CN111245112B - 一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法 - Google Patents

一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，包括确定无线充电系统的电磁屏蔽需求；分析不同金属材料对磁场产生的屏蔽作用，确定不同典型位置分布下金属材料的屏蔽方案；从空间磁场和线圈参数两个角度，分析并得出不同金属材料的屏蔽效果；综合位置分布和金属材料最终确定专用的电磁屏蔽方案。本发明针对不同无线充电系统的电磁屏蔽需求，可以设计出针对性的电磁屏蔽方案，以提高无线充电系统的电磁特性，设计方法具有通用性，可以增强无线充电系统在实际中的应用价值。

Description

一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法
技术领域
本发明属于无线充电系统技术领域，具体涉及一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法。
背景技术
近年来，无线充电系统技术得到了迅速的发展，并被应用于许多行业。麻省理工学院研究组提出的磁耦合谐振无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术为中程能量传输提供了先进的研究框架。
与传统的WPT系统相比，谐振WPT系统具有耦合系数高、电磁场泄漏值小等优点。由于线圈系统利用电磁场传输能量，随着WPT功率水平的提高，线圈电磁场对空间辐射值也会增加，除此之外，WPT系统受到外界干扰时，线圈上的自感和收发线圈间的互感也会受到影响，最终系统可能无法正常工作，因此有必要针对无线充电系统设计专用的电磁屏蔽方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，提高无线充电系统的电磁特性，提高无线充电系统的实际应用性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，包括：
步骤（1）：确定无线充电系统的电磁屏蔽需求；
步骤（2）：分析不同金属材料对磁场产生的屏蔽作用，确定不同典型位置分布下金属材料的屏蔽方案；
步骤（3）：从空间磁场和线圈参数两个角度，分析并得出不同金属材料的屏蔽效果；
步骤（4）：综合位置分布和金属材料最终确定专用的电磁屏蔽方案。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤（1）所述无线充电系统的电磁屏蔽需求包括系统线圈参数需求和空间磁场需求。
进一步地，步骤（2）所述金属材料包括非铁磁性材料和铁磁性材料；
所述典型位置为金属材料距线圈距离5cm和0.5cm。
进一步地，所述非铁磁性材料包括铜和铝，铁磁性材料为铁。
进一步地，步骤（3）所述空间磁场角度指线圈系统周围的磁场强度大小，线圈参数角度指发射和接收线圈的自感以及发射和接收线圈之间的互感。
进一步地，步骤（4）所述电磁屏蔽方案具体作用包括减小线圈周围空间磁场强度并起到增大/减小线圈自感或互感。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对不同无线充电系统的电磁屏蔽需求，可以设计出针对性的电磁屏蔽方案，以提高无线充电系统的电磁特性，设计方法具有通用性，可以增强无线充电系统的安全性，以及其在实际中的应用价值。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2为在耦合机构上下方加装金属材料的示意图；
图3为在耦合机构加装金属板前的磁场分布图；
图4为在耦合机构加装金属板后的磁场分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，包括：
步骤（1）：确定无线充电系统的电磁屏蔽需求；
一般电磁屏蔽需求是指无线充电系统周围的磁场强度值满足一定需求，需要将磁场强度值降低至某个限值之下，除此之外，还可以要求将线圈系统的自感互感提高或降低。
实施例中，所述无线充电系统的电磁屏蔽需求包括系统线圈参数需求和空间磁场需求。
步骤（2）：分析不同金属材料对磁场产生的屏蔽作用，确定不同典型位置分布下金属材料的屏蔽方案；
实施例中，所述金属材料包括非铁磁性材料和铁磁性材料，铜和铝一般被称为非铁磁性材料，铁一类的一般被称为铁磁性材料；
所述典型位置分为两种，一种是金属材料（金属板）贴近线圈，即金属板距耦合机构距离0.5cm，另一种是金属材料距离线圈有一定距离，即金属板距耦合机构距离5cm。
步骤（3）：从空间磁场和线圈参数两个角度，分析并得出不同金属材料的屏蔽效果；
实施例中，所述空间磁场角度指线圈系统周围的磁场强度大小，线圈参数角度指发射和接收线圈的自感以及发射和接收线圈之间的互感。通过电磁场有限元分析软件可以得到在金属板放置在距耦合机构0.5cm处时的屏蔽结果如表1所示，类似的可以得到不同金属板放置在距耦合机构5cm处时的屏蔽结果。通过电磁场有限元分析软件可以得到如图3-4所示的磁场强度结果，类似的可以得到不同条件下的线圈周围的磁场强度图进行屏蔽效果分析。
表1 不同金属板放置耦合机构时的线圈参数
Figure 552227DEST_PATH_IMAGE002
其中，Z1代表发射线圈的自感，Z2代表接收线圈的自感，Z12/Z21代表收发线圈的互感。
如图2-4所示，通过步骤(3)的分析方法可以得出，在耦合系统上、下方各加装一块铝板或铜板等非磁性金属板时，随着金属板与耦合系统间距的减小，系统初、次级回路的阻值增大得越多，回路电抗降低得越多，初、次级线圈的耦合程度削弱得越多，影响的程度与材质关系不大，回路阻值以及回路电抗变化总体不明显。
从图3-图4可以看出，在空间磁场分布方面，随着非磁性金属板接近耦合系统，对上下部分的磁场削弱作用增强，图4的强磁场区域明显比图3要小。
在耦合系统上、下各加装一块铁磁性金属板时，随着金属板与耦合系统间距的减小，系统初、次级回路的阻值增大得越多，回路电抗增加得越多，初、次级线圈的耦合程度逐渐增强。
在空间磁场分布方面，铁磁性金属板使得耦合系统周围磁场进一步集中在两块铁板之间。
步骤（4）：综合位置分布和金属材料最终确定专用的电磁屏蔽方案。
实施例中，所述电磁屏蔽方案具体作用包括减小线圈周围空间磁场强度并起到增大/减小线圈自感或互感。
非铁磁性金属板的存在会增大初、次级回路电阻，产生有功损耗，减小初、次级回路电抗，造成回路谐振频率提升，削弱初、次级线圈的耦合程度，直接影响传输效率，且随着金属板尺寸的增大以及逐渐接近耦合系统，影响越明显。
空间磁场同样随着金属板尺寸的增大以及逐渐接近耦合系统，削弱作用越强。
而铁磁性金属板的存在虽然也同样会增大初、次级回路电阻，但对回路电抗有所增强，提高初、次级线圈的耦合程度，影响同样随金属板尺寸的增加以及逐渐接近耦合系统而增大。
空间磁场随着金属板尺寸的增大以及逐渐接近耦合系统更加集中。
由此可以根据实际的需求，结合上述条件，最终确定专用的电磁屏蔽方案，包括金属材料，金属位置等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：确定无线充电系统的电磁屏蔽需求；
所述电磁屏蔽需求是指无线充电系统周围的磁场强度值满足的需求，包括需要将磁场强度值降低至预设限值之下，要求将线圈系统的自感互感提高或降低；
步骤(2)：分析不同金属材料对磁场产生的屏蔽作用，确定不同典型位置分布下金属材料的屏蔽方案；
所述金属材料包括非铁磁性材料和铁磁性材料；
所述典型位置分为金属材料距耦合机构距离5cm和0.5cm；
步骤(3)：从空间磁场和线圈参数两个角度，分析并得出不同金属材料的屏蔽效果；
从空间磁场角度分析并得出不同金属材料的屏蔽效果，具体为：
通过电磁场有限元分析软件得到在不同金属材料放置在不同典型位置分布下的线圈系统周围的磁场强度大小，得出屏蔽效果；
从线圈参数角度分析并得出不同金属材料的屏蔽效果，具体为：
通过电磁场有限元分析软件得到在不同金属材料放置在不同典型位置分布下的发射和接收线圈的自感以及发射和接收线圈之间的互感，得出屏蔽效果；
步骤(4)：根据步骤(3)的分析结果，综合步骤(2)的位置分布和金属材料最终确定电磁屏蔽方案。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，其特征在于，步骤(1)所述无线充电系统的电磁屏蔽需求包括系统线圈参数需求和空间磁场需求。
3.根据权利要求1所述的一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，其特征在于，所述非铁磁性材料包括铜和铝，铁磁性材料为铁。
4.根据权利要求1所述的一种无线充电系统金属材料电磁屏蔽方案的设计方法，其特征在于，步骤(4)所述电磁屏蔽方案具体作用包括减小线圈周围空间磁场强度并起到增大/减小线圈自感或互感。
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