CN105099005B - 一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置 - Google Patents
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Abstract
一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置，所述屏蔽装置由置于无线能量传输系统线圈附近的消磁线圈(30)和与其并联的消磁电容(31)构成。消磁线圈(30)放置在只与发射线圈或接收线圈中的一个线圈发生耦合而与另一个线圈无耦合的零耦合位置，并通过消磁电容(31)，在消磁线圈(30)内感应出与无线能量传输系统的线圈电流方向相反的消磁电流，达到削弱原无线能量传输系统磁场辐射的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置。
背景技术
无线能量传输技术是近几年来学术界和工业界的一个新的研究热点，在医疗卫生、消费电子业、电动汽车等各行业以及军事领域都具有广泛的应用前景。基于该技术的无线充电设备也相继被开发出来，在给消费者带来巨大的便利的同时，无线能量传输系统特别是大功率系统在工作过程中产生的高频电磁场辐射，可能会给过于靠近无线能量传输系统的生物体造成一定的安全问题。为此，该类无线充电设备都会专门设计一定的磁场屏蔽装置，以降低系统周围的辐射强度。
业界最常用的屏蔽措施是采用高电导率的金属板，如铝板，就近安置在无线能量传输系统发射线圈和接收线圈的外表面，系统工作时会在屏蔽板内感生出涡电流，涡流产生的磁场将抵消一部分的磁场，从而实现屏蔽磁场的效果。这种被动屏蔽措施最大的缺点是，屏蔽板的引入会降低原无线能量传输系统收发线圈之间的耦合系数，如果设计不当会大大降低系统的传输效率。CN 104023512 A“无线电能传输系统的漏磁场屏蔽方法”则提出了一种侧向安放的漏磁场屏蔽器，通过检测漏磁场和适当的控制在无源屏蔽线圈产生一定的反向磁场来减弱漏磁场，但是该方案需要引入复杂的电容阵列、开关阵列、磁场探头阵列以及微处理器，大大提高了成本；而且软件控制中需要进行复杂的积分运算，而一般的微处理器是难以胜任的；其最大的缺点在于，侧向安放的磁场屏蔽器阻挡了收发线圈的自由移动路径，这与无线能量传输系统最大的优点—自由便捷相矛盾。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置。本发明磁场屏蔽装置结构简单、成本低廉、对无线能量传输系统本身影响小，同时屏蔽效果较好。
本发明磁场屏蔽装置由置于无线能量传输系统的接收线圈或发射线圈附近的消磁线圈和消磁电容构成。消磁线圈放置在特殊的零耦合位置。消磁线圈并联一个消磁电容。
本发明通过放置在特殊的零耦合位置的消磁线圈，最大限度的降低了消磁线圈对无线能量传输系统的影响；通过并联的消磁电容，将消磁线圈回路的总阻抗补偿至纯容性，在消磁线圈内感应出与无线能量传输系统的线圈电流方向相反的消磁电流，达到削弱原无线能量传输系统磁场辐射的效果。
所述的零耦合位置，是指在该临界位置，消磁线圈只与发射线圈或接收线圈中的一个线圈之间相互耦合，存在互感，而与另一个线圈之间不存在耦合，互感为零。
与消磁线圈耦合的线圈称为待屏蔽线圈，与消磁线圈无耦合的线圈称为非屏蔽线圈。当消磁线圈放置在靠近发射线圈的位置时，发射线圈是待屏蔽线圈，接收线圈是非屏蔽线圈；当消磁线圈安放在靠近接收线圈的位置时，接收线圈是待屏蔽线圈，发射线圈是非屏蔽线圈。根据两平行线圈之间互感随水平方向偏移的一般规律，将消磁线圈在贴近待屏蔽线圈的平面上水平移动，调整消磁线圈与非屏蔽线圈之间的互感。当消磁线圈与非屏蔽线圈之间的互感下降到零时，该位置即为零耦合位置。
所述的消磁电容，其容值必须保证消磁线圈和消磁电容整体呈现容性阻抗，从而在消磁线圈内感应出与无线能量传输系统的线圈电流方向相反的消磁电流。所述的消磁电容，其容值Cc按下式设计：
式中：ω为无线能量传输系统工作频率，Lc为消磁线圈自感，Mc为消磁线圈与邻近的待屏蔽线圈之间的互感，σ为消磁系数。
消磁线圈内可产生σ倍于待屏蔽线圈内的电流大小的消磁电流，Ic＝σI。消磁系数σ越大，消磁效果越好，但是消磁线圈的损耗也随之增加，需根据无线能量传输系统对磁场屏蔽效果的设计要求来取值，一般取σ<3。
设无线能量传输系统工作频率为ω，测量得到消磁线圈内阻为rc，自感为Lc，消磁线圈与邻近的待屏蔽线圈之间的互感为Mc，假设无线能量传输系统正常工作时待屏蔽线圈内电流为I，用j表示基本虚数单位，Zc表示消磁线圈与消磁电容的总阻抗，一般的rc<<Zc，当消磁电容按公式(1)取值时，则消磁电流可表示为：
此时，消磁线圈中感应出的消磁电流，幅值上是待屏蔽线圈中电流幅值的σ倍，相位上与待屏蔽线圈电流相反，同时由于消磁线圈与待屏蔽线圈在空间上相互邻近，根据基本电磁场理论，空间电磁场的磁感应强度与辐射源的安匝数成正比，假设待屏蔽线圈和消磁线圈的匝数分别为Nm和Nc，采用消磁线圈，并采用按所述公式(1)设计的消磁电容，辐射源即待屏蔽线圈的有效安匝数由INm下降至INm-σINc，无线能量传输系统周围的磁场强度也相应下降。
所述消磁线圈既可以设计成只针对一个方向的单边消磁线圈，也可以扩展成针对多个方向的多边结构，或者是全包围结构，对待屏蔽线圈的四边同时进行屏蔽；既可以只针对发射线圈或接收线圈安装在发射侧或接收侧，也可以在发射侧和接收侧两侧均安装。
与现有的无源金属板屏蔽装置相比，本发明具有如下优点：
1.对原无线能量传输系统的传输能力和传输效率的影响较小；
2.消磁线圈中消磁电流的大小可调，即屏蔽能力可调；
3.可根据无线能量传输系统的实际应用场合选择单边消磁线圈、多边消磁线圈以及全方位消磁线圈，设计灵活。
附图说明
图1磁场屏蔽装置结构图；
图2两平行线圈之间互感随水平方向偏移的变化规律示意图；
图3a单边消磁线圈结构俯视图；
图3b全包围消磁线圈结构俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，作为一种实施例的单边消磁线圈安放在无线能量传输系统的发射端。该无线能量传输系统是针对电动汽车无线充电设计的一个典型的3.3kW无线能量传输系统，其工作频率为60kHz，发射线圈10和接收线圈20结构完全相同，采用Lirz线绕制成正方形的盘式结构，最外圈边长为40cm，紧贴放射状磁片以增强发射线圈10和接收线圈20之间的耦合系数，发射线圈10与接收线圈20之间的距离为22cm。实施例单边消磁线圈30由漆包铜线绕成，匝数为4，所测自感大小为10.21uH，消磁电容31采用薄膜电容。消磁线圈30水平放置，紧贴着发射线圈10上表面，消磁线圈30的长边与发射线圈10的线圈平行，消磁线圈30和发射线圈10的相对位置如图3a所示。
在图3a所示的x方向上水平移动消磁线圈30，同时测量消磁线圈30与接收线圈20的互感，得到这两个线圈之间互感随x方向上的水平偏移的变化规律，如图2所示。从而找到互感曲线的过零点即零耦合位置，并将消磁线圈30固定在该零耦合位置。
在消磁系数分别取1.0和取1.6这两种情况下，根据公式：
计算消磁电容容值，分别为491nF和545nF。然后分别把这两个消磁电容并联连接到已经固定在零耦合位置处的消磁线圈30的两端，进行无线能量传输实验。实验过程中，在距离发射线圈中心50cm，60cm，70cm，90cm处设置了4个磁场强度测试点。通过测试采用本发明磁屏蔽装置的4个测试点场强下降的程度来评估本发明屏蔽装置的屏蔽效果。另外还进行了采用铝板屏蔽的对照实验，铝板尺寸为60cm*60cm*1mm，上述所有的无线能量传输实验，均通过调节输入电压将发射线圈电流保持为10A不变。
实验结果如下：采用铝板屏蔽时，在距离发射线圈中心50cm，60cm，70cm，90cm处的磁场分别下降了23.8％，19.0％，20.2％，22.0％；消磁系数为1.0时，在距离发射线圈中心50cm，60cm，70cm，90cm处的磁场分别下降了23.5％，18.4％，18.8％，17.0％；消磁系数为1.6时，在距离发射线圈中心50cm，60cm，70cm，90cm处的磁场分别下降了27.7％，24.1％，23.1％，20.6％。另外，测试了所述各个实验下无线能量传输系统的效率，采用本发明磁屏蔽装置消磁系数分别取1.0和取1.6时，无线能量传输系统的效率比采用铝板屏蔽时分别高出4.2个和2.0个百分点。
Claims (4)
1.一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽装置由消磁线圈(30)和消磁电容(31)构成；所述的消磁线圈(30)置于无线能量传输系统的发射线圈或接收线圈附近；消磁线圈(30)放置在零耦合位置；消磁线圈(30)并联一个消磁电容(31)；所述的零耦合位置，是指在该零耦合位置时，消磁线圈(30)只与发射线圈或接收线圈中的一个线圈之间相互耦合，存在互感，而与另一个线圈之间不存在耦合，互感为零；
所述的消磁电容(31)的取值须保证消磁线圈(30)和消磁电容(31)整体呈现容性阻抗；根据无线能量传输系统的设计需求确定消磁系数σ后，消磁电容(31)的容值Cc按下式设计：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msup>
<mi>&omega;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>M</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>/</mo>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中：ω为无线能量传输系统工作频率，Lc为消磁线圈自感，Mc为消磁线圈与邻近的待屏蔽线圈之间的互感，σ为消磁系数。
2.根据权利要求1所述的磁场屏蔽装置，其特征在于，所述零耦合位置的确定方法是：将消磁线圈(30)在贴近待屏蔽线圈的平面上水平移动，调整消磁线圈(30)的位置，当消磁线圈(30)与非屏蔽线圈之间的互感下降到零时，该位置即为零耦合位置；所述的待屏蔽线圈为与消磁线圈耦合的线圈，所述的非屏蔽线圈为与消磁线圈无耦合的线圈。
3.根据权利要求1所述的磁场屏蔽装置，其特征在于，当匝数为Nc的消磁线圈作用在工作电流为I、匝数为Nm的待屏蔽线圈时，在消磁线圈(30)内感应出幅值为待屏蔽线圈电流幅值σ倍、相位与待屏蔽线圈电流相反的消磁电流，将待屏蔽线圈的有效安匝数由INm降低至INm-σINc，从而削弱无线能量传输系统周围的磁场，σ为消磁系数。
4.根据权利要求1所述的磁场屏蔽装置，其特征在于，所述消磁线圈(30)为只针对一个方向的单边消磁线圈或为针对多个方向的多边消磁线圈或为全包围结构的消磁线圈；所述消磁线圈(30)安装在无线能量传输系统的发射侧或接收侧，或者发射侧和接收侧两侧均安装。
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