CN109768628B - 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

一种目标区域磁屏蔽方法及应用其的感应电能传输系统 Download PDF

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CN109768628B CN201910045524.5A CN201910045524A CN109768628B CN 109768628 B CN109768628 B CN 109768628B CN 201910045524 A CN201910045524 A CN 201910045524A CN 109768628 B CN109768628 B CN 109768628B
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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Uin的值
Figure DDA0001949020860000011
电池UO的值
Figure DDA0001949020860000012
计算高频交流电流i1的相量
Figure DDA0001949020860000013
高频交流电流i2的相量
Figure DDA0001949020860000014
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
Figure DDA0001949020860000015
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Bi，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS；步骤4：将步骤3的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure DDA0001949020860000016
的导数置为零，求解补偿电容值
Figure DDA0001949020860000017
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Uin的值
Figure BDA0001949020840000011
电池UO的电压值
Figure BDA0001949020840000012
计算流过原边线圈L1的高频交流电流i1的相量
Figure BDA0001949020840000013
流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure BDA0001949020840000021
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
Figure BDA0001949020840000022
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Bi，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS；
步骤4：将步骤2的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001949020840000023
的导数置为零，求解补偿电容值
Figure BDA0001949020840000024
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
Figure BDA0001949020840000025
原边谐振电容C1的电容值
Figure BDA0001949020840000026
副边线圈L2的电感值
Figure BDA0001949020840000027
副边谐振电容C2的电容值
Figure BDA0001949020840000028
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：
Figure BDA0001949020840000029
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、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Uin上的直流电压
Figure BDA00019490208400000210
经过高频逆变器H产生高频交流电压u1，根据直流电压源Uin上的直流电压
Figure BDA00019490208400000211
计算高频交流电压u1的相量
Figure BDA00019490208400000212
计算公式如下：
Figure BDA00019490208400000213
根据电池UO的电压值
Figure BDA00019490208400000214
计算整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure BDA00019490208400000215
计算公式如下：
Figure BDA00019490208400000216
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
Figure BDA0001949020840000031
整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure BDA0001949020840000032
计算流过原边线圈L1高频交流电流i1的相量
Figure BDA0001949020840000033
和流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure BDA0001949020840000034
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000035
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
Figure BDA0001949020840000036
和高频交流电流i2的相量
Figure BDA0001949020840000037
计算高频交流电流i3的相量
Figure BDA0001949020840000038
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000039
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，
Figure BDA00019490208400000310
表示补偿电容C3的电容值，
Figure BDA00019490208400000311
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
Figure BDA00019490208400000312
和
Figure BDA00019490208400000313
计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度Bi的相量
Figure BDA00019490208400000314
相量
Figure BDA00019490208400000315
在笛卡尔坐标系中分解为：
Figure BDA00019490208400000316
其中，
Figure BDA00019490208400000317
分别表示相量
Figure BDA00019490208400000318
沿x、y、z方向上的分量；
根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量
Figure BDA00019490208400000319
为：
Figure BDA0001949020840000041
根据式8，相量
Figure BDA0001949020840000042
和
Figure BDA0001949020840000043
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Bi为：
Figure BDA0001949020840000044
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i；
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Bi即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS：
Figure BDA0001949020840000051
优选地，所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将步骤2的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001949020840000052
的导数置为零，获取补偿电容值
Figure BDA0001949020840000053
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000054
其中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure BDA0001949020840000055
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、副边谐振电容C2、原边谐振电容C1、滤波电容CD、原边线圈L1和副边线圈L2；
直流电压源Uin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CD后连接电池UO，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
Figure BDA0001949020840000061
原边谐振电容C1的电容值
Figure BDA0001949020840000062
副边线圈L2的电感值
Figure BDA0001949020840000063
和副边谐振电容C2的电容值
Figure BDA0001949020840000064
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：
Figure BDA0001949020840000065
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
Figure BDA0001949020840000066
满足以下关系：
Figure BDA00019490208400000610
其中，直流电压源Uin的电压值为
Figure BDA0001949020840000067
电池UO的电压值为
Figure BDA0001949020840000068
优选地，所述式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure BDA0001949020840000069
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i。
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Uin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CD的上端和电池UO的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容CD的下端和电池UO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AS代表目标区域的屏蔽效果，AS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Bi和目标区域内所有点的磁感应平方和AS也会先降低后增大，因此对AS进行求导并将导数置零求解得到补偿电容值，即AS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Uin的值
Figure BDA0001949020840000081
电池UO的电压值
Figure BDA0001949020840000082
计算流过原边线圈L1的高频交流电流i1的相量
Figure BDA0001949020840000083
流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure BDA0001949020840000084
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
Figure BDA0001949020840000085
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Bi，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS；
步骤4：将步骤2的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001949020840000086
的导数置为零，求解补偿电容值
Figure BDA0001949020840000091
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
Figure BDA0001949020840000092
原边谐振电容C1的电容值
Figure BDA0001949020840000093
副边线圈L2的电感值
Figure BDA0001949020840000094
副边谐振电容C2的电容值
Figure BDA0001949020840000095
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：
Figure BDA0001949020840000096
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、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Uin上的直流电压
Figure BDA0001949020840000097
经过高频逆变器H产生高频交流电压u1，根据直流电压源Uin上的直流电压
Figure BDA0001949020840000098
计算高频交流电压u1的相量
Figure BDA0001949020840000099
计算公式如下：
Figure BDA00019490208400000910
根据电池UO的电压值
Figure BDA00019490208400000911
计算整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure BDA00019490208400000912
计算公式如下：
Figure BDA00019490208400000913
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
Figure BDA00019490208400000914
整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure BDA00019490208400000915
计算流过原边线圈L1高频交流电流i1的相量
Figure BDA00019490208400000916
和流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure BDA00019490208400000917
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000101
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
Figure BDA0001949020840000102
和高频交流电流i2的相量
Figure BDA0001949020840000103
计算高频交流电流i3的相量
Figure BDA0001949020840000104
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000105
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，
Figure BDA0001949020840000106
表示补偿电容C3的电容值，
Figure BDA0001949020840000107
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
Figure BDA0001949020840000108
和
Figure BDA0001949020840000109
计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度Bi的相量
Figure BDA00019490208400001010
相量
Figure BDA00019490208400001011
在笛卡尔坐标系中分解为：
Figure BDA00019490208400001012
其中，
Figure BDA00019490208400001013
分别表示相量
Figure BDA00019490208400001014
沿x、y、z方向上的分量；
根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量
Figure BDA00019490208400001015
为：
Figure BDA0001949020840000111
根据式8，相量
Figure BDA0001949020840000112
和
Figure BDA0001949020840000113
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Bi为：
Figure BDA0001949020840000114
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i；
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Bi即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS：
Figure BDA0001949020840000121
步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将步骤2的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001949020840000122
的导数置为零，获取补偿电容值
Figure BDA0001949020840000123
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000124
其中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure BDA0001949020840000125
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、副边谐振电容C2、原边谐振电容C1、滤波电容CD、原边线圈L1和副边线圈L2；
直流电压源Uin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CD后连接电池UO，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
Figure BDA0001949020840000131
原边谐振电容C1的电容值
Figure BDA0001949020840000132
副边线圈L2的电感值
Figure BDA0001949020840000133
和副边谐振电容C2的电容值
Figure BDA0001949020840000134
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：
Figure BDA0001949020840000135
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
Figure BDA0001949020840000136
满足以下关系：
Figure BDA0001949020840000137
其中，直流电压源Uin的电压值为
Figure BDA0001949020840000138
电池UO的电压值为
Figure BDA0001949020840000139
式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure BDA00019490208400001310
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i。
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Uin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CD的上端和电池UO的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容CD的下端和电池UO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AS代表目标区域的屏蔽效果，AS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Bi和目标区域内所有点的磁感应平方和AS也会先降低后增大，因此对AS进行求导并将导数置零求解得到补偿电容值，即AS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Uin的值
Figure BDA0001949020840000141
电池UO的电压值
Figure BDA0001949020840000142
计算流过原边线圈L1的高频交流电流i1的相量
Figure BDA0001949020840000143
流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure BDA0001949020840000144
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
Figure BDA0001949020840000145
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Bi，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS；
步骤4：将步骤2的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001949020840000151
的导数置为零，求解补偿电容值
Figure BDA0001949020840000152
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、副边谐振电容C2、原边谐振电容C1、滤波电容CD、原边线圈L1和副边线圈L2；
根据原边线圈L1的电感值
Figure BDA0001949020840000153
原边谐振电容C1的电容值
Figure BDA0001949020840000154
副边线圈L2的电感值
Figure BDA0001949020840000155
和副边谐振电容C2的电容值
Figure BDA0001949020840000156
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：
Figure BDA0001949020840000157
Figure BDA0001949020840000158
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Uin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CD的上端和电池UO的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容CD的下端和电池UO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
Figure BDA0001949020840000159
满足以下关系：
Figure BDA00019490208400001510
其中，直流电压源Uin的电压值为
Figure BDA0001949020840000161
电池UO的电压值为
Figure BDA0001949020840000162
式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure BDA0001949020840000163
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i。
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AS代表着目标区域Q的屏蔽效果，AS越小意味着目标区域Q的屏蔽效果越好，当AS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
Figure BDA0001949020840000164
随着补偿电容值
Figure BDA0001949020840000165
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Bi和目标区域Q内所有点的磁感应平方和AS也会先降低后增大，因此对AS进行求导并将导数置零求解得到
Figure BDA0001949020840000166
当补偿电容值取
Figure BDA0001949020840000167
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、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Uin上的直流电压
Figure BDA0001949020840000171
经过高频逆变器H产生高频交流电压u1，根据直流电压源Uin上的直流电压
Figure BDA0001949020840000172
计算高频交流电压u1的相量
Figure BDA0001949020840000173
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000174
根据电池UO的电压值
Figure BDA0001949020840000175
计算整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure BDA0001949020840000176
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000177
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
Figure BDA0001949020840000178
整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure BDA0001949020840000179
计算流过原边线圈L1高频交流电流i1的相量
Figure BDA00019490208400001710
和流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure BDA00019490208400001711
计算公式如下：
Figure BDA00019490208400001712
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
Figure BDA00019490208400001713
和高频交流电流i2的相量
Figure BDA00019490208400001714
计算高频交流电流i3的相量
Figure BDA00019490208400001715
计算公式如下：
Figure BDA00019490208400001716
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，
Figure BDA00019490208400001717
示补偿电容C3的电容值，
Figure BDA00019490208400001718
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
Figure BDA0001949020840000181
和
Figure BDA0001949020840000182
计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度Bi的相量
Figure BDA0001949020840000183
相量
Figure BDA0001949020840000184
在笛卡尔坐标系中分解为：
Figure BDA0001949020840000185
其中，
Figure BDA0001949020840000186
分别表示相量
Figure BDA0001949020840000187
沿x、y、z方向上的分量；
根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量
Figure BDA0001949020840000188
为：
Figure BDA0001949020840000189
根据式8，相量
Figure BDA00019490208400001810
和
Figure BDA00019490208400001811
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Bi为：
Figure BDA00019490208400001812
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i；
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Bi即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS：
Figure BDA0001949020840000191
步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将步骤2的AS对屏蔽线圈L3中增设的补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001949020840000192
的导数置为零，获取补偿电容值
Figure BDA0001949020840000193
计算公式如下：
Figure BDA0001949020840000194
其中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure BDA0001949020840000195
目标区域Q内所有点的磁感应平方和AS代表着目标区域Q的屏蔽效果，AS越小意味着目标区域Q的屏蔽效果越好，当AS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
Figure BDA0001949020840000196
随着补偿电容值
Figure BDA0001949020840000197
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Bi和目标区域Q内所有点的磁感应平方和AS也会先降低后增大，因此当补偿电容值取
Figure BDA0001949020840000201
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 (3)

1.一种目标区域磁屏蔽方法，其特征在于：
感应电能传输系统包括高频逆变器H、直流电压源Uin、滤波电容CD、电池UO、整流器K、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；
高频逆变器H的输入端连接在直流电压源Uin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CD的上端和电池UO的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容CD的下端和电池UO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；
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Uin的值
Figure FDA0003605682110000011
电池UO的电压值
Figure FDA0003605682110000012
计算流过原边线圈L1的高频交流电流i1的相量
Figure FDA0003605682110000013
流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure FDA0003605682110000014
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
Figure FDA0003605682110000015
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Bi，并计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS；
步骤4：将步骤3的AS对与屏蔽线圈L3相连的补偿电容C3的电容值
Figure FDA0003605682110000016
的导数置为零，求解补偿电容值
Figure FDA0003605682110000017
完成磁屏蔽优化；
所述步骤1屏蔽条件如下：
根据原边线圈L1的电感值
Figure FDA0003605682110000018
原边谐振电容C1的电容值
Figure FDA0003605682110000019
副边线圈L2的电感值
Figure FDA00036056821100000110
副边谐振电容C2的电容值
Figure FDA00036056821100000111
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：
Figure FDA0003605682110000021
M13,M23<0.05M12 (2)
其中，ω表示系统工作角频率；
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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、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Uin上的直流电压
Figure FDA0003605682110000022
经过高频逆变器H产生高频交流电压u1，根据直流电压源Uin上的直流电压
Figure FDA0003605682110000023
计算高频交流电压u1的相量
Figure FDA0003605682110000024
计算公式如下：
Figure FDA0003605682110000025
根据电池UO的电压值
Figure FDA0003605682110000026
计算整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure FDA0003605682110000027
计算公式如下：
Figure FDA0003605682110000028
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
Figure FDA0003605682110000029
整流器K输入端高频交流电压u2的相量
Figure FDA00036056821100000210
计算流过原边线圈L1高频交流电流i1的相量
Figure FDA00036056821100000211
和流过副边线圈L2高频交流电流i2的相量
Figure FDA00036056821100000212
计算公式如下：
Figure FDA00036056821100000213
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
Figure FDA00036056821100000214
和高频交流电流i2的相量
Figure FDA00036056821100000215
计算高频交流电流i3的相量
Figure FDA00036056821100000216
计算公式如下：
Figure FDA0003605682110000031
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，
Figure FDA0003605682110000032
表示补偿电容C3的电容值，
Figure FDA0003605682110000033
表示屏蔽线圈的电感值；
所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：根据
Figure FDA0003605682110000034
和
Figure FDA0003605682110000035
计算目标区域Q内任意一点i的磁感应强度Bi的相量
Figure FDA0003605682110000036
相量
Figure FDA0003605682110000037
在笛卡尔坐标系中分解为：
Figure FDA0003605682110000038
其中，
Figure FDA0003605682110000039
分别表示相量
Figure FDA00036056821100000310
沿x、y、z方向上的分量；
根据毕奥-萨伐尔定律和式4，相量
Figure FDA00036056821100000311
为：
Figure FDA00036056821100000312
根据式8，相量
Figure FDA00036056821100000313
和
Figure FDA00036056821100000314
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Bi为：
Figure FDA00036056821100000315
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i；
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Bi即式7计算目标区域Q内所有点的磁感应强度平方和AS：
Figure FDA0003605682110000041
所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将步骤3的AS对与屏蔽线圈L3相连的补偿电容C3的电容值
Figure FDA0003605682110000042
的导数置为零，获取补偿电容值
Figure FDA0003605682110000043
计算公式如下：
Figure FDA0003605682110000044
其中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure FDA0003605682110000051
2.一种应用权利要求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Uin、高频逆变器H、整流器K、电池UO、副边谐振电容C2、原边谐振电容C1、滤波电容CD、原边线圈L1和副边线圈L2；
直流电压源Uin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CD后连接电池UO，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
Figure FDA0003605682110000052
原边谐振电容C1的电容值
Figure FDA0003605682110000053
副边线圈L2的电感值
Figure FDA0003605682110000054
和副边谐振电容C2的电容值
Figure FDA0003605682110000055
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：
Figure FDA0003605682110000056
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
Figure FDA0003605682110000057
满足以下关系：
Figure FDA0003605682110000058
其中，直流电压源Uin的电压值为
Figure FDA0003605682110000059
电池UO的电压值为
Figure FDA00036056821100000510
所述式(11)中参数α、β、λ满足以下关系：
Figure FDA0003605682110000061
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Kx1i、Ky1i、Kz1i；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Kx2i、Ky2i、Kz2i；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Kx3i、Ky3i、Kz3i。
3.根据权利要求2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Uin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CD的上端和电池UO的上端相连，整流器K的下输出端分别与滤波电容CD的下端和电池UO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。
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