CN110112840A - 一种基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁学技术领域，涉及一种基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，第一铁氧体磁片的外侧第一纳米晶带材，第一纳米晶带材外侧设有第一铝箔，第一铁氧体磁片内侧对称设有发射线圈，接收线圈设置在第二铁氧体磁片内侧并与发射线圈相对设置，第二载氧体磁片外侧依次设有第二纳米晶带材和第二铝箔，接收机构固定安装在金属板材上，金属板材上接收结构的外围通过喷涂复合屏蔽层，具有效率高、体积小、重量轻、成本低、屏蔽效果好、边缘效应小、便于安装等特点，可广泛用于机器人、电动汽车、果蔬机等无线充电(供电)系统中，对于无线电能传输技术具有极大的促进作用。

Description

一种基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器
技术领域：
本发明属于电磁学技术领域，涉及一种无线电能传输磁耦合器，特别是一种基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器。
背景技术：
电磁耦合器(也称磁耦合器)是电磁感应式和电磁谐振式无线电能传输(充电)系统发射、接收端的连接环节，其结构、参数的设计将直接影响系统的性能。现有电磁耦合器由能量发射机构和能量接收机构两个部分组成，如图1中的虚框所示，能量发射机构由发射线圈Lp、屏蔽层Sp与补偿电容Cp组成，相应的能量接收机构由接收线圈Ls、屏蔽层Ss与补偿电容Cs组成。电磁耦合器有电磁感应式和电磁谐振式两种结构形式，前者的主要应用频段为10kHz-1MHz，后者的应用频段为1MHz-20MHz左右，但是不管哪种结构形式，由于发射线圈和接收线圈之间都是非接触的，存在一定的空隙，在能量的传输过程中会产生部分漏磁，即一部分磁通量是通过与磁通回路外围物质构成的闭合回路释放掉，这样一方面导致能量损耗，另一方面形成的电磁辐射会对周围环境产生影响，当图1所示无线充电系统中电磁耦合器的发射和接收机构均没有屏蔽层时，其电磁辐射较大，当其接收机构固定在金属板材(如汽车底盘)上时，由于金属的趋肤效应的影响，系统工作区的磁通量大幅减小，系统充电效率严重降低。因此，目前科研人员研究的磁耦合器均带有屏蔽层。
目前，国内外磁耦合器屏蔽层的机构分单屏蔽层和双屏蔽层，其中单屏蔽层的结构如图2所示，其存在以下三点不足：1)存在频率分裂现象，使得电能传输系统的整体输出功率下降；2)对非工作区的电磁屏蔽效应不理想；3)磁能损耗大。为了改进单屏蔽层磁耦合器的上述缺点，国内外又推出了图3所示的双屏蔽层磁耦合器，双屏蔽层则是在单屏蔽层磁耦合器(图2)的基础上分别在对应频段铁氧体(内层)上面覆盖了非铁磁性铝板(外层)，如图3所示，当非铁磁性材料铝板(外层)存在时，铝板材料内部产生的涡流生成了反向磁场，与发射源之间的磁场相互抵消从而起到屏蔽作用，铁氧体材料可使系统的谐振频率左移，而铝板材料使系统的谐振频率右移，通过适当设计可使得系统恢复初始的谐振频率点，这样就对铁氧体单屏蔽层磁耦合器存在的不足1)有所改进；在屏蔽效能方面，铁氧体材料可有效增强工作区的磁场，但对非工作区的电磁屏蔽效应较为一般，而铝板可以对非工作区的磁场起到非常明显的屏蔽作用，但同时也会削弱工作区的磁场。通过适当设计可达到既增强系统工作区的磁场又削弱系统非工作区的磁场的效果，对单屏蔽层磁耦合器的不足2)得以改进，但对于单屏蔽层磁耦合器的不足3)，双屏蔽层磁耦合器没有改进，依然存在较大的磁能损耗。
综上所述，尽管现有双屏蔽层磁耦合器(图3)改进了单屏蔽层磁耦合器(图2)三个缺点中的两个，但还存在以下问题：(1)效率相对较低、成本较高；(2)屏蔽效果不够理想；(3)存在边缘效应。因此，设计一种新型无线电能传输磁耦合器具有非常大的实用价值和现实意义。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，设计提供一种基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，磁耦合器发射机构和接收机构的屏蔽层均由三层屏蔽层组成，最里层(紧挨线圈)为铁氧体磁片(或软磁片)、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔，并在固定接收机构(金属板材上)的外围喷涂环状复合粉末屏蔽层，复合屏蔽层的厚度小于目前业界所使用的单层或双层屏蔽层厚度，并且屏蔽效果更为理想。
为了实现上述目的，本发明所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器的主体结构包括发射机构、接收机构和环状复合喷涂屏蔽层，发射机构包括第一铝箔、第一纳米晶带材、第一铁氧体磁片、发射线圈；接收机构包括接收线圈、第二铁氧体磁片、第二纳米晶带材、第二铝箔；环状复合喷涂屏蔽层包括铝粉末涂层、纳米晶粉末涂层和铁氧体粉末涂层；第一铁氧体磁片的外侧第一纳米晶带材，第一纳米晶带材外侧设有第一铝箔，第一铁氧体磁片内侧对称设有发射线圈，接收线圈设置在第二铁氧体磁片内侧并与发射线圈相对设置，发射线圈和接收线圈之间为传输距离，第二载氧体磁片外侧依次设有第二纳米晶带材和第二铝箔，接收机构固定安装在金属板材上，金属板材上接收结构的外围通过喷涂复合屏蔽层用于减小边缘效应，铝粉末涂层、纳米晶粉末涂层和铁氧体粉末涂层材料根据磁耦合器的谐振频率做相关组合，每层粉末涂层的厚度根据功率的大小设为10微米-200微米。
本发明所述金属板材包括汽车底板和机器人底板。
本发明所述第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片应用于10kHz-1MHz频段时，要求材料的起始磁导率μi和饱和磁感应强度BS越高越好，其矫顽力HC、剩余磁感应强度Br和功率损耗PCV要求越低越好，可采用MnZn(锰锌)磁片，其厚度根据传输功率大小设为0.5mm-5mm，第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片的厚度可以相等，也可以不等。
本发明所述第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片应用于1MHz-20MHz频段时，要求它的复数磁导率的实部μ′(表征磁能的存储)越大越好，虚部μ″(表征磁能的损耗)越小越好，可采用NiZn(镍锌)磁片，其厚度根据传输功率从小到大设为1mm-5mm，第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片的厚度可以相等，也可以不等。
本发明所述第一纳米晶带材和第二纳米晶带材构成低磁阻回路，纳米晶带材作为中间层屏蔽层，根据传输功率从小到大设置为1-4片，用于屏蔽高频成分，第一纳米晶带材和第二纳米晶带材的层数可以相等，也可以不等。
本发明所述第一铝箔和第二铝箔的厚度根据传输功率从小到大设为0.1mm-0.2mm，铝箔作为最外屏蔽层用作牺牲层，用于对里层和中间层低磁阻回路没有屏蔽掉的高频磁场成分在该层形成涡流，反作用于工作区磁场。
本发明与现有技术相比，具有效率高、体积小、重量轻、成本低、屏蔽效果好、边缘效应小、便于安装等特点，可广泛用于机器人、电动汽车、果蔬机等无线充电(供电)系统中，对于无线电能传输技术具有极大的促进作用。
附图说明：
图1为现有技术中的无线充电系统组成示意图。
图2为现有技术中的单屏蔽层磁耦合机构示意图。
图3为现有技术中的双屏蔽层磁耦合机构示意图。
图4为本发明所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器的结构原理示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1：
本实施例所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器的主体结构包括发射机构、接收机构和环状复合喷涂屏蔽层，发射机构包括第一铝箔1、第一纳米晶带材2、第一铁氧体磁片3、发射线圈4；接收机构包括接收线圈5、第二铁氧体磁片6、第二纳米晶带材7、第二铝箔8；环状复合喷涂屏蔽层9包括铝粉末涂层n3，纳米晶粉末涂层n2，铁氧体粉末涂层n1；第一铁氧体磁片3的外侧第一纳米晶带材2，第一纳米晶带材2外侧设有第一铝箔1，第一铁氧体磁片3内侧对称设有发射线圈4，接收线圈5设置在第二铁氧体磁片6内侧并与发射线圈4相对设置，发射线圈4和接收线圈5之间为传输距离，第二载氧体磁片6外侧依次设有第二纳米晶带材7和第二铝箔8，接收机构固定安装在金属板材10上，金属板材10上接收结构的外围通过喷涂复合屏蔽层9用于减小边缘效应，铝粉末涂层n3，纳米晶粉末涂层n2，铁氧体粉末涂层n1材料,根据磁耦合器的谐振频率做相关组合，每层粉末涂层的厚度根据功率的大小设为10微米-200微米。
本实施例所述金属板材10包括汽车底板和机器人底板。
本实施例所述第一铁氧体磁片3和第二铁氧体磁片6应用于10kHz-1MHz频段时，要求材料的起始磁导率μi和饱和磁感应强度BS越高越好，其矫顽力HC、剩余磁感应强度Br和功率损耗PCV要求越低越好，可采用MnZn(锰锌)磁片，其厚度根据传输功率大小设为0.5mm-5mm，第一铁氧体磁片3和第二铁氧体磁片6的厚度可以相等，也可以不等。
本实施例所述第一铁氧体磁片3和第二铁氧体磁片6应用于1MHz-20MHz频段时，要求它的复数磁导率的实部μ′(表征磁能的存储)越大越好，虚部μ″(表征磁能的损耗)越小越好，可NiZn(镍锌)磁片，其厚度根据传输功率从小到大设为1mm-5mm，第一铁氧体磁片3和第二铁氧体磁片6的厚度可以相等，也可以不等。
本实施例所述第一纳米晶带材2和第二纳米晶带材7构成低磁阻回路，纳米晶带材作为中间层屏蔽层，根据传输功率从小到大设置为1-4片，用于屏蔽高频成分，第一纳米晶带材2和第二纳米晶带材7的层数可以相等，也可以不等。
本实施例所述第一铝箔1和第二铝箔8的厚度根据传输功率从小到大设为0.1mm-0.2mm，铝箔作为最外屏蔽层用作牺牲层，用于对里层和中间层低磁阻回路没有屏蔽掉的高频磁场成分在该层形成涡流，反作用于工作区磁场。
实施例2：
本实施例应用变电站巡检机器人无线充电系统，开关频率为100kHz，输出功率为1000W，发射线圈4设置在发射机构屏蔽层的铁氧体磁片3内侧，接收线圈5设置在接收机构屏蔽层的铁氧体磁片6内侧，接收机构固定在金属底板10上，接收线圈5和发射线圈4之间为传输距离，发射线圈4外径大小为170mm，内径为135mm，接收端线圈5外径为155mm，内径为125mm，接收线圈5和发射线圈4之间传输距离为30mm；铁氧体磁片3和6结构采用圆形薄片，厚度为1mm，材料采用MnZn(锰锌)铁氧体；纳米晶带材2和7层数为3层，每层厚度为26μm；铝箔1和8的厚度为0.1mm，铝箔作为最外屏蔽层用作牺牲层，用于对里层和中间层低磁阻回路没有屏蔽掉的高频磁场成分在该层形成涡流，反作用于工作区磁场，上述磁耦合器机构相比于之前双屏蔽层磁耦合器中铁氧体磁片厚度2.5mm、铝板厚度2mm，不仅减轻了屏蔽层的体积和重量，经过实验验证取得比图3双屏蔽层磁耦合器更高的能效和更好的屏蔽效果。

Claims (5)

1.一种基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，其特征在于主体结构包括发射机构、接收机构和环状复合喷涂屏蔽层，发射机构包括第一铝箔、第一纳米晶带材、第一铁氧体磁片、发射线圈；接收机构包括接收线圈、第二铁氧体磁片、第二纳米晶带材、第二铝箔；环状复合喷涂屏蔽层包括铝粉末涂层、纳米晶粉末涂层和铁氧体粉末涂层；第一铁氧体磁片的外侧第一纳米晶带材，第一纳米晶带材外侧设有第一铝箔，第一铁氧体磁片内侧对称设有发射线圈，接收线圈设置在第二铁氧体磁片内侧并与发射线圈相对设置，发射线圈和接收线圈之间为传输距离，第二载氧体磁片外侧依次设有第二纳米晶带材和第二铝箔，接收机构固定安装在金属板材上，金属板材上接收结构的外围通过喷涂复合屏蔽层用于减小边缘效应，铝粉末涂层、纳米晶粉末涂层和铁氧体粉末涂层材料根据磁耦合器的谐振频率做相关组合，每层粉末涂层的厚度根据功率的大小设为10微米-200微米。
2.根据权利要求1所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，其特征在于所述金属板材包括汽车底板和机器人底板。
3.根据权利要求1所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，其特征在于所述第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片应用于10kHz-1MHz频段时，要求材料的起始磁导率μi和饱和磁感应强度BS越高越好，其矫顽力HC、剩余磁感应强度Br和功率损耗PCV要求越低越好，可采用MnZn磁片，其厚度根据传输功率大小设为0.5mm-5mm，第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片的厚度可以相等，也可以不等；应用于1MHz-20MHz频段时，要求它的复数磁导率的实部μ′越大越好，虚部μ″越小越好，可采用NiZn磁片，其厚度根据传输功率从小到大设为1mm-5mm，第一铁氧体磁片和第二铁氧体磁片的厚度可以相等，也可以不等。
4.根据权利要求1所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，其特征在于所述第一纳米晶带材和第二纳米晶带材构成低磁阻回路，纳米晶带材作为中间层屏蔽层，根据传输功率从小到大设置为1-4片，用于屏蔽高频成分，第一纳米晶带材和第二纳米晶带材的层数可以相等，也可以不等。
5.根据权利要求1所述基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器，其特征在于所述第一铝箔和第二铝箔的厚度根据传输功率从小到大设为0.1mm-0.2mm，铝箔作为最外屏蔽层用作牺牲层，用于对里层和中间层低磁阻回路没有屏蔽掉的高频磁场成分在该层形成涡流，反作用于工作区磁场。
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