CN108565984A - 一种无线电能传输装置 - Google Patents

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乔天辰
杨喜军
唐厚君
刘鑫
王天风
张欢
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Abstract

本发明公开一种无线电能传输装置。无线电能传输装置包括：发射线圈、接收线圈和磁场屏蔽板，磁场屏蔽板为磁导率小于设定阈值的超材料平板；发射线圈用于将供电装置提供的电能转化为磁场能并发射磁场能；接收线圈对应发射线圈设置，且与发射线圈耦合连接，接收线圈用于接收发射线圈发射的磁场能，并将磁场能转换为电能以便给受电装置供电；磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板和接收端屏蔽板中至少一者，发射端屏蔽板对应设置在发射线圈的远离接收线圈的一侧，接收端屏蔽板对应设置在接收线圈的远离发射线圈的一侧。本发明提供的装置能够显著地削弱发射线圈和接收线圈外侧的电磁场强度，从而有效限制无线输电过程中强磁场的分布范围。

Description

一种无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别是涉及一种无线电能传输装置。
背景技术
传统的电能传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电能传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井、水中、植入式医疗设备等。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容，其中线圈电磁设计尤为重要。
目前，中短距离无线输电大多采用近场磁耦合方式，然而，随着传输功率的提升，原副边线圈电流也急剧增加，由此产生的强磁场暴露问题不可忽视。无线输电系统产生的高频强磁场会在无线输电系统附近的金属异物上产生涡电流进而引起发热，存在极大的安全隐患；同时，高频强磁场对人体或用电器也会产生一定的危害或干扰。
因此，如何对大功率无线电能传输区域内的强磁场进行屏蔽并限制其分布范围，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线电能传输装置，能够显著地削弱发射线圈和接收线圈外侧的电磁场强度，从而有效限制无线输电过程中强磁场的分布范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无线电能传输装置，所述无线电能传输装置分别与供电装置和受电装置连接，所述无线电能传输装置装置包括：发射线圈、接收线圈和磁场屏蔽板，其中，
所述磁场屏蔽板为磁导率小于设定阈值的超材料平板；
所述发射线圈与所述供电装置连接，所述发射线圈用于将所述供电装置提供的电能转化为磁场能并发射所述磁场能；
所述接收线圈对应所述发射线圈设置，且与所述发射线圈耦合连接，所述受电装置与所述接收线圈连接，所述接收线圈用于接收所述发射线圈发射的磁场能，并将所述磁场能转换为电能以便给所述受电装置供电；
所述磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板和接收端屏蔽板中至少一者，其中，所述发射端屏蔽板对应设置在所述发射线圈的远离所述接收线圈的一侧，所述接收端屏蔽板对应设置在所述接收线圈的远离所述发射线圈的一侧。
可选的，当所述磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板时，所述发射端屏蔽板所在的平面与所述发射线圈所在的平面平行。
可选的，所述发射端屏蔽板与所述发射线圈同轴设置。
可选的当所述磁场屏蔽板包括接收端屏蔽板时，所述接收端屏蔽板所在的平面与所述接收线圈所在的平面平行。
可选的，所述接收端屏蔽板与所述接收线圈同轴设置。
可选的，所述磁场屏蔽板为正方形。
可选的，所述磁场屏蔽板的边长小于所述无线电能传输装置的工作波长的十分之一。
可选的，当所述磁场屏蔽板包括接收端屏蔽板时，所述接收端屏蔽板的轮廓线包围所述接收线圈在所述接收端屏蔽板上的投影的轮廓线。
可选的，当所述磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板时，所述发射端屏蔽板的轮廓线包围所述发射线圈在所述发射端屏蔽板上的投影的轮廓线。
可选的，所述磁场屏蔽板的磁导率的范围是：
-0.05×μ0＜μzero＜0.02×μ0，其中，μ0表示真空磁导率，μzero表示磁场屏蔽板的磁导率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的无线电能传输装置，对应发射线圈设置有磁导率近似为零的超材料发射端屏蔽板，对应接收线圈设置有磁导率为近似零的超材料接收端屏蔽板，由于零磁导率超材料具有理想的磁屏蔽效果，因此，本申请利用其“抗磁体”特性制作了磁屏蔽板，能够显著地削弱发射线圈和接收线圈外侧的电磁场强度，从而有效限制无线输电过程中强磁场的分布范围。
而且，本发明提供的无线电能传输装置结构简单紧凑，还能够根据应用需求灵活选择设置作用于发射线圈的发射端屏蔽板和/或作用于接收线圈的接收端屏蔽板，便于推广实施，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的无线电能传输装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布图；
图3为传统无线电能传输装置的结构示意图；
图4为传统无线电能传输装置的磁感应强度分布图；
图5为本发明实施例2提供的无线电能传输装置的结构示意图；
图6为本发明实施例2提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布图；
图7为本发明实施例3提供的无线电能传输装置的结构示意图；
图8为本发明实施例3提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种无线电能传输装置，能够显著地削弱发射线圈和接收线圈外侧的电磁场强度，从而有效限制无线输电过程中强磁场的分布范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
图1为本发明实施例1提供的无线电能传输装置的结构示意图。如图1所示，一种无线电能传输装置包括：发射线圈1、接收线圈2和磁场屏蔽板3。
其中，其中发射线圈1和接收线圈2的半径均为0.3m，线圈截面半径均为0.02m，线圈的匝数均为1，发射线圈1和接收线圈2平行且同轴设置，发射线圈1的中心点和接收线圈2的中心点之间的距离为d＝0.4m。图中对应的虚线框表示线圈所在的平面。
所述发射线圈1与所述供电装置连接，所述发射线圈1用于将所述供电装置提供的电能转化为磁场能并发射所述磁场能；
所述接收线圈2对应所述发射线圈1设置，且与所述发射线圈1耦合连接，所述受电装置与所述接收线圈2连接，所述接收线圈2用于接收所述发射线圈1发射的磁场能，并将所述磁场能转换为电能以便给所述受电装置供电。
本实施例中，所述磁场屏蔽板3仅包括发射端屏蔽板31，所述发射端屏蔽板31为正方形且对应设置在所述发射线圈1的远离所述接收线圈2的一侧。发射端屏蔽板31的边长h存在阈值，小于该阈值时，发射端屏蔽板31的磁场屏蔽效果将削弱，大于该阈值后磁场屏蔽效果随h的增加变化很小。优选地，所述发射端屏蔽板31的边长大于所述发射线圈的直径，小于所述无线电能传输装置的工作波长的十分之一。所述发射端屏蔽板31所在的平面与所述发射线圈1所在的平面平行，且所述发射端屏蔽板31与所述发射线圈1同轴设置。发射端屏蔽板31的边长h＝1.3m，厚度w＝0.05m，发射端屏蔽板31与发射线圈1的距离为a＝0.3m。
本实施例中，发射端屏蔽板31为均匀、各向同性的零磁导率超材料，其理想磁导率范围是[-0.05μ0,0.02μ0]，μ0表示真空磁导率，μzero表示磁场屏蔽板的理想磁导率。其实际磁导率为：μ′zero＝μzero×(1-sgn(μzero)×σ×i)，其中，σ为发射端屏蔽板31的损耗系数；i为虚部单位；(σ×i)为材料的磁损耗；μzero为发射端屏蔽板31的理想磁导率，μ′zero为发射端屏蔽板31的实际磁导率。实际应用中，可以选用开口谐振环阵列实现特定工作频率范围内的低损耗零磁导率超材料单元结构。
如图1所示，本实施例中的z轴方向是指由发射线圈1中心指向接收线圈2中心的方向，即轴线方向，x轴、y轴方向为发射端屏蔽板31的边长方向，坐标原点为发射线圈1的中心点和接收线圈2的中心点连线的中点，发射端屏蔽板31的磁导率参数如表1所示。
表1发射端屏蔽板的磁导率参数
实际磁导率 理想磁导率 损耗系数
μ′zero＝(0.01-0.005i)*μ0 μzero＝0.01*μ0 σ＝0.005
多耦合物理场仿真软件COMSOLMultiphysics可以对实际系统中电磁元件进行仿真，该仿真软件已经得到很多研究学者的认可和广泛使用。为了验证本发明提供的无线电能传输装置的效果，发明人通过COMSOLMultiphysics进行电磁仿真，设置发射线圈1电流为2A，接收线圈2开路，获得了系统的磁感应强度分布图如图2所示，其中，图2的(a)部分为本实施例提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布图，图2的(b)部分为本实施例提供的无线电能传输装置的磁感应强度颜色图例。由图2的(a)部分和图2的(b)部分可见，在坐标为(0,0,-d/2-a)处，即发射端屏蔽板31的内侧中心点处，测得的磁感应强度为0.121μT。
图3为传统无线电能传输装置的结构示意图。传统无线电能传输装置中，发射线圈1和接收线圈2与本实施例中的发射线圈1和接收线圈2完全相同，其设置方式也完全相同，两线圈之间的距离仍然为d＝0.4m。对于不设置磁场屏蔽板的传统无线电能传输装置，其磁感应强度分布如图4所示，其中，图4的(a)部分为传统无线电能传输装置的磁感应强度分布图，图4的(b)部分为传统无线电能传输装置的磁感应强度颜色图例。由图4的(a)部分和图4的(b)部分可见，在坐标为(0,0,-d/2-a)处，即与图2所取相同坐标处，测得磁感应强度为1.20μT，约为本申请提供的无线电能传输装置在相同坐标处的10倍。
可见，将零磁导率的超材料磁场屏蔽板用于无线电能传输装置中需要电磁屏蔽的部位时，能够有效减小该部位的磁场辐射强度。本申请设置有零磁导率超材料的磁场屏蔽板后，无线电能传输装置限制磁场分布范围的效果非常显著。
实施例2：
图5为本发明实施例2提供的无线电能传输装置的结构示意图。如图5所示，本实施例的无线电能传输装置，包括发射线圈1、接收线圈2、磁场屏蔽板3。本实施例中，所述磁场屏蔽板3仅包括接收端屏蔽板32，所述接收端屏蔽板32对应设置在所述接收线圈2的远离所述发射线圈1的一侧。所述接收端屏蔽板32与所述接收线圈2平行且同轴设置，接收端屏蔽板32与接收线圈2的距离也设置为0.3m，其他参数均与实施例1相同。
实施例2提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布如图6所示，其中，图6的(a)部分为本实施例提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布图，图6的(b)部分为本实施例提供的无线电能传输装置的磁感应强度颜色图例。由图6的(a)部分和图6的(b)部分可见，在坐标为(0,0,d/2+a)处，即接收端屏蔽板32内侧中心点处，测得的磁感应强度为0.031μT。与图4中坐标为(0,0,d/2+a)处的磁感应强度0.287μT相比，本实施例在接收线圈2的外侧设置接收端屏蔽板32也可以有效限制强磁场的分布范围。
实施例3：
图7为本发明实施例3提供的无线电能传输装置的结构示意图。如图7所示，本实施例的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈1、接收线圈2、磁场屏蔽板3。本实施例中，所述磁场屏蔽板3包括发射端屏蔽板31和接收端屏蔽板32。其中，所述发射端屏蔽板31对应设置在所述发射线圈1的远离所述接收线圈2的一侧，所述接收端屏蔽板32对应设置在所述接收线圈2的远离所述发射线圈1的一侧，其他参数均与实施例1和实施例2相同。即，可以将实施例3理解为实施例1和实施例2的结合。
实施例3提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布如图8所示，其中，图8的(a)部分为本实施例提供的无线电能传输装置的磁感应强度分布图，图8的(b)部分为本实施例提供的无线电能传输装置的磁感应强度颜色图例。由图8的(a)部分和图8的(b)部分可见，与传统的无线电能传输线圈装置相比，在发射线圈1的外侧和接收线圈2的外侧均设置磁场屏蔽板后，原本辐射在无线输电空间中的强磁场被限制在两块零磁导率超材料平板组成的磁场屏蔽板之间，两块零磁导率超材料磁场屏蔽板外侧的磁感应强度明显衰减。因此，本实施例提供的装置限制无线输电过程中强磁场分布范围的效果非常显著，可以有效屏蔽电磁场。
超材料是一种等效介电常数或磁导率为零或负的人工结构材料(即自然界中不存在的一种材料)。零磁导率超材料作为一种等效的完全“抗磁体”，具有理想的磁屏蔽效果。同时，部分研究已经表明采用周期性排列的开口谐振环阵列即可以在特定频段实现零磁导率特性。因此，本发明利用磁导率近似为零的零磁导率超材料制作磁场屏蔽板，实现对电磁场的有效控制。而且装置结构简单轻便，便于实施，具有广阔的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无线电能传输装置，其特征在于，所述无线电能传输装置分别与供电装置和受电装置连接，所述无线电能传输装置装置包括：发射线圈、接收线圈和磁场屏蔽板，其中，
所述磁场屏蔽板为磁导率小于设定阈值的超材料平板；
所述发射线圈与所述供电装置连接，所述发射线圈用于将所述供电装置提供的电能转化为磁场能并发射所述磁场能；
所述接收线圈对应所述发射线圈设置，且与所述发射线圈耦合连接，所述受电装置与所述接收线圈连接，所述接收线圈用于接收所述发射线圈发射的磁场能，并将所述磁场能转换为电能以便给所述受电装置供电；
所述磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板和接收端屏蔽板中至少一者，其中，所述发射端屏蔽板对应设置在所述发射线圈的远离所述接收线圈的一侧，所述接收端屏蔽板对应设置在所述接收线圈的远离所述发射线圈的一侧。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，当所述磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板时，所述发射端屏蔽板所在的平面与所述发射线圈所在的平面平行。
3.根据权利要求2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述发射端屏蔽板与所述发射线圈同轴设置。
4.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，当所述磁场屏蔽板包括接收端屏蔽板时，所述接收端屏蔽板所在的平面与所述接收线圈所在的平面平行。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述接收端屏蔽板与所述接收线圈同轴设置。
6.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述磁场屏蔽板为正方形。
7.根据权利要求6所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述磁场屏蔽板的边长小于所述无线电能传输装置的工作波长的十分之一。
8.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，当所述磁场屏蔽板包括接收端屏蔽板时，所述接收端屏蔽板的轮廓线包围所述接收线圈在所述接收端屏蔽板上的投影的轮廓线。
9.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，当所述磁场屏蔽板包括发射端屏蔽板时，所述发射端屏蔽板的轮廓线包围所述发射线圈在所述发射端屏蔽板上的投影的轮廓线。
10.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述磁场屏蔽板的磁导率的范围是：-0.05×μ0＜μzero＜0.02×μ0，其中，μ0表示真空磁导率，μzero表示磁场屏蔽板的磁导率。
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