CN110138104A - 一种用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁学技术领域，涉及一种用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，发射机构屏蔽层包括三层屏蔽层组成，最里层为铁氧体磁片、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔；接收机构屏蔽层的最里层为铁氧体磁片、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔，接收机构固定在金属底板上，在接收机构周围粘贴环状铁氧体材质的软磁片或由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层代替；整体屏蔽层厚度小于现有的单层或双层屏蔽层厚度，屏蔽效果理想，有效抑制边缘效应，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、果蔬机等无线充电或供电系统中。
Description
技术领域：
本发明属于电磁学技术领域，涉及一种用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，特别是一种带有扇型铁氧体磁片、纳米晶带材及铝箔构成的复合屏蔽层。
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。但是现有屏蔽层一般为铁氧体单层屏蔽层或铁氧体和铝板组成的双屏蔽层，这两种屏蔽层均存在以下缺点：(1)对非工作区的电磁屏蔽效应不理想；(2)效率相对较低，成本较高，磁能损耗大；(3)屏蔽材料所需体积重量过大；(4)存在边缘效应。因此，设计一种用于无线电能传输磁耦合器的新型复合屏蔽层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存在的缺点，设计提供一种用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层。
为了实现上述目的，本发明所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层包括发射机构屏蔽层和接收机构屏蔽层及环状铁氧体材质的软磁片组成，发射机构屏蔽层包括三层屏蔽层组成，最里层(紧挨线圈)为铁氧体磁片、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔；接收机构屏蔽层的最里层(紧挨线圈)为铁氧体磁片、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔，接收机构固定在金属底板上，在接收机构周围粘贴环状铁氧体材质的软磁片用以抑制边缘效应，环状铁氧体材质的软磁片能用由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层代替。
本发明用于无线电能传输磁耦合器时，发射线圈设置在发射机构屏蔽层的铁氧体磁片内侧，接收线圈设置在发射机构屏蔽层的铁氧体磁片内侧，接收线圈固定在金属底板上，接收线圈和发射线圈之间为传输距离。
本发明所述铁氧体磁片均为环状排列，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，铁氧体磁片的厚度可以相等，也可以不等。
本发明所述环状排列的铁氧体磁片应用于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，铁氧体磁片的厚度可以相等，也可以不等。
本发明所述纳米晶带材构成低磁阻回路，纳米晶带材作为中间屏蔽层，根据传输功率从小到大设置为1-4片，用于屏蔽高频成分，纳米晶带材2和7的层数可以相等，也可以不等。
本发明所述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。
本发明所述环状铁氧体材质的软磁片厚度为0.1-1mm；由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层中软磁片厚度为0.1mm-1mm，铝箔的厚度为0.05mm-0.2mm，根据传输功率大小而定；在有些接收器外围也可不粘贴环状软磁片或环状复合层。
本发明与现有技术相比，整体屏蔽层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，有效地抑制了边缘效应，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为本发明所述电磁耦合器的构成示意图。
图2为本发明所述电磁耦合器屏蔽层所用铁氧体磁片形状图。
图3为本发明所述电磁耦合器屏蔽层俯视图。
图4为本发明所述电磁耦合器屏蔽层示意图。
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：
本实施例所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层包括发射机构屏蔽层和接收机构屏蔽层及环状铁氧体材质的软磁片(或由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层)组成，发射机构屏蔽层包括三层屏蔽层组成，最里层(紧挨线圈)为铁氧体磁片3、中间层为纳米晶带材2、最外层为铝箔1；接收机构屏蔽层的最里层(紧挨线圈)为铁氧体磁片6、中间层为纳米晶带材7、最外层为铝箔8，接收机构固定在金属底板10上，在接收机构周围粘贴环状铁氧体材质的软磁片(或由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层)9用以抑制边缘效应。
本实施例用于无线电能传输磁耦合器时，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设置在发射机构屏蔽层的铁氧体磁片6内侧，接收线圈固定在金属底板10上，接收线圈5和发射线圈4之间为传输距离。
本实施例所述铁氧体磁片3和6均为环状排列结构，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，铁氧体磁片3和6的厚度可以相等，也可以不等。
本实施例所述环状排列的铁氧体磁片3和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，可采用NiZn(镍锌)磁片，其厚度根据传输功率从小到大设为1mm-5mm，铁氧体磁片3和6的厚度可以相等，也可以不等。
本实施例所述纳米晶带材2和7构成低磁阻回路，纳米晶带材作为中间屏蔽层，根据传输功率从小到大设置为1-4片，用于屏蔽高频成分，纳米晶带材2和7的层数可以相等，也可以不等。
本实施例所述铝箔1和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。
本实施例所述环状铁氧体材质的软磁片厚度为0.1-1mm；由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层中软磁片厚度为0.1mm-1mm，铝箔的厚度为0.05mm-0.2mm，根据传输功率大小而定；在有些接收器外围也可不粘贴环状软磁片或环状复合层。
实施例2：
本实施例将实施例1所述屏蔽层应用于果蔬机的无线供电，开关频率为100kHz，输出功率为500W，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200mm，内径为125mm，接收端线圈5外径为180mm，内径为140mm，接收线圈5和发射线圈4之间传输距离为35mm；铁氧体磁片3和6结构采用环状排列的扇型形状，填充比为67％，厚度为0.5mm，相比于之前圆型或方型，采用扇型结构减轻了屏蔽层的体积和重量，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，经过实验验证取得了良好的效果，体积和重量较小，性价比较高。
Claims (6)
1.一种用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，其特征在于包括发射机构屏蔽层和接收机构屏蔽层及环状铁氧体材质的软磁片组成，发射机构屏蔽层包括三层屏蔽层组成，最里层为铁氧体磁片、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔；接收机构屏蔽层的最里层为铁氧体磁片、中间层为纳米晶带材、最外层为铝箔，接收机构固定在金属底板上，在接收机构周围粘贴环状铁氧体材质的软磁片用以抑制边缘效应，环状铁氧体材质的软磁片能用由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层代替。
2.根据权利要求1所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，其特征在于所述复合屏蔽层用于无线电能传输磁耦合器时，发射线圈设置在发射机构屏蔽层的铁氧体磁片内侧，接收线圈设置在发射机构屏蔽层的铁氧体磁片内侧，接收线圈固定在金属底板上，接收线圈和发射线圈之间为传输距离。
3.根据权利要求1所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，其特征在于所述铁氧体磁片均为环状排列，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，能采用MnZn(锰锌)磁片，其厚度根据传输功率大小设为0.5mm-5mm，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(镍锌)磁片，其厚度根据传输功率从小到大设为1mm-5mm，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所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，其特征在于所述纳米晶带材构成低磁阻回路，纳米晶带材作为中间屏蔽层，根据传输功率从小到大设置为1-4片，用于屏蔽高频成分，纳米晶带材2和7的层数可以相等，也可以不等。
5.根据权利要求1所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，其特征在于所述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。
6.根据权利要求1所述用于无线电能传输磁耦合器的复合屏蔽层，其特征在于所述环状铁氧体材质的软磁片厚度为0.1-1mm；由铝箔和铁氧体软磁片组成的环状复合层中软磁片厚度为0.1mm-1mm，铝箔的厚度为0.05mm-0.2mm，根据传输功率大小而定。
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