎn)生最佳屏蔽效果,通過改變屏蔽回路阻抗控制屏蔽電流大小,將其限制在對(duì)耦合結(jié)構(gòu)周圍的磁場(chǎng)起屏蔽作用的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)屏蔽線圈匝數(shù)以及其所處位置,令總磁感應(yīng)強(qiáng)度Bov幅值達(dá)到最小,并與鐵氧體屏蔽法進(jìn)行比較,突出諧振屏蔽的有效性。保證在添加屏蔽線圈后能夠有效提升磁場(chǎng)的均勻度,增強(qiáng)系統(tǒng)抗偏移性能,這就是本文研究設(shè)計(jì)的磁屏蔽結(jié)構(gòu)。

3 仿真研究

圖5為耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D,其中發(fā)射線圈、接收線圈以及屏蔽線圈皆采用簡(jiǎn)單的圓形線圈,屏蔽線圈設(shè)計(jì)為內(nèi)疏外密的閉合結(jié)構(gòu)。本文設(shè)定接收線圈最大直徑為246 mm,為了便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,對(duì)收發(fā)線圈采用相同的設(shè)計(jì)參數(shù),并將收發(fā)線圈對(duì)稱放置,彼此之間的空氣間隙為100 mm,系統(tǒng)工作頻率為85 kHz。屏蔽線圈設(shè)定為3匝,其線圈半徑分別為140 mm、150 mm、154 mm,放置在發(fā)射線圈周圍。通過控制屏蔽電流、調(diào)節(jié)屏蔽線圈匝數(shù)以及其所處位置,確定最佳諧振屏蔽效果。

圖5 帶有屏蔽線圈的耦合結(jié)構(gòu)模型圖Fig.5 Coupling structure model diagram with shielding coil

3.1 屏蔽電流優(yōu)化仿真

本文實(shí)驗(yàn)通過Comsol有限元仿真軟件進(jìn)行仿真,驗(yàn)證Ish對(duì)屏蔽效果的影響。首先固定3匝屏蔽線圈,通過調(diào)節(jié)Ish控制屏蔽磁場(chǎng),并與無屏蔽時(shí)耦合結(jié)構(gòu)周圍磁場(chǎng)進(jìn)行比較。表1為不同Ish時(shí)觀察點(diǎn)處的總磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

表1 不同屏蔽電流觀察點(diǎn)處的總磁感應(yīng)強(qiáng)度值Tab.1 Total magnetic induction at the observation point at different shielding currents

由于耦合結(jié)構(gòu)周圍漏磁對(duì)人體的危害主要是x、y方向的磁場(chǎng),所以本文設(shè)計(jì)圓形線圈且對(duì)稱放置,y方向與x方向的磁屏蔽完全相同,故只需討論x方向。為了明顯分析對(duì)比,需要選定一個(gè)起始觀察點(diǎn),該位置不宜距離線圈過近,因?yàn)榫€圈所在的位置磁場(chǎng)較大。也不宜離線圈過遠(yuǎn),因?yàn)榇牌帘涡Ч幻黠@。故本文選定空間中x坐標(biāo)為220 mm作為起始觀察點(diǎn),仿真測(cè)量得到不同Ish時(shí)該點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度。

從表1中數(shù)據(jù)可得,當(dāng)沒有添加屏蔽線圈時(shí),耦合結(jié)構(gòu)在該點(diǎn)產(chǎn)生的總磁感應(yīng)強(qiáng)度只受到發(fā)射線圈和接收線圈的磁場(chǎng)影響,其值為5.85 μT,當(dāng)Ish增大到1.4 A時(shí),也就是Ish與It的幅值比為1.4時(shí),觀察點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最小值0.21 μT,計(jì)算出最大屏蔽差值為5.64 μT。

圖6是一條在觀察點(diǎn)處的Bov與Ish幅值的關(guān)系曲線,通過圖6可知當(dāng)Ish由0 A增加到1.4 A,該點(diǎn)的Bov呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。因?yàn)轳詈辖Y(jié)構(gòu)在該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,Ish增大,屏蔽磁場(chǎng)增強(qiáng),由式(15)、式(16)可以推論出總的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)減小。當(dāng)Ish從1.4 A繼續(xù)增大時(shí),Bov呈現(xiàn)增大趨勢(shì),磁場(chǎng)屏蔽效果變差。根據(jù)第2節(jié)分析可知磁感應(yīng)強(qiáng)度B是矢量,當(dāng)Bsh>Bt時(shí),增大Bsh值,總的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bov與Bsh方向相同,幅值增大,因此繼續(xù)增大Ish值,會(huì)使Bsh持續(xù)增大,對(duì)磁場(chǎng)屏蔽造成消極影響。

圖6 觀察點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨屏蔽電流幅值變化曲線圖Fig.6 Variation curve of magnetic induction intensity with shielding current amplitude at observation point

選擇起始觀察點(diǎn)以外的區(qū)域,通過仿真實(shí)驗(yàn),將Ish從0.8 A到1.6 A分別對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值繪制如圖7所示。其中點(diǎn)虛線標(biāo)注的1.4 μT代表國(guó)家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。觀察到Ish等于1.4 A時(shí),曲線數(shù)值較低,且變化較平緩,磁屏蔽達(dá)到最優(yōu)效果。因此在固定其他參數(shù)不變的情況下,Ish與It幅值比為1.4,可以達(dá)到最佳的磁感應(yīng)強(qiáng)度屏蔽效果。

根據(jù)上述仿真結(jié)果,結(jié)合第2節(jié)的理論分析可知Ish是有限定值的,磁場(chǎng)屏蔽效果不會(huì)隨著屏蔽電流的增大呈現(xiàn)單調(diào)增強(qiáng)的趨勢(shì)。由于Bsh與Bt方向相反,Ish較小時(shí)反向的Bsh較弱,可以起到減小Bt的作用,但隨著Ish增大,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)限定值K,使得該電流下的Bsh幅值與Bt幅值相等,方向相反,Bov減小到0。此時(shí),繼續(xù)增大Ish,就會(huì)造成Bsh大于Bt,對(duì)某一點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度起到反向增強(qiáng)的作用。因此當(dāng)Ish小于限定值K時(shí),Ish越大,產(chǎn)生的屏蔽效果就越好,而一旦屏蔽電流Ish超過K時(shí),磁場(chǎng)抵消后會(huì)產(chǎn)生反向電磁場(chǎng),此時(shí)Ish越大,產(chǎn)生的屏蔽效果就越差。

3.2 屏蔽線圈匝數(shù)、位置優(yōu)化仿真

通過對(duì)屏蔽電流的優(yōu)化分析,固定屏蔽電流Ish為1.4 A,仿真分析不同的屏蔽線圈匝數(shù)N情況下,屏蔽線圈所處不同的z軸高度對(duì)磁屏蔽性能的影響。在線圈匝數(shù)N分別取1、2、3、4條件下,線圈所處不同高度位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值見表2。觀察表2中數(shù)據(jù),可得當(dāng)屏蔽線圈所處z軸高度為0時(shí),也就是屏蔽線圈與發(fā)射線圈處于同一水平高度位置,屏蔽線圈匝數(shù)N為3時(shí),觀察點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小。

表2 不同匝數(shù)、屏蔽線圈位置情況下觀察點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度

將表2中數(shù)據(jù)繪制成圖8,由圖8可知,當(dāng)屏蔽線圈放置在與發(fā)射線圈同一水平高度處且線圈匝數(shù)為3匝時(shí),其產(chǎn)生的磁屏蔽效果最佳,優(yōu)于屏蔽線圈放置在發(fā)射線圈上方5 mm或下方5 mm處產(chǎn)生的磁屏蔽效果。

圖8 不同匝數(shù)、屏蔽線圈位置情況觀察點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖Fig.8 Magnetic induction intensity diagram of observation point under different turns and shielding coil position

結(jié)合圖8和式(14)分析可知,線圈匝數(shù)N對(duì)屏蔽效果的影響與Ish類似,同樣存在一個(gè)閾值,當(dāng)匝數(shù)N達(dá)到該閾值時(shí),將總磁感應(yīng)強(qiáng)度抵消為0,此時(shí),若繼續(xù)增大線圈匝數(shù)N,會(huì)產(chǎn)生反向增強(qiáng)的磁場(chǎng),對(duì)磁屏蔽起消極影響。在本文設(shè)計(jì)中,3匝屏蔽線圈是一個(gè)合適的參數(shù),與1、2匝線圈相比,屏蔽效果更加顯著;與4匝線圈相比,不會(huì)產(chǎn)生反向磁場(chǎng),影響磁屏蔽性能。故確定Ish為1.4 A,屏蔽線圈位置與發(fā)射線圈處于同一水平高度(z=0)、屏蔽線圈匝數(shù)N為3匝,達(dá)到了最佳的屏蔽效果。

3.3 抗偏移優(yōu)化仿真

常態(tài)情況下,很難保證接收線圈與發(fā)射線圈完全對(duì)稱放置,必須考慮到耦合線圈的抗偏移能力。因此本文在屏蔽線圈設(shè)計(jì)上除了消磁目的外,還加強(qiáng)了它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的抗偏移性能。在無屏蔽條件下,控制接收線圈沿x方向水平偏移15 mm、30 mm、45 mm、60 mm,仿真得到其互感值見表3。

表3 無屏蔽情況下偏移互感值Tab.3 Offset mutual inductance without shielding

由于耦合結(jié)構(gòu)的中間部分磁感線較為密集,邊緣位置磁感線較為稀疏,因此將屏蔽線圈設(shè)計(jì)為外層密、內(nèi)層疏的圓形結(jié)構(gòu),當(dāng)接收線圈發(fā)生偏移時(shí),外層密、內(nèi)層疏的屏蔽線圈會(huì)增加邊緣位置磁感線,提升整個(gè)磁場(chǎng)的均勻度,增強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移能力。測(cè)量得添加屏蔽線圈的條件下,接收線圈沿x方向水平偏移15 mm、30 mm、45 mm、60 mm的互感值見表4。

表4 有屏蔽情況下偏移互感值Tab.4 Offset mutual inductance with shielding

對(duì)比分析表3、表4中的數(shù)據(jù)可知,隨著偏移量的增加,整體互感值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì),并且偏移越大,互感值減小越多。這是因?yàn)殡S著接收線圈偏移距離增加,能到達(dá)該線圈的磁感線減少,所以互感值會(huì)降低。當(dāng)在耦合結(jié)構(gòu)中添加外層密、內(nèi)層疏的屏蔽線圈后,增加了邊緣位置磁感線、提升了磁場(chǎng)均勻度。雖然互感值會(huì)略微降低,但是與無屏蔽情況相比,同樣的偏移距離下,互感降低的差值顯然更小。從互感值變化較小這一方面有效說明該屏蔽設(shè)計(jì)令耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移性能提高了6.72%。

綜合上述仿真結(jié)果,本文調(diào)節(jié)屏蔽電流Ish為1.4 A,其與發(fā)射線圈電流之比為1.4。對(duì)屏蔽線圈的匝數(shù)以及其所處的位置做出合理設(shè)計(jì),令線圈匝數(shù)為3匝,且與發(fā)射線圈處于同一水平高度。選擇x=220 mm的觀察點(diǎn)位置為邊界,建立一個(gè)邊長(zhǎng)為440 mm的立方體結(jié)構(gòu)。以該立方體的x、y方向表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比添加屏蔽線圈前后這兩個(gè)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度值的變化情況,如圖9所示。圖9中Bmax為該區(qū)域最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,圖9(a)為無屏蔽線圈時(shí)立體結(jié)構(gòu)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖,圖9(b)為添加屏蔽線圈后的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。根據(jù)圖9中標(biāo)注的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值,可知立體結(jié)構(gòu)表面的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度由5.8 μT降低為2.9 μT。由此可知,在該立方體以外區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值同樣得到了有效降低,證明該屏蔽方法是可行的。

圖9 有、無屏蔽時(shí)立體表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.9 Magnetic induction strength of three-dimensional surface with and without shielding

為了驗(yàn)證諧振屏蔽法的優(yōu)越屏蔽性能,本文在Comsol軟件上搭建了鐵氧體屏蔽模型,與諧振屏蔽做對(duì)比。測(cè)量記錄了x方向區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值(見表5),在觀察點(diǎn)處,無屏蔽情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度值為5.85 μT,從表5中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在添加本文設(shè)計(jì)的屏蔽線圈后,磁感應(yīng)強(qiáng)度值降低為0.21 μT,最大屏蔽量達(dá)到96.41%。而鐵氧體屏蔽法,將磁感應(yīng)強(qiáng)度降低為2.21 μT。其最大屏蔽量為62.22%。與鐵氧體屏蔽相比,本文的諧振屏蔽提高了34.19%的屏蔽性能,突出了該設(shè)計(jì)的屏蔽優(yōu)越性。

表5 兩種屏蔽的磁感應(yīng)強(qiáng)度值Tab.5 Magnetic induction value of two kinds of shielding

4 屏蔽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)屏蔽方法的有效性,搭建頻率為85 kHz的WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并采用諧振屏蔽方法實(shí)現(xiàn)。如圖10為所構(gòu)建WPT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。圖10中直流電源向逆變器供電,逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。傳輸?shù)浇邮站€圈的交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)化為直流電,實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供電。耦合結(jié)構(gòu)中發(fā)射線圈與接收線圈均繞制10匝,內(nèi)、外徑均分別為192 mm、246 mm,將其對(duì)稱放置。屏蔽線圈繞制為3匝,內(nèi)徑為280 mm,外徑為308 mm。為降低對(duì)傳輸效率的影響,所有線圈均采用Litz線繞制[24]。

圖10 WPT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.10 Experimental setup of WPT system

屏蔽線圈的加入勢(shì)必會(huì)對(duì)原耦合結(jié)構(gòu)的傳輸效率產(chǎn)生影響。文中耦合線圈及屏蔽線圈的電氣參數(shù)見表6。結(jié)合式(7)可知在有屏蔽線圈條件下的耦合結(jié)構(gòu)最大傳輸效率達(dá)到了82.2%,而無屏蔽情況下的最大傳輸效率計(jì)算為88.7%。系統(tǒng)的傳輸效率降低,一部分是由于收發(fā)線圈間的互感Mtr減小導(dǎo)致,另一部分則是因?yàn)槠帘尉€圈與接收線圈之間發(fā)生耦合產(chǎn)生損耗。

表6 耦合線圈及屏蔽線圈的電氣參數(shù)Tab.6 Electrical parameters of coupling coil and shielding coil

圖11為有、無屏蔽時(shí)發(fā)射線圈自感測(cè)試裝置,根據(jù)LCR分析儀,在圖11(a)中測(cè)得無屏蔽線圈時(shí)發(fā)射線圈自感為L(zhǎng)t=11.23 μH,在圖11(b)中測(cè)得添加屏蔽線圈后發(fā)射線圈自感Lt降低為9.88 μH。電磁屏蔽技術(shù)可以理解為降低區(qū)域內(nèi)磁感線的疏密程度,而自感值的大小同樣表示磁感線的疏密,因此通過自感值的變化足以反映出磁屏蔽的效果。根據(jù)第2節(jié)的分析可知,在屏蔽線圈周圍產(chǎn)生的屏蔽作用對(duì)耦合結(jié)構(gòu)及其外部區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生影響。所以通過觀測(cè)發(fā)射線圈自感的降低,可以說明該屏蔽設(shè)計(jì)對(duì)耦合線圈的外部區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)屏蔽效果,證明了屏蔽方法的有效性。

圖11 有、無屏蔽時(shí)發(fā)射線圈自感測(cè)試裝置Fig.11 Self inductance test device of transmitting coil with and without shielding

5 結(jié)論

本文介紹了一種諧振屏蔽法并將其運(yùn)用在圓形線圈的設(shè)計(jì)中,從而降低了無線充電過程中耦合結(jié)構(gòu)周圍的漏磁。首先通過分析諧振屏蔽法減弱磁場(chǎng)的原理,建立了等效電路模型,對(duì)傳輸效率做出正確推導(dǎo)。然后確立了屏蔽線圈的優(yōu)化方案并對(duì)提高完整系統(tǒng)的抗偏移性能做出了合理設(shè)計(jì)。最后通過仿真軟件和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了諧振屏蔽法可以達(dá)到96.41%的最大屏蔽量,有效降低目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。與鐵氧體屏蔽對(duì)比,提高了34.19%的屏蔽效果。通過對(duì)屏蔽線圈匝間距的合理設(shè)計(jì),耦合結(jié)構(gòu)抗偏移性能提高了6.72%,證明了該諧振屏蔽理論和設(shè)計(jì)方法的有效性。