CN109193963A - 应用于无线电能传输系统的屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，包括：弧面铝屏蔽罩，设置于无线电能传输线圈的外侧，其中，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面为圆环状，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面与所述无线电能传输线圈处于同一平面。本发明实施例的技术方案，利于减少风阻，增强无线电能传输系统在风场中的动态稳定性，并降低无线电能传输的传输损耗。

Description

应用于无线电能传输系统的屏蔽装置

技术领域

本发明实施例涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种应用于无线电能传输系统的屏蔽装置。

背景技术

高压输电线路承载着规模巨大的能源输送任务，其输送距离跨度大，线路穿越环境复杂，整体运行安全要求高，其运行环境最为复杂、恶劣，运行部门也耗费了大量的人力物力财力进行维护以确保安全，但是随着输电线路规模的不断扩张，传统的维护手段逐渐显得力不从心。使用现代智能检测、维护设备取代人力已经在各个工业部门中大势所趋。终端处理设备有无人机，电源管理单元(Power Management Unit，PMU)，各类智能图像、声音、激光、红外、紫外、动量传感器和检测设备，远程通讯设备，位置信息收发设备，等等；结合中央处理器、大数据云处理技术，人工智能在一些重复工作和专家判别领域已经逐渐体现出处强大的处理性能和较为精确的处理精度，在替代人力方面逐渐显露头角。

但如何稳定可靠地为这些设备供电是目前亟待解决的重要问题。目前在线监测装置的供电电源的取能方式上有太阳能转化取能、电流互感器(Current Transformer，CT)感应取能、电容分压器取能、低压侧激光供能、电磁耦合在线取能几种方式。除在线取能方式外，其他几种供能形式或受外界环境影响较强不能持续稳定提供能量，或供能功率较小，不能满足在线监测设备的能量需求。

在线取能其最大难点是如何在保证绝对的绝缘安全的情况下将高压侧获取的能量传输到注入到位于低压侧铁塔上的储能单元和用电设备上。有线连接方式受绝缘安全方面的考虑一般不为采用；在线监测设备一般装设于铁塔上，是因为其往往包含蓄电池单元，安装于高压侧可能带来额外的安全隐患。采用无线电能传输(Wireless PowerTransmission，WPT)技术将高压侧获取的电能传输至铁塔上的接收单元，对储能单元和检测设备实现稳定持续可靠的供电，同时可以确保绝缘安全。

谐振式无线电能传输技术主要通过电磁感应耦合原理实现，原边与副边构成一组可分离变压器。当原边发射机构中流过高频交流电流与电压时，副边接收机构会相应感生出同频的电压与电流。但由于原边与副边之间存在较长的空气磁路，其磁阻远大于传统变压器铁心磁阻，因此WPT系统的原、副边线圈的耦合性能对系统的传输效率影响至关重要。

2007年麻省理工学院提出磁耦合谐振式WPT技术以来，国内外学者已在便携移动设备与电动车无线充电方面开展了广泛的研究，其理论研究和设计方法已较为成熟，亦有工业产品推出。

但目前在高压输电线路上应用WPT的相关研究仍比较匮乏，一些机构发表的相关研究也暂停留在实验室阶段：高压输电线路电磁环境较为复杂，同时受安全绝缘距离的限制，WPT的传输距离亦较一般的电动车WPT(20cm)更大，其周边工作环境更为复杂：WPT高频工作时在钢铝绞线、绝缘子金具和铁塔上会造成严重的涡流损耗，一方面使得WPT传输效率降低，一方面造成输电设备的异常发热，危害运行安全；同时输电线路的强电磁环境会造成WPT传输效率下降和高频开关的异常工作。

发明内容

本发明实施例提供一种应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，以实现提升WPT设备的传输效率。

本发明实施例提供一种应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，包括：

弧面铝屏蔽罩，设置于无线电能传输线圈的外侧，其中，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面为圆环状，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面与所述无线电能传输线圈处于同一平面。

本发明通过铝制外壳对WPT系统进行屏蔽，解决强电磁环境会造成WPT传输效率下降和高频开关的异常工作的问题，实现保护WPT设备不受外部电磁场干扰，降低传输损耗，提升传输效率的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二中的弧面铝屏蔽罩的基本曲线图；

图3是本发明实施例二中的弧面铝屏蔽罩的曲线弧度示意图；

图4是本发明实施例二中的收发线圈耦合系数在不同b值情况的曲线图；

图5是本发明实施例二中的收发线圈耦合系数在不同h值情况的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置的结构示意图，本实施例可适用于高压输电线路上应用WPT的情况下，屏蔽WPT设备受到的电磁干扰，该应用于无线电能传输系统的屏蔽装置包括：

弧面铝屏蔽罩10，设置于无线电能传输线圈的外侧，其中，所述弧面铝屏蔽罩10开口的端面为圆环状，所述弧面铝屏蔽罩10开口的端面与所述无线电能传输线圈处于同一平面。

其中，无线电能传输线圈设置在弧面铝屏蔽罩10之内，其中一面朝向弧面铝屏蔽罩10内壁，将其称为第一面，那么无线电能传输线圈的另一面则称为第二面。所谓弧面铝屏蔽罩10开口的端面与无线电能传输线圈处于同一平面是指，无线电能传输线圈的第二面与弧面铝屏蔽罩10开口的端面处于同一平面。这样无线电能传输线圈设置在弧面铝屏蔽罩10之内，可以受到弧面铝屏蔽罩10的电磁保护，免受高压输电线路上的电磁干扰。

可选的，无线电能传输系统的屏蔽装置还包括：

塑料外壳20，设置为与所述弧面铝屏蔽罩10开口抵接，以将所述无线电能传输线圈包含在所述塑料外壳20与所述弧面铝屏蔽罩10形成的空间内。

其中，塑料外壳20的材质可以为ABS塑料。一方面可以让无线电能传输线圈收发能量，另一方面，塑料外壳20与弧面铝屏蔽罩10形成的封闭空间，在WPT设备的应用环境下，可以保护WPT设备，提高抗风稳定性。

弧面铝屏蔽罩10开口的端面外圈半径大于无线电能传输线圈的盘面半径。以便弧面铝屏蔽罩10内有足够的空间能够安置WPT设备的无线电能传输线圈和磁铁阵列。为了降低传输损耗，提升传输效率，弧面铝屏蔽罩10开口端面的内圈半径等于所述无线电能传输线圈的盘面半径。

本实施例的技术方案，通过铝制外壳对WPT系统进行屏蔽，解决强电磁环境会造成WPT传输效率下降和高频开关的异常工作的问题，实现保护WPT设备不受外部电磁场干扰，降低传输损耗，提升传输效率的效果。

实施例二

本实施例提供一种应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，所述弧面铝屏蔽罩10在其对称轴所在平面内的截面外侧曲线的轨迹为方程：G(r,k,a,h₀)＝h₀-a·(e^-kr+e^kr)＝0，其中，h₀表示所述弧面铝屏蔽罩的初始高度，r为水平方向距离变量，a为幅值参数，k为曲率参数。

其中，上述方程为一种描述具有边界适应性的空间导磁结构的屏蔽外壳曲线方程。为无线电能传输线圈加设弧面铝屏蔽罩，根据磁感应原理，高频磁通在铝板上形成众多涡流电流并产生反向磁场，与正向磁场相抵消，使得铝板外侧垂直方向空间磁场分布减弱或消失，从而达到磁场屏蔽的效果。类似地，铝板内侧磁通在垂直方向上磁路受阻，会向两侧流通，实现铝板对磁路的规范。仿真实验表明，适当增大铝板对线圈方向所包含的空间，可以在实现屏蔽的前提下，有效优化磁路流通，增大收发线圈之间的耦合系数，提升装置的整体传输效率。

所谓具有边界适应性的空间导磁结构的屏蔽外壳曲线方程，是指发射磁场磁感线遭遇在该曲线方程形成的铝屏蔽外壳时，由涡流效应造成的磁路规范具有良好的回转特性，类似于列车行进中设计合理的回转半径会使转弯平滑而稳定。

本实施例中对板的厚度未作描述，一般的，根据趋肤深度公式：

穿透深度δ与频率ω，介质磁导率μ、电导率γ相关，在WPT设备的一般运行频段50kHz-6.78MHz内，铝的趋肤深度为0.03mm-0.37mm，只要板厚大于该区间值即可满足屏蔽要求；这里由于机械应力要求，弧面铝屏蔽罩的厚度在厘米级，远大于趋肤深度的数值区间，所以不需考虑弧面铝屏蔽罩厚度的影响。

图2中以双指数函数为例示出了弧面铝屏蔽罩的基本曲线形式。该函数具有高阶连续可导的特性，在其表面产生的涡流造成的反向磁场与正向磁场叠加形成的新磁场磁路规矩亦具有平滑特性。

根据ANSYS有限元仿真得到的WPT设备无线电能传输线圈在弧面铝屏蔽罩内外侧产生的截面磁场分布在弧面铝屏蔽罩外侧垂直区域内磁场得到了有效的屏蔽，而在屏蔽板内部空间，由于采用了曲面设计，其内部磁感线分布均匀，磁路平滑，在弧面铝屏蔽罩与无线电能传输线圈之间没有发生严重的磁场畸变，有利于空间磁阻的降低，提高收发线圈的耦合系数。

在设计中，首先是确定盘面半径再设计弧面铝屏蔽罩，这就需要解方程

G(r,k,a,h₀)＝h₀-a·(e^-kr+e^kr)＝0

来确定弧面铝屏蔽罩的最大盘面半径起始位置。

其解的基本形式为：

本实施例中进一步提出采用二次函数与三角函数对G函数进行拟合：

可选的，截面外侧曲线的轨迹设置为采用函数：

对G函数进行拟合，

其中，R₀为所述弧面铝屏蔽罩开口端面的最大盘面半径，为确定所述弧面铝屏蔽罩的初始高度h₀和最大盘面半径R₀的基本二次函数，b为弧度调节参数，部分根据b调节正弦函数的幅值从而调节所述弧面铝屏蔽罩的弧度。其中，如图3所示，不同b值所形成的弧面铝屏蔽罩的曲线弧度。

可选的，弧面铝屏蔽罩的截面外侧曲线的轨迹设计方法为：

通过时域有限元电磁场仿真，获取至少两个预设弧度调节参数下，所述无线电能传输线圈的耦合系数随所述弧面铝屏蔽罩的高度变化的曲线，确定所述弧面铝屏蔽罩的设计高度；

通过时域有限元电磁场仿真，确定在所述设计高度下，与所述无线电能传输线圈的最优耦合系数对应的所述弧度调节参数。

其中，WPT设备的传输效率是由整个传输装置诸多因素决定的，其中包括收发线圈的耦合系数，线圈的绕制形式与匝数，磁铁阵列的数量与布置方式，高频电源的效率等。耦合系数虽然不能直接代表传输效率，但其作为一个物理量表征了线圈设计和屏蔽设计对传输系统效率的影响，是考量独立设计单元时最具有代表性的物理量。通过时域有限元电磁场仿真，结合典型的WPT设计，可以获得F函数(即弧面铝屏蔽罩的截面曲线轨迹)的两个参数对收发线圈耦合系数的影响：

图4给出了收发线圈耦合系数在不同b值情况下随弧面铝屏蔽罩高度h变化的曲线，其中，无线电能传输线圈直径60cm，收发线圈相距1m，仿真结果表明：

1)随弧面铝屏蔽罩高度h增大，弧面铝屏蔽罩高度内部包含的空间增大，磁路空间增大，有利于磁链的延长，最终收发线圈的耦合程度也增强；

2)弧面铝屏蔽罩高度h在明显大于线圈直径后，增大h的作用将不再明显，这是因为在这部分空间中磁场分布几乎为零；

3)改变b值即改变弧面铝屏蔽罩高度的曲线弧度，可见h值位于线圈直径附近时耦合系数对b值的变化较敏感，因此在设计中，对于盘型线圈，应根据线圈直径首先选定h值，再通过仿真优化得到b值。

图5给出了收发线圈耦合系数在不同h值情况下随b变化的曲线，其中，无线电能传输线圈直径60cm，收发线圈相距1m，h₃＞h₂＞h₁＞h₀＝0。仿真结果表明：

1)增大弧面铝屏蔽罩弧度可以一定程度上提高收发线圈的耦合程度；

2)对于每一线圈设计，存在一个最优的(h，b)值使得在保证尽量小的屏蔽罩体积下，收发线圈的耦合程度最大。

本实施例的技术方案，通过引入二次函数与三角函数的复合函数刻画弧面铝屏蔽罩截面曲线轨迹，提升弧面铝屏蔽罩的正向抗风稳定性与防电晕性能。对不同设计尺寸和传输尺寸的WPT设备提出了确切的弧面铝屏蔽罩设计参数。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，包括：

弧面铝屏蔽罩，设置于无线电能传输线圈的外侧，其中，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面为圆环状，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面与所述无线电能传输线圈处于同一平面。

2.根据权利要求1所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，还包括：

塑料外壳，设置为与所述弧面铝屏蔽罩开口抵接，以将所述无线电能传输线圈包含在所述塑料外壳与所述弧面铝屏蔽罩形成的空间内。

3.根据权利要求2所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，所述塑料外壳的材质为ABS塑料。

4.根据权利要求1所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，所述弧面铝屏蔽罩开口的端面外圈半径大于所述无线电能传输线圈的盘面半径。

5.根据权利要求1-4任一项所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，所述弧面铝屏蔽罩在其对称轴所在平面内的截面外侧曲线的轨迹为方程：G(r,k,a,h₀)＝h₀-a·(e^-kr+e^kr)＝0，其中，h₀表示所述弧面铝屏蔽罩的初始高度，r为水平方向距离变量，a为幅值参数，k为曲率参数。

6.根据权利要求5所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，截面外侧曲线的轨迹设置为采用函数对G函数进行拟合，其中，R₀为所述弧面铝屏蔽罩开口端面的最大盘面半径，为确定所述弧面铝屏蔽罩的初始高度h₀和最大盘面半径R₀的基本二次函数，b为弧度调节参数，部分根据b调节正弦函数的幅值从而调节所述弧面铝屏蔽罩的弧度。

7.根据权利要求6所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，所述弧面铝屏蔽罩开口端面的内圈半径等于所述无线电能传输线圈的盘面半径。

8.根据权利要求7所述的应用于无线电能传输系统的屏蔽装置，其特征在于，截面外侧曲线的轨迹设计方法为：

通过时域有限元电磁场仿真，获取至少两个预设弧度调节参数下，所述无线电能传输线圈的耦合系数随所述弧面铝屏蔽罩的高度变化的曲线，确定所述弧面铝屏蔽罩的设计高度；

通过时域有限元电磁场仿真，确定在所述设计高度下，与所述无线电能传输线圈的最优耦合系数对应的所述弧度调节参数。