CN109149793A - 水槽型磁屏蔽结构和包括其的平板线圈无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水槽型磁屏蔽结构和包括其的平板线圈无线电能传输系统。水槽型磁屏蔽结构包括初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板，初级侧屏蔽板包括底板部和侧板部，底板部为具有镂空的平面板，侧板部围绕底板部边沿设置，底部板与侧板部形成水槽形结构；侧板部包括从底板部往上依次设置的侧面带状板和可调节伸缩板，侧面带状板与底板部垂直连接，可调节伸缩板与底板部成一角度倾斜设置。与现有技术相比，本发明通过对底部板中心镂空，显著降低了初级、次级线圈间磁场的衰减速率；侧面带状板可对系统横向杂散磁场进行限制，降低了系统水平方向的磁泄漏；可调节伸缩板能进一步限制系统横向杂散磁场，增加系统磁场耦合的同时，可进一步降低系统水平方向的磁泄漏。

Description

水槽型磁屏蔽结构和包括其的平板线圈无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种水槽型磁屏蔽结构和包括其的平板线圈无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)具有充电便捷、安全等特点，使得该技术得到迅速发展，并在电动汽车、医疗、采矿等特殊充电领域得到了广泛应用。亚克朗大学的Mostak Mohammad教授利用Double-D pad(DDP)线圈对电动汽车进行无线充电，通过对DDP线圈与圆形线圈比较分析可知，DDP线圈在系统耦合空间的磁场更加聚集，系统磁耦合效率较高。但是发射、接收线圈间的气隙较大，系统磁泄漏比较严重。目前，对无线电能传输系统漏磁的屏蔽一般采用双侧平面铝板屏蔽结构，如图1-图3所示，该结构通过屏蔽板的反射以及板上感应涡流产生的反向磁场，抵消入射磁场实现屏蔽。该结构可显著抑制系统纵向的磁场泄漏，但系统横向杂散磁场的泄漏仍然严重，且铝板的加入会加剧线圈之间磁场的衰减速率，还存在以下不足：

1、基于磁耦合原理的无线电能传输系统一、二次侧线圈之间气隙较大，由初级线圈发射到次级线圈的磁场无磁路限制，系统磁场杂散，磁泄漏严重；

2、磁泄漏不仅降低了系统的传输效率，也会对系统周围空间产生电磁辐射，造成环境电磁污染；

3、采用双侧平面铝板对系统漏磁进行屏蔽，可降低系统纵向磁场的泄漏，但铝屏蔽板的引入会增加系统内部磁场的衰减速率，降低系统磁场的耦合效率；同时，横向磁泄漏水平明显降低，但仍然超标。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水槽型磁屏蔽结构和包括其的平板线圈无线电能传输系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种水槽型磁屏蔽结构，包括初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板，所述初级侧屏蔽板包括底板部和侧板部，所述底板部为具有镂空的平面板，所述侧板部围绕底板部边沿设置，底部板与侧板部形成水槽形结构。

进一步地，所述侧板部包括从底板部往上依次设置的侧面带状板和可调节伸缩板，所述侧面带状板与所述底板部垂直连接，所述可调节伸缩板与所述底板部成一角度倾斜设置。

进一步地，所述可调节伸缩板朝底板部中间倾斜。

进一步地，所述可调节伸缩板与底板部的法线所成角度为0-75°。

进一步地，所述底板部为中间镂空的平面板。

进一步地，所述初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板均由铝板制成。

进一步地，所述初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板均呈方形结构。

本发明还提供一种平板线圈无线电能传输系统，包括所述的水槽型磁屏蔽结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用水槽型屏蔽结构，对初级、次级线圈之间的磁场磁路进行限制，使杂散磁场在系统梯形耦合空间聚集，降低了系统磁泄漏，也降低了系统漏磁对周围环境的电磁污染

2)底面铝板具有镂空，在有效屏蔽系统纵向磁场的同时，显著降低了初级、次级线圈间磁场的衰减速率，并降低了铝材料的使用量。

3)本发明为水槽型，具有侧面带状屏蔽板，可对初级、次级线圈之间的磁路进行限制，将系统杂散磁场向系统内部约束，显著降低了系统横向磁场泄漏。

4)本发明的侧板部还设置有可调节伸缩板，有助于磁场在梯形耦合区域更加聚集，能进一步限制系统横向杂散磁场，增加系统磁场耦合的同时，可进一步降低系统水平方向的磁泄漏。

通过仿真实验分析，相比双侧平面铝板屏蔽结构，本发明水槽型磁屏蔽结构在保证平板线圈无线电能传输系统传输效率的同时，显著降低了系统周围空间的电磁辐射。

附图说明

图1为现有双侧平面铝板模型示意图；

图2为WPT系统电路仿真模型示意图；

图3为双侧平面铝板与WPT系统联合仿真电路示意图；

图4为涡流等效电路示意图；

图5为初级侧屏蔽板中心镂空俯视图；

图6为不同初级侧屏蔽板镂空大小对应的系统互感示意图；

图7为不同初级侧屏蔽板镂空大小对应达到6.25μT时距线圈边缘的距离示意图；

图8为两种屏蔽结构磁场分布图，其中，(8a)为双侧平面铝屏蔽结构，(8b)为中心镂空屏蔽结构；

图9为侧面带状铝板屏蔽结构磁场分布图；

图10为侧面带状带倾角的屏蔽结构侧视图；

图11为可调节伸缩板在不同角度的系统互感k和耦合系数M变化示意图；

图12为可调节伸缩板在不同角度的系统互感k和屏蔽效能SE变化示意图；

图13为可调节伸缩板在不同角度下系统测量点A处垂直方向上的磁场强度；

图14为平板式和水槽型屏蔽结构仿真模型，其中，(14a)为平板式磁屏蔽结构，(14b)为水槽型屏蔽结构；

图15为水槽型铝板模型示意图；

图16为距线圈边缘中心不同距离处的磁场强度变化示意图；

图17为测量点A处垂直方向上的磁场强度；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

无线电能传输WPT系统的电路仿真模型如图2所示。双侧平面铝板与WPT系统的联合仿真电路如图3所示。图中，TX为发射线圈，T_Al为初级侧铝板等效电路，RX为接收线圈，R_Al为次级侧铝板等效电路，U_ac为高频电源，R_dc为电源内阻，L₁、L₂为线圈自感，L_f1、L_f2为寄生电感，C₁、C₂为补偿电容，C_f1、C_f2为寄生电容，R₁、R₂为线圈电阻，M为线圈(TX、RX)与铝板(T_Al、R_Al)间的互感。

WPT系统的回路谐振方程可表示为：

处于谐振时，WPT系统矩阵方程为：

式中，R_f1、R_Cf1、R_C1、R₁分别为L_f1、C_f1、C₁、L₁的寄生电阻，Z_refl为次级线圈映射到初级线圈的电路阻抗，R_f2、R_Cf2、R_C2、R₂分别为L_f2、C_f2、C₂、L₂的寄生电阻，则系统传输效率为：

图3中，R₃、L₃分别为T_Al的等效电阻和等效电感，R₄、L₄分别为R_Al的等效电阻和等效电感，则系统的等效互感为：

T_Al与R_Al几乎无磁场耦合，其互感M₃₄接近为零，则公式(4)可简化为：

基于上述分析，本发明提供一种水槽型磁屏蔽结构，如图15所示，包括初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板，初级侧屏蔽板包括底板部和侧板部，底板部为具有镂空的平面板，侧板部围绕底板部边沿设置，底部板与侧板部形成水槽形结构。初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板均由铝板制成。在某些实施例中，初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板可均呈方形结构。

底板部可为中间镂空的平面板，即只在发射线圈TX外沿施加屏蔽，也可取得与整块铝板相当的屏蔽效果。入射到初级侧铝板上的磁场能感应产生涡流，可将众多涡流回路等效成电阻与电感串联的线圈(N＝1,2,…,n)，且线圈与线圈之间并联，线圈电流如图4所示。

涡流等效电路总电阻和总电感由下式可得：

由公式(6)和(7)可知，随着初级侧铝板中心镂空面积的增大即涡流等效线圈减少，铝板总的电阻R_eq(＝R₃)和电感L_eq(＝L₃)逐渐增大，互感M₁₃、M₂₃逐渐降低；次级侧铝板尺寸不变，L₄、M₁₄和M₂₄基本不变，由公式(4)可知，互感M_TX-RX逐渐增大。初级侧铝板底板部中心镂空俯视图如图5所示。

系统互感如图6所示，x轴为不同镂空长度，不同颜色的线为不同的镂空宽度。随着铝板中心镂空面积的变化，达到6.25μT时距线圈边缘中心水平方向的距离如图7所示。

由图6、图7可知，当初级侧铝板镂空面积增加时，系统互感相差不大，最小值为42.162，最大值为43.639。

铝板的引入可增加线圈间磁场的衰减速率，导致系统互感降低。WPT系统的磁场对称分布，为方便观察，取磁场分布的1/2进行观测，如图8所示。由图8的(8a)可知，磁场强度从4.326mT下降到2.439mT，衰减率为43.62％；由(8b)可知，磁场强度从4.125mT下降到2.561mT，衰减率为37.9％。比较两图可知，初级侧铝板中心镂空较双侧平面铝板的磁场强度衰减率降低4.72％，明显降低了松耦合变压器线圈间磁场的衰减速率。

本发明的水槽型磁屏蔽结构的侧板部包括从底板部往上依次设置的侧面带状板和可调节伸缩板，侧面带状板与底板部垂直连接，可调节伸缩板与底板部成一角度倾斜设置，且可调节伸缩板朝底板部中间倾斜。

1)侧面带状板

松耦合变压器线圈间气隙较大，系统水平方向的磁泄漏仍然严重。双侧平面铝板能有效降低WPT系统松耦合变压器线圈背面的磁泄漏，鉴于此，考虑在初级侧铝板侧面引入带状铝板以降低WPT系统水平方向上的磁泄漏。引入侧面带状铝板后系统磁场分布如图9所示，线圈边缘水平方向上的磁场得到了很好的抑制，但是靠近次级侧铝板处的磁场泄漏仍然严重。

2)可调节伸缩板

松耦合变压器初级和次级的线圈间的耦合磁场呈梯形分布，如图9所示。为进一步减少次级侧铝板处的磁泄漏，可通过可调节伸缩板的倾斜角度，使磁场在梯形区域更加聚集。侧面带状带倾角的屏蔽结构侧视图如图10所示，其中1为侧面带状板，2为可调节伸缩板。可调节伸缩板与底板部的法线所成角度α可为0-75°，当倾角发生变化时，系统的耦合系数k、互感M和屏蔽效能SE分别如图11、12所示，测量点A处的磁场强度如图13所示。

随着α在0-34°之间逐渐变大，侧面屏蔽板2对磁场的约束能力加强，此时α增大可促进磁场耦合；当α在34-75°之间逐渐变大时，侧面屏蔽板2可阻碍磁场主要能量向次级线圈传播，此时α变大可抑制磁场耦合。从图11可以看出，在α为34°时k最大，为0.183；40°时M最大，为43.41μH。如图12所示，α大于30°时，系统的屏蔽效果差，屏蔽效能下降显著。当α为50-60°时，系统的屏蔽效果有所提高，但是在系统外侧磁泄漏严重。

在可调节伸缩板2倾角α为30°时，系统在测量点A处垂直方向上的磁场强度较小且磁场分布相对稳定。此时，系统k和SE分别为0.182和10.44，仅低于最大值0.01和0.1，如图13所示。

本发明还提供一种平板线圈无线电能传输系统，包括上述水槽型磁屏蔽结构。利用MAXWELL仿真软件对水槽型磁屏蔽结构的WPT系统进行仿真，作为对照，双侧平板式屏蔽结构也进行了仿真计算，仿真模型如图14所示，仿真结果如表1、图16和图17所示。

表1平板结构和水槽型结构线圈自感和耦合系数

由表1可知，加入铝屏蔽板后，水槽型磁屏蔽结构WPT系统的耦合系数和互感均增大，系统内部磁场耦合加强。由图16可知，水槽型较平板式磁屏蔽结构WPT系统在线圈边缘中心水平方向上的磁场衰减速率增大，对系统之外的磁辐射降低。由图17可知，在测量点A处垂直方向上，双侧平板式磁屏蔽结构的WTP系统磁泄漏远大于水槽型磁屏蔽结构的WPT系统。由以上分析可知，水槽型磁屏蔽结构在增大系统传输效率的同时，可明显降低系统磁泄漏。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水槽型磁屏蔽结构，包括初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板，其特征在于，所述初级侧屏蔽板包括底板部和侧板部，所述底板部为具有镂空的平面板，所述侧板部围绕底板部边沿设置，底板部与侧板部形成水槽形结构。

2.根据权利要求1所述的水槽型磁屏蔽结构，其特征在于，所述侧板部包括从底板部往上依次设置的侧面带状板和可调节伸缩板，所述侧面带状板与所述底板部垂直连接，所述可调节伸缩板与所述底板部成一角度倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的水槽型磁屏蔽结构，其特征在于，所述可调节伸缩板朝底板部中间倾斜。

4.根据权利要求2所述的水槽型磁屏蔽结构，其特征在于，所述可调节伸缩板与底板部的法线所成角度为0-75°。

5.根据权利要求1所述的水槽型磁屏蔽结构，其特征在于，所述底板部为中间镂空的平面板。

6.根据权利要求1所述的水槽型磁屏蔽结构，其特征在于，所述初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板均由铝板制成。

7.根据权利要求1所述的水槽型磁屏蔽结构，其特征在于，所述初级侧屏蔽板和次级侧屏蔽板均呈方形结构。

8.一种平板线圈无线电能传输系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的水槽型磁屏蔽结构。