CN104023512A - 无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法，采用无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置，包括平行设置的输电端线圈和受电端线圈，漏磁场屏蔽器垂直设置在输电端线圈和受电端线圈的一侧，电气设备和人分别设置在漏磁场屏蔽器的另一侧。本发明方法，解决了无源屏蔽方法中无源屏蔽器在屏蔽能力不可调、屏蔽跟踪性能差的难题。解决了有源屏蔽方法中损耗功率较大、不能形成闭环自动调节屏蔽效果的难题。利用单片机检测无线电能传输系统的漏磁场大小，根据这个漏磁场值通过计算给出无源线圈并联电容组合的投入的多少，动态闭环实现漏磁场的屏蔽功能，有效的减弱了电磁场对周围人体及电气设备的不利影响。

Description

无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法

技术领域

本发明属于无线电能传输及电磁兼容技术领域，具体涉及一种无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法。

背景技术

近几年来，无线电能传输技术得到了快速发展，其应用范围越来越广，其传输能量可以实现非接触式远距离传输，大大扩展了电能传输的应用场合，是一种具有广阔的发展前景的能量传输方式。无线电能传输设备的输电线圈和受电线圈之间产生的漏磁场会引起对周围环境的电磁污染，该污染不可忽视，直接阻碍着无线电能传输技术的发展和应用。目前，针对该电磁辐射污染的抑制方法主要是屏蔽方法，现有的漏磁场屏蔽方法有两种，一是无源屏蔽法，利用无源线圈及器件，依据法拉第电磁感应定律，在线圈中产生反向磁场以达到削弱漏磁场的目的。另外一种是有源屏蔽法，该方法外加高频振荡电源，在线圈中注入高频电流，以产生与漏磁场相反的高频磁场抵消产生的漏磁场。无源屏蔽方法屏蔽效果不会跟踪漏磁场的大小动态屏蔽，其屏蔽能力只与屏蔽器的物理结构有关，一旦屏蔽器制作完成，其屏蔽能力就固定。有源屏蔽方法，虽然能动态跟踪漏磁场大小，实现动态屏蔽，但是需要外加电源，这个外加电源增加了功耗，更加降低了无线电能传输系统的效率，均不属于理想的漏磁场屏蔽方法。本发明提出了一种全新的屏蔽方法，该方法可以动态调节无源屏蔽能力，在只需要单片机功耗能量等级下，实现了大功率漏磁场的动态抑制功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法，解决了无源屏蔽方法屏蔽能力固定、不能动态调节屏蔽能力的问题；也解决了有源屏蔽方法损耗较大的问题。给无线电能传输系统提供了一种全新的智能化的动态无损耗式的漏磁场屏蔽方法。

本发明采用的技术方案是，无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法,采用无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置，其结构为：包括平行设置的输电端线圈和受电端线圈，漏磁场屏蔽器垂直设置在输电端线圈和受电端线圈的一侧，电气设备和人分别设置在漏磁场屏蔽器的另一侧；漏磁场屏蔽器，包括微处理器，微处理器上分别连接有屏蔽效果调节器及无源屏蔽线圈，无源屏蔽线圈内布置有磁场检测阵列；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：设置屏蔽效果调节器中C₁～C_n的n个电容值到微处理器中，n个电容值在k₁,k₂,k₃…k_n开关的组合控制下形成种电容组合；

步骤2：微处理器计算种电容组合与无源屏蔽线圈产生的反向磁场强度值，设组合电容值为C_z，反向磁场强度值通过以下公式计算：

式中：μ₀为真空磁导率其值为4π×10^-7Tm/A，I_ind是感应电流，I_ind通过以下公式计算，

$I_{\mathrm{ind}}=\frac{\frac{d}{\mathrm{dt}}\∫B_{\mathrm{leak}}\mathrm{ds}}{Z_L+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_z}},$

其中，L是积分路径，表示无源屏蔽线圈的长度，dl是源电流的微小线元素，表示电流源指向待求场点的单位向量，B_leak为无线电能传输系统产生的漏磁场，Z_L为无源屏蔽线圈的内阻抗，C_z为屏蔽效果调节器中由k₁,k₂,k₃…k_n控制的电容器组合的电容值；

步骤3：微处理器把种电容组合与反向磁场强度的数据对应关系形成数据查询表；

步骤4：通过磁场检测阵列采集无源屏蔽线圈各个位置上的磁场强度，并送到微处理器中；

步骤5：微处理器对磁场检测阵列所检测得到的磁场强度信号取平均值，得到平均磁场强度；

步骤6：微处理器将平均磁场强度数值与数据库中的数据比对，查询出与此值最接近的磁场强度值所对应的电容投切组合；

步骤7：微处理器根据查询的电容投切组合，发出相应的开关组合命令实现屏蔽效果调节器中开关k₁,k₂,k₃…k_n的开关状态；

步骤8：相应的开关状态使得屏蔽效果调节器形成不同的反向屏蔽磁场，返回步骤3继续进行。

本发明的特点还在于，其中的步骤3具体按照以下步骤实施：电容值组合有 $C_n^1+C_n^2+C_n^3+...+C_n^n$ 种，每种电容值根据公式计算出反向磁场强度，把这个一一对应的关系形成一个列表，并将其存入到微处理器的存储单元中。

本发明的有益效果是，本发明的无线电能传输系统漏磁场屏蔽方法，与一般的无源屏蔽方法相比，解决了无源屏蔽方法中无源屏蔽器在屏蔽能力不可调、屏蔽跟踪性能差的难题。与有源屏蔽方法相比，解决了有源屏蔽方法中损耗功率较大、不能形成闭环自动调节屏蔽效果的难题。本发明的无线电能传输系统漏磁场屏蔽方法利用单片机检测无线电能传输系统的漏磁场大小，根据这个漏磁场值通过计算给出无源线圈并联电容组合的投入的多少，动态闭环实现漏磁场的屏蔽功能，有效的减弱了电磁场对周围人体及电气设备的不利影响。

附图说明

图1是本发明采用的无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置的结构示意图；

图2是本发明采用的无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置中漏磁场屏蔽器的结构示意图。

图中，1.输电端线圈，2.受电端线圈，3.漏磁场屏蔽器，4.电气设备，5.人，6.微处理器，7.屏蔽效果调节器，8.无源屏蔽线圈，9.磁场检测阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法，采用一种无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置，其结构如图1所示，包括平行设置的输电端线圈1和受电端线圈2，漏磁场屏蔽器3垂直设置在上述两个线圈的一侧，电气设备4和人6设置在漏磁场屏蔽器3的另一侧。

输电端线圈1由N条4mm²导线绕制而成，其绕制方式为圆形并且绕制的输电线圈的面积是受电线圈面积的3～4倍以保证能量的有效传输。输电端线圈1的主要作用是将通入该线圈的电能转化成磁场能量，以把该磁场能量传输到另一线圈中，实现无线电能传输。受电端线圈2由N条2mm²的导线进行绕制，其绕制方式为圆形。在位置摆放方面，受电线圈与输电端线圈要保持平行，以达到最大的接收磁场能量。漏磁场屏蔽器3由N条导线绕制而成一般将其安装在能保护人与电气设备的位置上，例如，在电动公交车上，一般在乘客下车的车门处会有无线电能传输线圈，此处的漏磁场强度较大，为了保护人体免受磁场辐射，所以将该屏蔽器安装在此处已达到屏蔽漏磁场。电气设备4，一般指无线电能传输的周围的电气设备，此时可设置屏蔽器将其屏蔽，以保证该电气设备的正常运行。人5，一般指需要保护免受辐射危害的人体。

漏磁场屏蔽器3的结构如图2所示，包括微处理器6、屏蔽效果调节器7、无源屏蔽线圈8及磁场检测阵列9。

微处理器6：采集磁场检测阵列的N个磁场强度信号，把其转化为磁场数值，然后把此数值与数据库中的磁场强度比对，查出相应投入的能够屏蔽漏磁场的电容组合并发出相应的调节开关信号作用到屏蔽效果调节器7上。屏蔽效果调节器7：它是由N组电容与开关串联支路并联而成，接收来自微处理器6的控制命令，控制无源屏蔽线圈产生反磁场以消除漏磁场。无源屏蔽线圈8：其主要采用4mm²导线绕制而成，用来产生反向磁场来抵消漏磁场。磁场检测阵列9：主要由几个磁场检测传感器组成，该传感器均匀的布置在无源屏蔽线圈8中以全面检测屏蔽线圈中的磁场强度信息。

本发明方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设置屏蔽效果调节器7中C₁～C_n的n个电容值到微处理器6中，这n个电容值在k₁,k₂,k₃…k_n开关的组合控制下会形成种电容组合；

步骤2：微处理器6计算种电容组合与无源屏蔽线圈产生的反向磁场强度值，设组合电容值为C_z，反向磁场强度值通过公式(1)计算。

式中：μ₀为真空磁导率其值为4π×10^-7Tm/A，I_ind是感应电流，通过公式(2)计算，L是积分路径，表示无源屏蔽线圈8的长度，dl是源电流的微小线元素，表示电流源指向待求场点的单位向量。

$I_{\mathrm{ind}}=\frac{\frac{d}{\mathrm{dt}}\∫B_{\mathrm{leak}}\mathrm{ds}}{Z_L+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_z}}---\left(2\right)$

式中：B_leak为无线电能传输系统产生的漏磁场，Z_L为无源屏蔽线圈8的内阻抗，C_z为屏蔽效果调节器7中由k₁,k₂,k₃…k_n控制的电容器组合的电容值。

步骤3：微处理器6把种电容组合与反向磁场强度的数据对应关系形成数据查询表。电容值组合有种，每种电容值可以根据公式1计算出反向磁场强度，把这个一一对应的关系形成一个列表，并将其存入到微处理器6的存储单元中；

步骤4：通过磁场检测阵列9采集无源屏蔽线圈8各个位置上的磁场强度，并送到微处理器6中；

步骤5：微处理器6对磁场检测阵列9所检测得到的磁场强度信号取平均值，得到平均磁场强度；

步骤6：微处理器6将平均磁场强度数值与数据库中的数据比对，查询出与此值最接近的磁场强度值所对应的电容投切组合；

步骤7：微处理器6根据查询的电容投切组合，发出相应的开关组合命令实现屏蔽效果调节器7中开关k₁,k₂,k₃…k_n的开关状态；

步骤8：相应的开关状态使得屏蔽效果调节器7形成不同的反向屏蔽磁场，返回于步骤3继续进行。

Claims (2)

1.无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法,其特征在于，采用无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置，其结构为：包括平行设置的输电端线圈(1)和受电端线圈(2)，漏磁场屏蔽器(3)垂直设置在输电端线圈(1)和受电端线圈(2)的一侧，电气设备(4)和人(6)分别设置在漏磁场屏蔽器(3)的另一侧；所述的漏磁场屏蔽器(3)，包括微处理器(6)，微处理器(6)上分别连接有屏蔽效果调节器(7)及无源屏蔽线圈(8)，无源屏蔽线圈(8)内布置有磁场检测阵列(9)；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：设置屏蔽效果调节器(7)中C₁～C_n的n个电容值到微处理器(6)中，n个电容值在k₁,k₂,k₃…k_n开关的组合控制下形成 $C_n^1+C_n^2+C_n^3+...+C_n^n$ 种电容组合；

步骤2：微处理器(6)计算种电容组合与无源屏蔽线圈产生的反向磁场强度值，设组合电容值为C_z，反向磁场强度值通过以下公式计算：

式中：μ₀为真空磁导率其值为4π×10^-7Tm/A，I_ind是感应电流，I_ind通过以下公式计算，

$I_{\mathrm{ind}}=\frac{\frac{d}{\mathrm{dt}}\∫B_{\mathrm{leak}}\mathrm{ds}}{Z_L+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_z}},$

其中，L是积分路径，表示无源屏蔽线圈(8)的长度，dl是源电流的微小线元素，表示电流源指向待求场点的单位向量，B_leak为无线电能传输系统产生的漏磁场，Z_L为无源屏蔽线圈(8)的内阻抗，C_z为屏蔽效果调节器(7)中由k₁,k₂,k₃…k_n控制的电容器组合的电容值；

步骤3：微处理器(6)把种电容组合与反向磁场强度的数据对应关系形成数据查询表；

步骤4：通过磁场检测阵列(9)采集无源屏蔽线圈(8)各个位置上的磁场强度，并送到微处理器(6)中；

步骤5：微处理器(6)对磁场检测阵列(9)所检测得到的磁场强度信号取平均值，得到平均磁场强度；

步骤6：微处理器(6)将平均磁场强度数值与数据库中的数据比对，查询出与此值最接近的磁场强度值所对应的电容投切组合；

步骤7：微处理器(6)根据查询的电容投切组合，发出相应的开关组合命令实现屏蔽效果调节器(7)中开关k₁,k₂,k₃…k_n的开关状态；

步骤8：相应的开关状态使得屏蔽效果调节器(7)形成不同的反向屏蔽磁场，返回步骤3继续进行。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法,其特征在于，所述的步骤3具体按照以下步骤实施：电容值组合有 $C_n^1+C_n^2+C_n^3+...+C_n^n$ 种，每种电容值根据公式计算出反向磁场强度，把这个一一对应的关系形成一个列表，并将其存入到微处理器(6)的存储单元中。