CN103098573A - 磁屏装置 - Google Patents

Abstract

一种用于屏蔽ICPT系统的相邻线圈的磁屏装置。一个或多个导体配置成将感生的涡流从磁屏装置表面处分配到表面之下，并因此减小因涡流引起的发热。可采用磁屏装置以通过诸如风力涡轮机的轴等转动耦合装置输送电力。

Description

磁屏装置

技术领域

本发明涉及一种磁屏装置。更特别但不排它地，本发明涉及一种用于屏蔽电感耦合电力传输（ICPT）系统的发射和接收线圈对的磁屏装置。本发明也涉及用于屏蔽邻近的金属物体的屏蔽装置。

背景技术

在ICPT系统中，有时必需在其它发射和接收线圈、电导表面、或敏感电子元件邻近处设有发射和接收线圈。例如，在风力涡轮机中通常采用的多电力和数据发射通道中，期望各通道与相邻通道隔离。传统上，这可利用位于各通道之间的导电板来实现。可能也期望提供屏蔽以避免因周围金属元件造成损耗。

时变磁场在导电材料中发生涡流，涡流作用以抵消所施加的磁场。结果是磁场从导体表面被排斥。在该文献中，这种效应称作“磁屏蔽”或简称为“屏蔽”。

固态导电板提供良好屏蔽，但因两个原因而存在过热缺点：

首先且最重要的是，虽然导电板屏蔽可为物理上厚的，但在ICPT频率上，由于趋肤效应，仅导电板表面将导通电流。这就表示导电片的有效电阻比在直流电中测得的高得多，因此磁屏装置中的电阻损耗可较高。

其次，固态导电板的入射磁场最强的区域将比其它具有较弱入射磁场的区域损耗大。这是因为在具有高入射磁场的区域内，涡流较高。

现有屏蔽装置具有有限灵活性，这是因为它们的屏蔽程度不能容易地根据具体要求而调整。在其它方面一样的条件下，更好的屏蔽对应于更高的损耗，反之亦然，因此有这样一种方法将有用，借助于该方法，屏蔽效果可根据需要的等级（无进一步的）减小或增大，使得在仍获得期望屏蔽等级的同时，将损耗最小化。

期望提供一种磁屏装置，其在避免现有技术的发热问题的同时，提供有效和灵活的屏蔽，或给公众至少提供有用的选择。

发明内容

根据一个示例性实施方式，提供一种磁屏装置，其由一个或多个导体形成，其中，所述磁屏装置具有使用时暴露于入射磁场的表面，其中，所述一个或多个导体朝向所述表面和远离所述表面呈波浪状起伏，以将所述一个或多个导体的位于所述磁屏装置的表面处的部分中所感生的电流分配到所述一个或多个导体的远离所述磁屏装置的所述表面的部分中。

优选地，所述一个或多个导体从距所述表面约一个趋肤深度的深度处到位于所述表面下大于一个趋肤深度之处呈波浪状起伏。所述一个或多个导体优选是长导体，其设置成沿着相对于所述磁屏装置的尺寸而言较长的路径长度分配所述涡流。

所述一个或多个导体优选地在垂直于所述表面的横截面的平面内具有约1至3趋肤深度的平均厚度。所述一个或多个导体优选地由李兹线形成。

所述导体可设置成大体圆形或螺旋形路径，所述磁屏装置可呈盘、半圆形、弯曲片或其它形式。在其它方面一样的条件下，将未暴露于时变磁场的导电元件的总量最小化的形状将具有最强屏蔽效果。导体可为电容性或电感性负载的。

所述磁屏装置设计可用于包括多个发射和接收线圈对的ICPT系统中，其中，借助于这种磁屏装置将各对线圈与各个相邻线圈对屏蔽开。这种设计可特别地适用于风力涡轮机。

通过对例如李兹线的低电阻电线形成屏蔽，磁屏装置的有效电阻与片状金属屏蔽装置相比，可下降10倍或更多，且损耗成比例降低。

附图说明

结合进并构成说明书一部分的附图图示了本发明的实施方式，与上文给定的本发明的概要描述以及下文给定的实施方式的详细描述一起，用于解释本发明原理。

图1示出安装在风力涡轮机的轴上的ICPT系统；

图2示出根据一个实施方式的磁屏装置；

图3示出图2所示的磁屏装置中的导体配置；

图4示出根据另一实施方式的磁屏装置；

图5示意性地示出电容性负载的磁屏装置；

图6示意性地示出电感性负载的磁屏装置；

图7示出用于屏蔽导体一侧的磁屏装置；

图8示出用于屏蔽半圆形线圈的磁屏装置；以及

图9示出呈绕圆筒形金属轴的弯曲片形式的磁屏装置。

具体实施方式

参见图1，ICPT系统的多个发射和接收线圈对1至3安装在风力涡轮机的轴6。在这种应用中，期望具有用于负载承载和冗余的多个通道，并分离电力通道和数据通道。供应至以约100kHz调制的线圈8a至8c的电力可由线圈10a至10c引出，并经由缆线11供应至涡轮机的舱室以驱动变桨距控制机构等。数据也可通过这些线路（link）双向传输。

接收线圈10a至10c安装在安装至轴6的环形E芯9a至9c内部，并相对于静止发射线圈8a至8c和环形E芯7a至7c能转动。当发射线圈8a至8c被激励时，调制磁场产生，其通过芯7a至7c和芯9a至9c大致耦合至相应的接收线圈10a至10c。然而，磁耦合并不完美，且相邻磁场对所产生的磁场可引起干涉。

这种相邻磁场对之间的磁干涉可利用固态金属板屏蔽。然而，固态金属板可产生大量涡流损耗，大量涡流损耗可引起过热并将效率降至多种应用的容许范围之外。在一个实施方式中，磁屏装置4和5可呈由图2所示导体12的一个或多个同心环或者图4所示的螺旋形缠绕导体所形成的盘形式。导体可为李兹线（Litz wire），而非传统磁屏装置中的铜片。如图3所示，李兹线具有这样的配置，使得股线13、14和15朝向磁屏装置表面和远离磁屏装置表面呈波浪状起伏。由于趋肤效应，原理上涡流在磁屏装置的朝向入射磁场定向的表面处感生。趋肤深度16由图3的虚线标示。

在位于表面处的股线13、14和15中所感生的涡流输送到表面之下，由于趋肤效应，所述表面之下感生了低得多的涡流。李兹线典型地配置成，使得电线的各股线在磁屏装置的所述表面处对入射磁场的暴露量大致相同。以此方式，感生的电流在整个磁屏装置中有效分布，以减小磁屏装置的有效电阻。这就通过减小涡流流动通过其中的材料的交流电阻而显著减小了涡流损耗。可以说，这不同于变压器中的叠片，其目的是减小涡流。

趋肤深度可利用以下等式计算：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\π\μ}}_o}}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_{r}f}}\≈503\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_{r}f}}---\left(9\right)$

其中，

δ=以米计的趋肤深度

μ₀＝4π×10^-7H/m

μ_r=介质的相对磁导率

ρ=以Ω·m计的介质的电阻率（对于Cu=1.68×10^-8Ω·m）

f=以Hz计的波频率

如果铝的电阻率为2.8×10^-8Ω·m且其相对磁导率为1，则50Hz频率的趋肤深度由下式给出：

$\mathrm{\δ}=503\sqrt{\frac{2.82\·{10}^{-8}}{1.50}}=11.9\mathrm{mm}$

选择股线半径为约1-3趋肤深度容许磁屏装置紧凑，并高效利用导电材料。

利用图4所示的螺旋线圈而非图2所示的同心线圈来绕磁屏装置分布感生涡流，以减小局部电流密度并因此减小放热。因为电阻损耗随着电流的平方而变化，因此期望在这种情况下，作为入射的时变磁场的结果，电流密度在整个磁屏装置中恒定，使得在具有高磁场强度的某些局部区域内不产生过量损耗。因此，螺旋屏蔽线圈横跨的半径厚度应该比磁场强度高的局部区域宽。

减小磁屏装置中的一个或多个导体的电阻就减小了放热效应，并提高了ICPT系统的总电力传输效率。诸如李兹线的低交流电阻材料是优选的，因为它们具有低损耗并因此产生低热。然而，也可利用容许涡流在表面下分布的其它导体配置。

图5示出一个或多个螺旋形导体18由电容器19负载的实施方式。一般认为，适当调谐的或失调的电容性负载线圈，例如18，可提供强有力的屏蔽效果。可以对磁屏装置进行调谐，以通过将磁屏装置调谐到失调频率而在两个以不同频率操作的线圈之间提供最佳屏蔽。

图6示出一个或多个螺旋形导体20由电感器21电感性负载的实施方式。电感性负载线圈可在付出屏蔽略差的代价下减小损耗。

尽管螺旋形配置相对于金属片而言将降低屏蔽有效性，但对于特定应用而言在生热和屏蔽效果之间进行了折衷。

与单个导电片相比，通过利用由螺旋形绝缘线制成的磁屏装置，磁屏装置中的总损耗减小，这是因为在磁屏装置上电流密度更加均匀。然而，屏蔽效果可稍微降低。

存在磁屏装置可采用的多种形状，且选定的形状将根据耦合配置和/或待屏蔽的磁场形状而定。例如，为了屏蔽承载时变电流的电线22，可使用如图7所示的磁屏装置23。在这种情况下，磁屏装置23可呈李兹线的护垫（mat of Litz wire）形式。通过屏蔽铁氧体磁心，这也可用作有效的“磁通量管（flux conduit）”，从而在拾波器内或其他应用中，在无泄漏情况下将磁通量从一个地方有效地传输到另一地方。

对于像贝壳似的可以对扣的应用（其中导电线圈的两个半部23绕轴接合在一起）而言，可以采用图8所示形式的磁屏装置。通过将各屏蔽电线24的末端与线路25电接合在一起，具有最低入射B磁场的电线将用作返回路径。屏蔽效力与完整圆形屏蔽相比稍微降低，但这种配置在其中端部配合是不可能的地方以较低损耗提供有效屏蔽。

在磁屏装置中使用李兹线以及使用电感性负载和电容性负载的屏蔽线圈，在磁力悬浮列车运输中具有潜在应用，在磁力悬浮列车运输中可通过移动永磁体而提供时变磁场，如专利US5722326和US6758146中所述。在这种情况下，李兹线可替换这些专利中所示的固态铜线圈，由此减小列车电力消耗。

尽管借助于对本发明实施方式的描述例示了本发明，且尽管详细描述了这些实施方式，但本申请人的目的不是局限于或无论如何也不将所附权利要求的保护范围限制于这些细节。本领域技术人员将清楚附加优点和修改例。因此，本发明在更广义上并不受限于具体细节、代表性装置和方法、以及所示出和描述的示例性示例。因此，在不脱离本申请人的一般发明性概念的主旨或范围情况下，可改变这些细节。

Claims (16)

1.一种磁屏装置，其由一个或多个导体形成，其中，所述磁屏装置具有使用时暴露于入射磁场的表面，其中，所述一个或多个导体朝向所述表面和远离所述表面呈波浪状起伏，以将在所述一个或多个导体的位于所述磁屏装置的表面处的部分中所感生的电流分配到所述一个或多个导体的远离所述磁屏装置的所述表面的部分中。

2.如权利要求1所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体从距所述表面约一个趋肤深度的深度处到位于所述表面下大于一个趋肤深度之处呈波浪状起伏。

3.如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体是长导体。

4.如权利要求3所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体设置成沿着相对于所述磁屏装置的尺寸而言较长的路径长度分配所述涡流。

5.如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体在垂直于所述表面的横截面的平面内具有约1至3趋肤深度的平均厚度。

6.如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置，其中，所述导体设置在大体圆形路径内。

7.如权利要求1至5中任一项所述的磁屏装置，其中，所述导体设置在大体螺旋形路径内。

8.如权利要求1至5中任一项所述的磁屏装置，其中，所述导体设置成半圆形。

9.如权利要求1至5中任一项所述的磁屏装置，其中，所述导体设置成弯曲片形式。

10.如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体由李兹线形成。

11.如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体是电容性负载的。

12.如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置，其中，所述一个或多个导体是电感性负载的。

13.如权利要求11或12所述的磁屏装置，其中，所述磁屏装置被调谐以屏蔽以期望频率振荡的磁场。

14.一种如前述权利要求中任一项所述并且呈盘形式的磁屏装置。

15.一种ICPT系统，包括多个发射和接收线圈对，其中，借助于如前述权利要求中任一项所述的磁屏装置将各对线圈与各个相邻线圈对屏蔽开。

16.一种风力涡轮机，其包括如权利要求15所述的ICPT系统。

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