CN109768628A - 一种目标区域磁屏蔽方法及应用其的感应电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标区域磁屏蔽方法及应用其的感应电能传输系统，涉及感应电能传输系统磁屏蔽领域；其包括步骤1：根据感应电能传输系统设定屏蔽条件；步骤2：根据直流电压U_in的值电池U_O的值计算高频交流电流i₁的相量高频交流电流i₂的相量和原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流在屏蔽线圈L₃中产生的高频交流电流i₃的相量步骤3：根据步骤1结果定义目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S；步骤4：将步骤3的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，求解补偿电容值本发明定量计算无源屏蔽线圈的补偿电容，将目标区域的磁感应强度优化为最低，即实现目标区域的最优屏蔽效果。

Description

一种目标区域磁屏蔽方法及应用其的感应电能传输系统

技术领域

本发明涉及感应电能传输系统磁屏蔽领域，尤其是一种目标区域磁屏蔽方法及应用其的感应电能传输系统。

背景技术

利用空气中高频电磁场实现电能无线传输的感应电能传输系统克服了依靠电缆作为媒介的有线电能传输存在的滑动磨损、导线裸露、导线老化和接触火花等问题，因其环保、安全、方便等优点广泛地应用于诸如电动牙刷、手机和电动汽车等产品中。

感应电能传输系统在周围空间中不可避免的产生漏磁，不仅对置身其中的人体造成危害，而且对周围的设备造成不同程度的干扰。为了应对这一潜在的安全隐患，研究者们提出了许多相应的磁屏蔽方法，常见的方法有加入铁磁性材料和金属导体，前者会显著增加系统成本，后者会较大程度上降低系统效率。

为克服上述两种方法的缺点，研究者们还提出了在系统外部放置有源屏蔽线圈和无源屏蔽线圈的磁屏蔽方法，其原理都是通过产生与原磁场方向相反的抵消磁场来降低漏磁。相比于放置有源屏蔽线圈来说，放置无源屏蔽线圈能降低成本，减轻装置重量，更具有经济性和实用性。

感应电能传输系统的漏磁在无源屏蔽线圈中产生屏蔽电流，屏蔽电流的大小关系着目标区域的屏蔽效果，为有效的调节屏蔽电流，加入补偿电容，补偿过少不能有效的降低漏磁，补偿过多反而会增强漏磁，现有的技术没有对补偿电容与目标区域的屏蔽效果建立计算模型，无法在目标区域取得最优屏蔽效果时定量的确定补偿电容，因此在无源屏蔽线圈的基础上，如何设计补偿电容达到目标区域最优屏蔽效果有着巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种目标区域磁屏蔽方法及应用其的感应电能传输系统，解决现有技术未对补偿电容与目标区域的屏蔽效果建立计算模型，无法在目标区域取得最优屏蔽效果时定量地确定补偿电容的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种目标区域磁屏蔽方法，包括如下步骤：

步骤1：根据感应电能传输系统设定屏蔽条件；

步骤2：根据屏蔽条件和感应电能传输系统的直流电压U_in的值电池U_O的电压值计算流过原边线圈L₁的高频交流电流i₁的相量流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量和原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生的高频交流电流i₃的相量

步骤3：根据步骤1结果定义目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S；

步骤4：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，求解补偿电容值完成磁屏蔽优化。

优选地，所述步骤1屏蔽条件如下：

感应电能传输系统包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，感应电能传输装置包括原边线圈L₁、原边谐振电容C₁、副边线圈L₂和副边谐振电容C₂，无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃，根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂、原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃和副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

M₁₃,M₂₃<0.05M₁₂ (2)

其中，ω表示系统工作角频率。

优选地，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：感应电能传输系统包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、原边线圈L₁和副边线圈L₂，屏蔽线圈L₃处于断开状态时，直流电压源U_in上的直流电压经过高频逆变器H产生高频交流电压u₁，根据直流电压源U_in上的直流电压计算高频交流电压u₁的相量计算公式如下：

根据电池U_O的电压值计算整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算公式如下：

步骤2.2：结合耦合电感的去耦合等效原理，根据高频交流电压u₁的相量整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算流过原边线圈L₁高频交流电流i₁的相量和流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量计算公式如下：

其中，M₁₂表示原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感；

步骤2.3：当屏蔽线圈L₃处于连通状态时，原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生高频交流电流i₃，根据耦合电感的去耦合等效原理、高频交流电流i₁的相量和高频交流电流i₂的相量计算高频交流电流i₃的相量计算公式如下：

其中，M₁₃表示原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感，M₂₃表示原边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感，表示补偿电容C₃的电容值，表示屏蔽线圈的电感值。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据和计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i的相量相量在笛卡尔坐标系中分解为：

其中，分别表示相量沿x、y、z方向上的分量；

根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量为：

根据式8，相量和在相角上相差90°，因此目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i为：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i；

步骤3.2：根据式1、式2和目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S：

优选地，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，获取补偿电容值计算公式如下：

其中参数α、β、λ满足以下关系：

一种应用权利要求1所述方法的感应电能传输系统，包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，所述无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃，所述感应电能传输装置包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、副边谐振电容C₂、原边谐振电容C₁、滤波电容C_D、原边线圈L₁和副边线圈L₂；

直流电压源U_in连接高频逆变器H，高频逆变器H、原边谐振电容C₁和原边线圈L₁环绕连接构成发射回路，副边线圈L₂、整流器K和原边谐振电容C₁环绕连接构成接收回路，整流器K并联连接滤波电容C_D后连接电池U_O，屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃串联连接构成屏蔽回路；

根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值和副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂，原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃，副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

M₁₃,M₂₃<0.05M₁₂ (2)

其中，ω表示系统工作角频率。

补偿电容C₃的电容值满足以下关系：

其中，直流电压源U_in的电压值为电池U_O的电压值为

优选地，所述式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i。

优选地，所述感应电能传输装置、无源屏蔽装置的电路连接如下：

高频逆变器H的输入端连接在直流电压源U_in上，高频逆变器H的上输出端与原边谐振电容C₁的上端相连，原边谐振电容C₁的下端与原边线圈L1的上端相连，原边线圈L1的下输出端与高频逆变器H的下输出端相连；

副边线圈L₂的上端与副边谐振电容C₂的上端相连，副边谐振电容C₂的上端与整流器K的上输入端相连，整流器K的下输入端与副边线圈L₂的下端相连；

整流器K的上输出端分别与滤波电容C_D的上端和电池U_O的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容C_D的下端和电池U_O的下端相连；

屏蔽线圈L₃的上端与补偿电容C₃的上端相连，补偿电容C₃的下端与屏蔽线圈L₃的下端相连。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过对补偿电容的具体量化实现目标区域的最优屏蔽效果，解决现有技术未对补偿电容与目标区域的屏蔽效果建立计算模型，无法在目标区域取得最优屏蔽效果时定量地确定补偿电容的问题，达到了实现目标区域的最优屏蔽效果的效果；

2.本发明克服无源屏蔽线圈进行磁屏蔽带来的漏磁，定量计算补偿电容，获取最佳屏蔽效果，电路拓扑结构简单，传输功率大，应用广泛；同时降低系统成本、减轻装置重量，具有经济性和实用性；

3.本发明在无源屏蔽线圈实现磁屏蔽的同时限制屏蔽线圈与原、副边线圈之间的互感，解决了由于屏蔽线圈的加入使得原系统的各项重要电气参数包括电流、电压、效率会剧烈变化的问题，保证了原系统在屏蔽线圈加入后的稳定性；

4.本发明目标区域内所有点的磁感应平方和A_S代表目标区域的屏蔽效果，A_S越小意味着目标区域的屏蔽效果越好，随着补偿电容值的增大，屏蔽线圈的阻抗先从感性阻抗降为零，之后又会变成容性阻抗不断增加，导致屏蔽线圈电流先降低又增大，目标区域内任意点的磁感应强度B_i和目标区域内所有点的磁感应平方和A_S也会先降低后增大，因此对A_S进行求导并将导数置零求解得到补偿电容值，即A_S取最小值时，目标区域有最优屏蔽效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的系统部分电路图；

图3为本发明的装置示意图；

图4为本发明的目标区域Q内所有点的磁感应平方和-补偿电容值的曲线图；

附图标记：1-原边线圈，2-副边线圈，3-屏蔽线圈，4-目标区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术问题：解决现有的技术没有对补偿电容与目标区域的屏蔽效果建立计算模型，无法在目标区域取得最优屏蔽效果时定量的确定补偿电容的问题；

技术手段：一种目标区域磁屏蔽方法，包括如下步骤：

步骤1：根据感应电能传输系统设定屏蔽条件；

步骤2：根据屏蔽条件和感应电能传输系统的直流电压U_in的值电池U_O的电压值计算流过原边线圈L₁的高频交流电流i₁的相量流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量和原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生的高频交流电流i₃的相量

步骤3：根据步骤1结果定义目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S；

步骤4：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，求解补偿电容值完成磁屏蔽优化。

步骤1屏蔽条件如下：

感应电能传输系统包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，感应电能传输装置包括原边线圈L₁、原边谐振电容C₁、副边线圈L₂和副边谐振电容C₂，无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃，根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂、原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃和副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

M₁₃,M₂₃<0.05M₁₂ (2)

其中，ω表示系统工作角频率。

步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：感应电能传输系统包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、原边线圈L₁和副边线圈L₂，屏蔽线圈L₃处于断开状态时，直流电压源U_in上的直流电压经过高频逆变器H产生高频交流电压u₁，根据直流电压源U_in上的直流电压计算高频交流电压u₁的相量计算公式如下：

根据电池U_O的电压值计算整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算公式如下：

步骤2.2：结合耦合电感的去耦合等效原理，根据高频交流电压u₁的相量整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算流过原边线圈L₁高频交流电流i₁的相量和流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量计算公式如下：

其中，M₁₂表示原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感；

步骤2.3：当屏蔽线圈L₃处于连通状态时，原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生高频交流电流i₃，根据耦合电感的去耦合等效原理、高频交流电流i₁的相量和高频交流电流i₂的相量计算高频交流电流i₃的相量计算公式如下：

其中，M₁₃表示原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感，M₂₃表示原边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感，表示补偿电容C₃的电容值，表示屏蔽线圈的电感值。

步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据和计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i的相量相量在笛卡尔坐标系中分解为：

其中，分别表示相量沿x、y、z方向上的分量；

根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量为：

根据式8，相量和在相角上相差90°，因此目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i为：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i；

步骤3.2：根据式1、式2和目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S：

步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，获取补偿电容值计算公式如下：

其中参数α、β、λ满足以下关系：

一种应用权利要求1所述方法的感应电能传输系统，包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，所述无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃，所述感应电能传输装置包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、副边谐振电容C₂、原边谐振电容C₁、滤波电容C_D、原边线圈L₁和副边线圈L₂；

直流电压源U_in连接高频逆变器H，高频逆变器H、原边谐振电容C₁和原边线圈L₁环绕连接构成发射回路，副边线圈L₂、整流器K和原边谐振电容C₁环绕连接构成接收回路，整流器K并联连接滤波电容C_D后连接电池U_O，屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃串联连接构成屏蔽回路；

根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值和副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂，原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃，副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

M₁₃,M₂₃<0.05M₁₂ (2)

其中，ω表示系统工作角频率。

补偿电容C₃的电容值满足以下关系：

其中，直流电压源U_in的电压值为电池U_O的电压值为

式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i。

感应电能传输装置、无源屏蔽装置的电路连接如下：

高频逆变器H的输入端连接在直流电压源U_in上，高频逆变器H的上输出端与原边谐振电容C₁的上端相连，原边谐振电容C₁的下端与原边线圈L1的上端相连，原边线圈L1的下输出端与高频逆变器H的下输出端相连；

副边线圈L₂的上端与副边谐振电容C₂的上端相连，副边谐振电容C₂的上端与整流器K的上输入端相连，整流器K的下输入端与副边线圈L₂的下端相连；

整流器K的上输出端分别与滤波电容C_D的上端和电池U_O的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容C_D的下端和电池U_O的下端相连；

屏蔽线圈L₃的上端与补偿电容C₃的上端相连，补偿电容C₃的下端与屏蔽线圈L₃的下端相连。

技术效果：本发明通过对补偿电容的具体量化实现目标区域的最优屏蔽效果，解决现有的技术没有对补偿电容与目标区域的屏蔽效果建立计算模型，无法在目标区域取得最优屏蔽效果时定量的确定补偿电容的问题，达到了实现目标区域的最优屏蔽效果的效果；本发明克服无源屏蔽线圈进行磁屏蔽带来的漏磁，定量计算补偿电容，获取最佳屏蔽效果，电路拓扑结构简单，传输功率大，应用广泛；同时降低系统成本、减轻装置重量，具有经济性和实用性；本发明在无源屏蔽线圈实现磁屏蔽的同时限制屏蔽线圈与原、副边线圈之间的互感，解决了由于屏蔽线圈的加入使得原系统的各项重要电气参数包括电流、电压、效率会剧烈变化的问题，保证了原系统在屏蔽线圈加入后的稳定性；目标区域内所有点的磁感应平方和A_S代表目标区域的屏蔽效果，A_S越小意味着目标区域的屏蔽效果越好，随着补偿电容值的增大，屏蔽线圈的阻抗先从感性阻抗降为零，之后又会变成容性阻抗不断增加，导致屏蔽线圈电流先降低又增大，目标区域内任意点的磁感应强度B_i和目标区域内所有点的磁感应平方和A_S也会先降低后增大，因此对A_S进行求导并将导数置零求解得到补偿电容值，即A_S取最小值时，目标区域有最优屏蔽效果。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

一种目标区域磁屏蔽方法，包括如下步骤：

步骤1：根据感应电能传输系统设定屏蔽条件；

步骤2：根据屏蔽条件和感应电能传输系统的直流电压U_in的值电池U_O的电压值计算流过原边线圈L₁的高频交流电流i₁的相量流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量和原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生的高频交流电流i₃的相量

步骤3：根据步骤1结果定义目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S；

步骤4：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，求解补偿电容值完成磁屏蔽优化。

一种感应电能传输系统，包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，所述无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃，所述感应电能传输装置包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、副边谐振电容C₂、原边谐振电容C₁、滤波电容C_D、原边线圈L₁和副边线圈L₂；

根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值和副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂，原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃，副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

其中，ω表示系统工作角频率。式1让原边线圈和副边线圈分别谐振，让感应电能传输系统能最大程度提供能量；式2让屏蔽线圈对感应电能传输系统的影响最小，因为屏蔽线圈与原边线圈和副边线圈的互感很小，引起的变化可以忽略不计。

感应电能传输装置和无源屏蔽装置电路连接：频逆变器H的输入端连接在直流电压源U_in上，高频逆变器H的上输出端与原边谐振电容C₁的上端相连，原边谐振电容C₁的下端与原边线圈L1的上端相连，原边线圈L1的下输出端与高频逆变器H的下输出端相连；

副边线圈L₂的上端与副边谐振电容C₂的上端相连，副边谐振电容C₂的上端与整流器K的上输入端相连，整流器K的下输入端与副边线圈L₂的下端相连；

整流器K的上输出端分别与滤波电容C_D的上端和电池U_O的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容C_D的下端和电池U_O的下端相连；

屏蔽线圈L₃的上端与补偿电容C₃的上端相连，补偿电容C₃的下端与屏蔽线圈L₃的下端相连，电路连接具体如图2所示。

补偿电容C₃的电容值满足以下关系：

其中，直流电压源U_in的电压值为电池U_O的电压值为

式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i。

工作原理：系统感应传输原理：流经过原边的高频交流电在空间中激发出高频交变电磁场，高频交变电磁场在副边感应出高频交流电，电能从原边通过电磁场传输到副边；装置示意图如图3所示，原边线圈1和副边线圈2的中点在同一轴线，屏蔽线3所在的平面平行于该轴线，目标区域4在屏蔽线圈3后面且远离原边线圈1和副边线圈2的区域，目标区域4和屏蔽线圈3根据实际情况设定；实现最佳屏蔽效果的手段以及原理：系统产生的漏磁通过屏蔽线圈同样会感应出高频交流电，通过补偿电容可以控制该高频交流电，使得该高频交流电产生的磁场与漏磁方向相反从而抵消漏磁，选定特定的补偿电容可以使得屏蔽效果最优；目标区域Q内所有点的磁感应平方和A_S代表着目标区域Q的屏蔽效果，A_S越小意味着目标区域Q的屏蔽效果越好，当A_S取最小值时，目标区域Q有最优屏蔽效果，此时对应的补偿电容值为随着补偿电容值的增大，屏蔽线圈的阻抗先从感性阻抗降为零，之后又会变成容性阻抗不断增加，导致屏蔽线圈电流先降低又增大，目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i和目标区域Q内所有点的磁感应平方和A_S也会先降低后增大，因此对A_S进行求导并将导数置零求解得到当补偿电容值取时，目标区域Q的最优屏蔽效果。

实施例2

基于实施例1，步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：感应电能传输系统包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、原边线圈L₁和副边线圈L₂，屏蔽线圈L₃处于断开状态时，直流电压源U_in上的直流电压经过高频逆变器H产生高频交流电压u₁，根据直流电压源U_in上的直流电压计算高频交流电压u₁的相量计算公式如下：

根据电池U_O的电压值计算整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算公式如下：

步骤2.2：结合耦合电感的去耦合等效原理，根据高频交流电压u₁的相量整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算流过原边线圈L₁高频交流电流i₁的相量和流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量计算公式如下：

其中，M₁₂表示原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感；

步骤2.3：当屏蔽线圈L₃处于连通状态时，原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生高频交流电流i₃，根据耦合电感的去耦合等效原理、高频交流电流i₁的相量和高频交流电流i₂的相量计算高频交流电流i₃的相量计算公式如下：

其中，M₁₃表示原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感，M₂₃表示原边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感，示补偿电容C₃的电容值，表示屏蔽线圈的电感值。

步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据和计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i的相量相量在笛卡尔坐标系中分解为：

其中，分别表示相量沿x、y、z方向上的分量；

根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量为：

根据式8，相量和在相角上相差90°，因此目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i为：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i；

步骤3.2：根据式1、式2和目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S：

步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，获取补偿电容值计算公式如下：

其中参数α、β、λ满足以下关系：

目标区域Q内所有点的磁感应平方和A_S代表着目标区域Q的屏蔽效果，A_S越小意味着目标区域Q的屏蔽效果越好，当A_S取最小值时，目标区域Q有最优屏蔽效果，此时对应的补偿电容值为随着补偿电容值的增大，屏蔽线圈的阻抗先从感性阻抗降为零，之后又会变成容性阻抗不断增加，导致屏蔽线圈电流先降低又增大，目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i和目标区域Q内所有点的磁感应平方和A_S也会先降低后增大，因此当补偿电容值取时，目标区域Q的最优屏蔽效果，如图4所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种目标区域磁屏蔽方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据感应电能传输系统设定屏蔽条件；

步骤2：根据屏蔽条件和感应电能传输系统的直流电压U_in的值电池U_O的电压值计算流过原边线圈L₁的高频交流电流i₁的相量流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量和原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生的高频交流电流i₃的相量

步骤3：根据步骤1结果定义目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S；

步骤4：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，求解补偿电容值完成磁屏蔽优化。

2.根据权利要求1所述的一种目标区域磁屏蔽方法，其特征在于：所述步骤1屏蔽条件如下：

感应电能传输系统包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，感应电能传输装置包括原边线圈L₁、原边谐振电容C₁、副边线圈L₂和副边谐振电容C₂，无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃，根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂、原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃和副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

M₁₃,M₂₃<0.05M₁₂ (2)

其中，ω表示系统工作角频率。

3.根据权利要求1所述的一种目标区域磁屏蔽方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：感应电能传输系统包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、原边线圈L₁和副边线圈L₂，屏蔽线圈L₃处于断开状态时，直流电压源U_in上的直流电压经过高频逆变器H产生高频交流电压u₁，根据直流电压源U_in上的直流电压计算高频交流电压u₁的相量计算公式如下：

根据电池U_O的电压值计算整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算公式如下：

步骤2.2：结合耦合电感的去耦合等效原理，根据高频交流电压u₁的相量整流器K输入端高频交流电压u₂的相量计算流过原边线圈L₁高频交流电流i₁的相量和流过副边线圈L₂高频交流电流i₂的相量计算公式如下：

其中，M₁₂表示原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感；

步骤2.3：当屏蔽线圈L₃处于连通状态时，原边线圈L₁和副边线圈L₂产生的电流通过电磁耦合在系统外设置的屏蔽线圈L₃中产生高频交流电流i₃，根据耦合电感的去耦合等效原理、高频交流电流i₁的相量和高频交流电流i₂的相量计算高频交流电流i₃的相量计算公式如下：

其中，M₁₃表示原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感，M₂₃表示原边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感，表示补偿电容C₃的电容值，表示屏蔽线圈的电感值。

4.根据权利要求1或者3所述的一种目标区域磁屏蔽方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据和计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i的相量相量在笛卡尔坐标系中分解为：

其中，分别表示相量沿x、y、z方向上的分量；

根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量为：

根据式8，相量和在相角上相差90°，因此目标区域Q内任意一点i的磁感应强度B_i为：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i；

步骤3.2：根据式1、式2和目标区域Q内任意点的磁感应强度B_i即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和A_S：

5.根据权利要求1所述的一种目标区域磁屏蔽方法，其特征在于：所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：将步骤2的A_S对屏蔽线圈L₃中增设的补偿电容C₃的电容值的导数置为零，获取补偿电容值计算公式如下：

其中参数α、β、λ满足以下关系：

6.一种应用权利要求1所述方法的感应电能传输系统，包括感应电能传输装置和无源屏蔽装置，其特征在于：所述无源屏蔽装置包括屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃，所述感应电能传输装置包括直流电压源U_in、高频逆变器H、整流器K、电池U_O、副边谐振电容C₂、原边谐振电容C₁、滤波电容C_D、原边线圈L₁和副边线圈L₂；

直流电压源U_in连接高频逆变器H，高频逆变器H、原边谐振电容C₁和原边线圈L₁环绕连接构成发射回路，副边线圈L₂、整流器K和原边谐振电容C₁环绕连接构成接收回路，整流器K并联连接滤波电容C_D后连接电池U_O，屏蔽线圈L₃和补偿电容C₃串联连接构成屏蔽回路；

根据原边线圈L₁的电感值原边谐振电容C₁的电容值副边线圈L₂的电感值和副边谐振电容C₂的电容值设定原边线圈L₁与副边线圈L₂的互感M₁₂，原边线圈L₁与屏蔽线圈L₃的互感M₁₃，副边线圈L₂与屏蔽线圈L₃的互感M₂₃满足如下条件：

M₁₃,M₂₃<0.05M₁₂(2)

其中，ω表示系统工作角频率。

补偿电容C₃的电容值满足以下关系：

其中，直流电压源U_in的电压值为电池U_O的电压值为

7.根据权利要求6所述的一种感应电能传输系统，其特征在于：所述式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：

其中，原边线圈L₁在目标区域Q内任意一点i(i＝1,2,3……n)沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x1i、K_y1i、K_z1i；副边线圈L₂在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x2i、K_y2i、K_z2i；屏蔽线圈L₃在目标区域Q内任意一点i沿x方向、y方向、z方向的磁感应强度与电流的比分别为K_x3i、K_y3i、K_z3i。

8.根据权利要求6所述的一种感应电能传输系统，其特征在于：所述感应电能传输装置、无源屏蔽装置的电路连接如下：

高频逆变器H的输入端连接在直流电压源U_in上，高频逆变器H的上输出端与原边谐振电容C₁的上端相连，原边谐振电容C₁的下端与原边线圈L1的上端相连，原边线圈L1的下输出端与高频逆变器H的下输出端相连；

副边线圈L₂的上端与副边谐振电容C₂的上端相连，副边谐振电容C₂的上端与整流器K的上输入端相连，整流器K的下输入端与副边线圈L₂的下端相连；

整流器K的上输出端分别与滤波电容C_D的上端和电池U_O的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容C_D的下端和电池U_O的下端相连；

屏蔽线圈L₃的上端与补偿电容C₃的上端相连，补偿电容C₃的下端与屏蔽线圈L₃的下端相连。