CN105932787B - 有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统，包括无线能量传输分系统和有源电磁干扰抑制补偿分系统，有源防干扰抑制发射分系统通过信号采样器对发射能量源信号的采样，兼顾调整无线磁共振能量发射和接收天线进行正常能量传输的前提下，采样能信号经过根据特定环境调整的可调增益的放大器和移相器，使防干扰发射天线产生与特定区域内的电磁干扰相抵消的磁场，达到特定区域中电磁干扰的消除或者高抑制比。本发明的主要技术优势为，增设有多条支路的有源电磁干扰抑制发射分系统，通过多个发射天线和相位调节技术，可实现防干扰天线安装位置灵活设定、自动区域扫描和更高要求的电磁干扰抑制。

Description

有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统

技术领域

本发明属于无线能量传输和电磁兼容领域，具体涉及一种有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统。

背景技术

无线磁共振能量传输是不依赖于有线传输介质，而是依靠发射天线和接收天线之间的共振磁场为能量传输原理的高效充电技术，克服了传统有线充电的诸多弊端：如有线接触火花、插座的种类繁多不通用等，具有广阔的应用和发展前景。随着无线磁共振能量传输技术的发展，尤其针对大功率无线磁共振能量传输系统，发射和接收天线的电磁辐射远远高于国际非电离辐射委员会(ICNIRP)标准，会对发射和接收天线附近的人造成不可逆的伤害，或者对敏感设备形成干扰。此时，电磁兼容就成为不能忽视的问题。

电磁兼容即电磁兼容性，是指在指定的电磁环境中的设备或系统能按照要求完成正常工作，并且设备或者系统本身在正常工作的同时不产生电磁干扰影响于相应电磁环境中其他设备的正常工作。因此，电磁兼容包括两方面的内容：一方面是指电气设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值，不能影响其他电磁系统的工作，即电磁干扰；另一方面是指电气设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的电磁抗扰度，即电磁敏感性。磁共振无线能量传输系统，尤其是大功率磁共振无线能量传输系统，在设计中必须考虑电磁兼容问题。

目前解决电磁干扰问题的技术主要有两种，一种是无源电磁干扰抑制技术，另一种是有源电磁干扰抑制技术。无源电磁干扰抑制技术具有简单、可靠的优点。已有文献公开了一种LED电视应用中的无线能量传输的电磁无源抑制技术[Kim H,Cho J,Ahn S,etal.Suppression of leakage magnetic field from a wireless power transfersystem using ferrimagnetic material and metallic shielding[C]//Electromagnetic Compatibility(EMC),2012IEEE International Symposium on.IEEE,2012:640-645.]，该技术通过将铝板和山字形状的铁氧体置于无线能量收发线圈的后面，使得磁场能量泄露大大减小，到达电磁兼容的目的。该技术在小功率范围内具有较好的电磁兼容特性(文中负载功率小于100W)，但随着负载功率增大，其泄露的电磁场能量变大。而且文中为了获得更好的电磁抑制，引入了铝板做基底材料，降低了系统能量传输的效率。

有源屏蔽技术通常结构复杂、体积笨重，但其抑制干扰能力强，其精度高可控。已有文献公开了一种极低频的电磁泄露有源抑制技术[Buccella C,Feliziani M.ELFmagnetic field mitigation by active shielding[C]//Industrial Electronics,2002.ISIE 2002.Proceedings of the 2002IEEE International Symposium on.IEEE,2002,3:994-998.]，在该技术中，有源抑制装置由场传感器、积分器、高功率放大器和有源线圈组成，其可以产生的抵消磁场强度在-600μT-600μT之间。该技术通过接收天线和场强感应器配合，将干扰磁场转化为微弱的电信号，然后将电信号通过积分器和前置放大器、高功率放大器处理，通过发射天线将电信号转化为磁场信号消除该感应位置的电磁干扰，但该有源抑制装置在场强较强或者特弱的情况下不能使用，并且抑制干扰的线圈明显过大，增加了场强感应天线，使得抑制干扰的线圈复杂化。

申请号为201420287027.9的专利文献公开了“一种无线电能传输系统的漏磁场屏蔽装置”，该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装置的另一侧，通过微处理器控制漏磁场屏蔽器达到电磁泄露屏蔽。该技术的泄露磁场屏蔽装置的位置为固定的，不能选择任意位置放置，并且其漏磁场的屏蔽装置需要通过微处理器等协同工作，大大降低了系统的可靠性。

专利号为US 6564038B1美国专利“Method and Apparatus for SuppressingInterfererence Using Active Sheilding Techniques”公开了一种干扰抑制的有源屏蔽方法和装置，该专利通过一个根振荡器，经过前置和高增益放大器放大后送入移相器，通过射频的感应天线收集泄露的射频信号，经过低噪声放大器来控制相位移动的值，使得屏蔽装置产生固定的180°相位移动，最终到达固定的传输窗里面的电磁屏蔽。该专利仅仅能达到固定的传输窗的电磁抑制，并且该专利的装置需要添加振荡源作为信号，后级必须接入高功率的高增益放大器才能满足特定的电磁兼容特性，且能耗较高。

在磁共振能量传输系统中，通常情况下无源屏蔽系统具有结构简单、廉价和高可靠性的优势，被广泛应用。然而，随着无线磁共振能量传输系统的传输功率的进一步加大，当功率传输容量超过kW量级时，采用传统的无源屏蔽技术后，系统产生的电磁泄露仍然会超过ICNIRP标准。因此，为了达到良好的电磁兼容要求，必须引入额外的措施，使得无线磁共振能量传输系统发射和接收天线之间的电磁泄露满足ICNIRP标准，以保证系统周围的电气设备的正常工作和人体的安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对一种已知频率和信号形式的磁共振无线能量传输的电磁干扰，采用有源电磁干扰抑制补偿方法，实现对无线能量传输系统中特定区域电磁干扰的高抑制比或者消除，达到保护特定区域内的敏感设备和人员的目的。

针对本发明所要解决的问题，本发明提供的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其构成主要包括无线能量传输分系统和有源电磁干扰抑制补偿分系统；所述无线能量传输分系统的构成包括发射端模块、与发射端模块连接的发射天线、接收端模块和与接收端模块连接的接收天线；所述有源电磁干扰抑制补偿分系统的构成，包括信号采样器、可调放大器、移相器和防干扰发射天线，信号采样器的输入端与发射端模块的输出端连接，可调放大器的输入端与信号采样器的输出端连接，输出端与移相器的输入端连接，移相器的输出端与防干扰发射天线的输入端连接，信号采样器将采集到的发射端模块发射出的能量源信号经可调放大器调整放大后，由移相器输送到防干扰发射天线，防干扰发射天线产生与特定区域内的电磁干扰相抵消的磁场，实现对特定区域中的电磁干扰抑制补偿。

在本发明的上述技术方案中，为了对特定区域中的敏感电气设备等进行特别保护，所述有源电磁干扰抑制补偿分系统可设计多条保护支路，多条保护支路可以是并联设置在信号采器后，每条支路分别由可调放大器、移相器和防干扰发射天线构成，也可以是并联设置在可调放大器后，每条支路分别由移相器和防干扰发射天线构成；甚至也可采取上述两种方式同时进行设置。当然，能用一条设置在信号采样器后由可调放大器、移相器和防干扰发射天线构成支路进行保护的，尽量用一条支路进行保护。这样可以使有源电磁干扰抑制补偿分系统结构简单，降低装置成本。

在本发明的上述技术方案中，接收天线和发射天线可以采用线圈结构的天线，特别是在频率不太高的情况下。接收天线和发射天线的设置，最好两线圈平面平行且至少部分平面重叠，最好是对应设置，平面整体重叠，以提高磁共振无线能量传输系统的传输效率。

在本发明的上述技术方案中，所述信号采样器可为耦合器或者不等分功分器，优先选用耦合器作为信号采样器。

在本发明的上述技术方案中，所述可调放大器优先选用可调整增益放大器，以实现可根据特定环境设置进行自动增益补偿。

在本发明的上述技术方案中，优先考虑在发射天线和接收天线能量传输的外侧分别设置铁氧体，以聚集磁场，减小无线能量传输分系统电磁泄露。所述铁氧体可为整体结构的铁氧体，如平板结构的铁氧体；也可为分散设置的块体结构铁氧体。铁氧体为分散设置的块状铁氧体，可以提高铁氧体的散热性能，特别适用于大功率的传输系统。块状铁氧体的块体型状，可以是土字型、山字型等分离块形状。

本发明提供的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，在无线能量传输分系统内，能量信号是通过发射端模块转化为高频振荡信号，经过共振发射天线把能量转化为磁场能量发射出去，经过共振接收天线接收磁场能量，再通过接收模块整流转化可以用于负载的直流能量。在需要保护的敏感设备所在位置的任意特定防干扰区域和无线能量收发系统之间的恰当位置设置有源电磁干扰抑制发射分系统，通过信号采样器对发射能量源信号采样，兼顾调整无线磁共振能量发射和接收天线进行正常能量传输的前提下，采样能信号经过根据特定环境设置可调增益的放大器和移相器输送到防干扰发射天线，产生与特定区域内电磁干扰相消的磁场，达到特定区域中电磁干扰的消除或者高抑制比。

本发明的有源电磁干扰抑制发射分系统可设置多条支路，通过多支路上的移相器的相位扫描或合理设置每条支路上的相位，可以使有源电磁干扰抑制发射分系统在特定区域产生更适宜的相消磁场，以此来达到有源电磁干扰抑制发射分系统自动区域扫描或增加特定区域电磁干扰抑制比的目的。

本发明具有以下十分突出的技术特点和有益的技术效果：

1.本发明通过对发射和接收天线及电磁干扰抑制分系统模块的匹配设计，可以在高效地进行大功率无线能量传输的同时，实现对特定区域的电磁干扰抑制。

2.在没有外加信号源的情况下，能够实现对特定区域电磁干扰抑制的精准控制，克服了传统无源屏蔽技术中存在的随着功率增大所导致的电磁场泄露问题。屏蔽能力强，与现有技术的有源屏蔽相比，没有引入额外的能量信号源，减小了防干扰发射天线的尺寸，大大减小的整机的重量和复杂度，在不需要外加引入传感器的前提下，在一定的范围内可以进行功率的自适应调节。

3.本发明的有源电磁干扰抑制发射分系统可通过增加多条支路，利用分系统中的多个防干扰发射天线和相位调节，可以到达自动区域扫描以及增加防干扰天线安装的灵活性和特定区域电磁干扰抑制比。

附图说明

附图1为本发明基本实施方式的结构示意图。

附图2为附图1实施方式的电路原理图。

附图3为本发明一个实施例的结构示意图，其无线能量传输分系统设计有铁氧体，铁氧体为整体结构的铁氧体。

附图4为本发明另一个实施例的结构示意图，所铁氧体为分散设置块体结构的铁氧体。

附图5为本发明又另一个实施例的结构示意图，其有源电磁干扰抑制发射分系统在信号采样器后并联设计有多条均由可调放大器、移相器和防干扰发射天线构成的支路旁路。

附图6为本发明再另一个实施例的结构示意图，其有源电磁干扰抑制发射分系统在可调放大器后并联设计有多条均由移相器和防干扰发射天线构成的支路旁路。

在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-铁氧体；2-接收天线；3-发射天线；4-接收端模块；5-发射端模块；6-信号采样器；7-可调放大器；8-移相器；9-防干扰发射天线；10-敏感设备；11-电容C_S、C_L；12-电阻Z_L；13-电感L₂；14-电感L₁；15-电感L₃；16-移相器D；17-可调放大器D；18-信号采样器U_S。、

实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，通过实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例的有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统，其结构如附图1所示，构成主要包括无线能量传输分系统和有源电磁干扰抑制补偿分系统，有源电磁干扰抑制补偿分系统放置在需要抑制电磁干扰的区域(例如，设备充电，线圈应置于靠近设备一侧)和无线能量传输区域之间。所述无线能量传输分系统的构成包括发射端模块5、与发射端模块连接的发射天线3、接收端模块4和与接收端模块连接的接收天线2；所述接收天线和发射天线均为线圈结构天线，由N条0.1mm×200的利兹线构成，接收天线和发射天线的线圈平面平行相对设置。所述有源电磁干扰抑制补偿分系统的构成包括信号采样器6、可调放大器7、移相器8和防干扰发射天线9，其中所述信号采样器为耦合器，所述可调放大器为可根据特定环境设置进行自动增益补偿的可调增益放大器，防干扰发射天线为线圈结构天线，由M条0.1mm×200的利兹线绕制构成，其直径小于无线能量传输分系统中的发射天线和接收天线的线圈直径。耦合器输入端与发射端模块的输出端连接，其输出端与可调增益放大器的输入端连接，可调增益放大器的输出端与移相器的输入端连接，移相器的输出端与防干扰发射天线的输入端连接，耦合器将采集到的发射端模块发射出的能量源信号经可调增益放大器调整放大后，由移相器输送到防干扰发射天线，防干扰发射天线产生与特定区域内的电磁干扰相抵消的磁场，实现对特定区域中的电磁干扰抑制补偿。

有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统的电路原理如附图2所示。系统的工作原理为：首先通过调节补偿电容11使得无线能量传输系统处于共振输能正常工作状态(作为补偿电容11中的C_S和C_L可以是串联补偿，也可以是者并联补偿)，同时，有源电磁干扰抑制补偿分系统中作为采样器的耦合器或者功率分配器采集传输的能量信号，经过图号17所示的可调增益的放大器D和图号16所示的移相器D，在保证无线磁共振能量发射和接收线圈进行正常能量传输的前提下，合理调节可调可调增益的放大器D和移相器D，产生特定区域相消的磁场，达到特定区域中电磁干扰的消除或者高抑制比。

实施例2

本实施例的有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统，其结构如附图3所示，与实施例1的结构基本相同，所不同的地方是无线能量传输分系统中的发射天线3的外侧和接收天线2的外侧均设置了整体结构的铁氧体1，以减小无线能量传输分系统的电磁泄露。

实施例3

本实施例的有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统，其结构如附图4所示，与实施例2的结构基本相同，所不同的地方是无线能量传输分系统中的发射天线3外侧和接收天线2所设置的铁氧体1结构。本实施例的铁氧体结构为分散设置的块体结构铁氧体，以提高铁氧体的散热性能，适用于大功率的传输系统。

实施例4

本实施例的有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统，其结构如附图5所示，与实施例2结构基本相同，所不同的地方是有源电磁干扰抑制补偿分系统。本实施例的有源电磁干扰抑制补偿分系统，在耦合器采样器6后并联设置有多条均由可调增益放大器7、移相器8和防干扰发射天线9构成的支路。

实施例5

本实施例的有源电磁干扰抑制补偿的磁共振无线能量传输系统，其结构如附图6所示，与实施例2结构基本相同，所不同的地方是有源电磁干扰抑制补偿分系统。本实施例的有源电磁干扰抑制补偿分系统，在可调增益放大器7后并联设置有多条均由移相器8和防干扰发射天线9构成的支路。

Claims (8)

1.一种有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，包括无线能量传输分系统和有源电磁干扰抑制补偿分系统，所述无线能量传输分系统的构成包括发射端模块(1)、与发射端模块连接的发射天线(3)、接收端模块(4)和与接收端模块连接的接收天线(2)，其特征在于，所述有源电磁干扰抑制补偿分系统的构成包括信号采样器(6)和在信号采样器后并联设置的不少于2条的均由可调放大器(7)、移相器(8)和防干扰发射天线(9)构成的支路，或包括信号采样器(6)，可调放大器(7)和在可调放大器后并联设置的不少于2条的均由移相器(8)和防干扰发射天线(9)构成的支路；所述信号采样器的输入端与发射端模块的输出端连接，可调放大器的输入端与信号采样器的输出端连接，输出端与移相器的输入端连接，移相器的输出端与防干扰发射天线的输入端连接，信号采样器将采集到的发射端模块发射出的能量源信号经可调放大器调整放大后，由移相器输送到防干扰发射天线，防干扰发射天线产生与特定区域内的电磁干扰相抵消的磁场，实现对特定区域中的电磁干扰抑制补偿。

2.根据权利要求1所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，所述接收天线和发射天线可以采用线圈结构的天线。

3.根据权利要求2所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，所述接收天线和发射天线的线圈平面平行且至少部分平面重叠。

4.根据权利要求1或2或3所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，所述信号采样器为耦合器或者不等分功分器。

5.根据权利要求1或2或3所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，所述可调放大器为能根据特定环境设置增益的可调整增益放大器。

6.根据权利要求1或2或3所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，在所述发射天线(3)和接收天线(2)能量传输的外侧分别设置铁氧体(1)，以减小无线能量传输分系统电磁泄露。

7.根据权利要求6所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，所述铁氧体为整体结构的铁氧体。

8.根据权利要求6所述的有源电磁干扰抑制补偿磁共振无线能量传输系统，其特征在于，所述铁氧体为分散设置的块体结构铁氧体。