CN113555974B - 抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构及其优化方法，属于电磁屏蔽技术领域，解决了现有无线供电***因其松耦合特性导致泄漏磁场的问题，本发明包括如下步骤：步骤1：构建由金属导体和屏蔽线圈组合的无源混合屏蔽结构；步骤2：分析无源混合屏蔽结构参数对屏蔽效果的影响，确定待优化参数；步骤3：综合***工作性能，构建无源混合屏蔽结构参数优化模型，***工作性能包括传输效率、屏蔽效能；步骤4：求解步骤3的参数优化模型，获得无源混合屏蔽结构的最优参数。本发明解决了单纯依靠屏蔽线圈作为屏蔽结构造成的部分区域磁场增强问题，提升了线圈正对情况下无线供电***的电磁屏蔽效果，且在偏移情况下依然有良好屏蔽效果。

Description

抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构及其优化方法

技术领域

本发明属于电磁屏蔽技术领域，具体涉及一种抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构及其优化方法。

背景技术

近年来，化石燃料的大量使用给部分地区和国家的环境带来了严峻的挑战，电动汽车以其对环境友好的特点，得到广泛的关注，而无线供电技术作为提升电动汽车充电灵活性和便利性的有效解决方案，也得到了越来越多的研究。

目前电动汽车谐振式无线供电***的构成及其工作过程为：先将单相工频交流电整流为直流电，再逆变为高频交流电，并作为激励，作用于一次侧线圈，用于产生高频磁场，由法拉第电磁感应原理可知，处于谐振状态的二次侧线圈能感应出电压和电流，再经过整流，滤波后可给电动汽车电池进行充电，进而实现电能的非接触传输；然而由于***处于松耦合状态，不可避免会对外泄漏磁场，给人体安全带来严重威胁。

为了抑制无线供电***泄漏磁场，根据是否使用额外电源，屏蔽方式通常分为有源屏蔽和无源屏蔽；有源屏蔽依靠外部电源产生具有抵消作用的磁场，达到抑制漏磁场的目的，但额外电源占用空间，对原***有较大影响，且在线圈未对准的情况下，屏蔽效果较差；而无源屏蔽侧通过添加高磁导率、高电导率、美特等材料，或LC线圈来抑制泄漏磁场。由于能量守恒定律，若只采用LC线圈抑制泄漏磁场，会出现空间部分区域磁场削弱，部分区域磁场增强的情况，屏蔽效果和屏蔽范围依然不佳。因此需要一种屏蔽效果好，屏蔽范围广，在偏移情况下依然有良好屏蔽效果的无源屏蔽结构。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有无线供电***因其松耦合特性导致泄漏磁场的问题，提供一种抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构及其优化方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构，包括发射线圈、接收线圈和无源混合屏蔽结构，所述无源混合屏蔽结构包括水平金属板，所述接收线圈安装于水平金属板内，所述水平金属板四周的垂直面上均连接有带状金属板，水平金属板内安装有回形金属板，所述回形金属板由内圈金属板和套设于内圈金属板***的外圈金属板组成，回形金属板靠近水平金属板的其中一个垂直面且平行于垂直面设置，回形金属板的下端部分伸出水平金属板，回形金属板内安装有矩形屏蔽线圈，所述发射线圈下方和接收线圈上方均连接有条状磁芯。

进一步地，所述条状磁芯为锰-锌铁氧体磁芯，所述发射线圈和接收线圈处分别设置有Nx根条状磁芯，条状磁芯呈辐射状设置于发射线圈下方和接收线圈上方，其中Nx为大于零的自然数。

进一步地，所述矩形屏蔽线圈中串联连接有调整电容，矩形屏蔽线圈由Nc匝利兹线绕制组成，其中Nc为大于零的自然数。

一种抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，包括如下步骤：

步骤1：构建由金属导体和屏蔽线圈组合的无源混合屏蔽结构；

步骤2：分析无源混合屏蔽结构参数对屏蔽效果的影响，确定待优化参数；

步骤3：综合***工作性能，构建无源混合屏蔽结构参数优化模型，***工作性能包括传输效率、屏蔽效能；

步骤4：求解步骤3的参数优化模型，获得无源混合屏蔽结构的最优参数。

进一步地，步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：将水平金属板放置于接收线圈上方；

步骤1.2：将利兹线及其串联电容C组成矩形屏蔽线圈，串联电容C用于改变矩形屏蔽线圈的等效阻抗；

步骤1.3：将矩形屏蔽线圈放置于回形金属板腔体内部，再将该结构放置于步骤1.1所述水平金属板下方，水平金属板具有高导电率低磁导率的特性。

进一步地，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：选取用于衡量漏磁场强度的P个目标面；

步骤2.2：在每一个目标面上选择N个目标点，并将所选目标面上的平均磁场密度作为衡量该面磁场环境的参考指标；

步骤2.3：改变无源混合屏蔽结构参数，分别计算所选目标面上的磁场密度，确定对无源混合屏蔽结构屏蔽效能存在影响的待优化参数，无源混合屏蔽结构参数包括金属导体尺寸、矩形屏蔽线圈匝数、等效电感和空间位置。

进一步地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：将无源混合屏蔽结构给原***带来的影响值作为约束条件，所述约束条件包括增加的重量和成本、引起的传输效率下降量；

步骤3.2：计算所选目标面上目标点的磁场密度，并将所选目标面上目标点的平均磁场密度作为优化目标，通过优化使该值最小；

步骤3.3：基于步骤3.1和3.2的约束条件及优化目标，P为所选目标面的个数，N为目标面上所选目标点个数，用B_ijx,B_ijy和B_ijz表示目标点x,y,z方向的磁场密度，约束条件方面，用W，C，η表示***重量、成本、传输效率，并用下标sh和0代表带无源混合屏蔽结构和不带屏蔽结构的***，α，β，δ是大于0的常数，根据实际应用场景，进行取值，其无源混合屏蔽结构参数优化模型如下：

s.t.W_sh-W₀≤α·W₀

C_sh-C₀≤β·C₀

η₀-η_sh≤δ·η₀。

进一步地，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：基于所设置的约束条件，求解步骤3.3所述的无源混合屏蔽结构参数优化模型；

步骤4.2：选取最优的无源混合屏蔽结构参数，确定水平金属板尺寸、矩形屏蔽线圈匝数、等效电感和空间位置。

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.本发明提出了由金属导体和屏蔽线圈组合的无源混合屏蔽结构。结合金属导体的电磁屏蔽作用机理，有效解决了单纯依靠屏蔽线圈作为屏蔽结构造成的部分区域磁场增强问题，不仅提升了线圈正对情况下无线供电***的电磁屏蔽效果，且在偏移情况下依然有良好屏蔽效果，有效扩大了电磁屏蔽范围，且对原***的传能特性影响小。

2.本发明提出了更加准确的衡量磁场环境的重要指标，采用多目标面多目标点的观测方式，解决了观测点单一不能很好反映空间磁场分布的问题，也为结构参数的优化和实验验证提供衡量屏蔽效果的指标。

3.为了提高屏蔽结构的工程适用性，本发明考虑屏蔽结构的安装简易性，并将其相对于原***增加的重量，传输效率下降程度，和屏蔽效能作为约束条件，对屏蔽结构位置及参数进行优化处理，为屏蔽结构的安装、实施奠定了基础。

附图说明

图1为本发明耦合结构的设计思路流程图；

图2为无线供电***及其无源混合屏蔽结构的结构图；

图3为本发明带无源混合屏蔽结构的等效电路图；

图4为目标面和目标点的选取，及其位置关系图；

图5为本发明的屏蔽结构放置位置和等效电感的优化三维图；

图6为不同屏蔽结构在线圈正对情况下目标面A上目标点的磁场密度对比图；

图7为不同屏蔽结构在线圈正对情况下目标面B上目标点的磁场密度对比图；

图8为不同屏蔽结构在传能线圈发生Y正方向100mm偏移的情况下目标点的磁场密度对比图；

图9为线圈正对情况下，在不同屏蔽结构下的***功率分布图。

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。

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例1

请参阅图2，本发明的无源混合屏蔽结构及其参数优化方法，用于实现对无线供电***漏磁场的抑制，该无线供电***是由传能部分及其无源混合屏蔽结构构成，其中传能部分由位于下方的发射线圈和位于上方的接收线圈组成，而无源混合屏蔽机构由水平金属铝板，带状金属铝板，回形金属铝板，矩形多匝线圈和条状磁芯构成。

无线传能部分，发射线圈与接收线圈的垂直距离h₁＝250mm，为了减小线圈的邻近效应和趋肤效应，两线圈均由30匝线径为3mm，0.1mm*450股规格的利兹线绕制而成，其外半径R₁＝200mm。

无源混合屏蔽结构由各无源屏蔽材料构成，其中回形金属铝板长度l₁＝390mm,宽度l₂＝35mm,高度为l₃＝60mm,内敛厚度为5mm；矩形屏蔽线圈由4匝线径为3mm，0.1mm*450股规格的利兹线绕制而成，其长度为380mm，宽度12mm，并将该矩形屏蔽线圈放置于回形金属铝板腔体内壁；在矩形屏蔽线圈中串入电容调整其电感值，并用L_eq表示矩形屏蔽线圈的等效电感；选择具有高磁通特性的锰-锌铁氧体作为磁芯，其长度l₄＝200mm，宽度l₅＝50mm，厚度l₆＝10mm，磁芯放置于超过线圈内径d₁＝50mm的位置，并将六块磁芯呈辐射状均匀放置于发射线圈下方和接受线圈上方；水平铝板为正方形，其边长为l₇＝800mm，厚度为3mm；在水平铝板的四边边缘安装条状金属铝板，其长度l₇＝800mm,宽度l₈＝32mm，厚度为3mm；将带串联电容矩形线圈的回形屏蔽结构放置于四边带垂直条状铝板的水平铝板下方，距离边缘的距离用distance表示，并将上述混合结构放置于接受侧线圈磁芯上方。

实施例2

请查阅图3，该图为屏蔽线圈机构下的电路等效图，U_in和U_out为输入和输出电压，U₁,I₁和U₂，I₂为一次侧，二次侧电压和电流，I_out为输出电流，R_L为负载，电容C_d起到了滤波和稳压的作用。L₁、R₁和L₂、R₂分别为一次侧、二次侧线圈的电感和电阻,C₁、C₂为对应的谐振电容,L₃、R₃为屏蔽线圈在铝板作用下的等效电感和电阻，C₃为调节屏蔽线圈等效电感的电容，M₁₂、M₁₃、M₂₃为两两线圈之间的互感，MOS管S₁-S₄和二极管D₁-D₄构成了逆变桥和整流桥。

实施例3

请查阅图4，为了解决观测点单一，屏蔽效果表达具有局限性的问题，本发明将距离无线供电***d₂＝40mm，高度h₂＝320mm，宽度为680mm，距离地面高度h₃＝131mm的目标面作为目标面A，在距离A面d₃＝180mm的位置，设置同样大小的目标面作为目标面B；由于目标面对称放置，其目标面左右两侧的磁场密度大小，故只需在对目标面的一半区域进行测量即可，目标面上目标点的位置关系如图所示，25个点分成5排，排与排之间距离相同，各列之间的距离是以40mm为首项20mm为公差的等差数列。

实施例4

请查阅图5，利用Ansys Maxwell有限元仿真软件，建立无线供电***及其无源混合屏蔽结构模型，并对其重要参数L_eq和distance进行优化处理，选择效率和屏蔽效果作为其约束条件，要求对原***的效率影响在±2％以内，对目标面的屏蔽效果50％以上。对于L_eq，在未串入电容时，矩形屏蔽线圈的电感为8.62μH，故可以对等效电感从1.62μH到8.62μH以1μH为公差进行扫描；同理，对于distance，可以从0到120mm以10mm为公差进行扫描，各自搭配，共有104个组合，并在各组合下测量所选目标面上的目标点的磁场密度，将所有磁场密度相加后，再除以总的个数，得到两个面的平均磁场密度B，其结果以三维图的形式呈现，如图5所示，在L_eq＝5.62μH，distance＝40mm的组合下，平均磁场密度B取得最小值，故采用该组数据进行下一步实验。

实施例5

请查阅图6、图7，该图为目标面A、B上目标点在不同屏蔽结构下(水平铝板，带LC线圈的水平铝板，混合屏蔽结构，LC线圈即矩形屏蔽线圈的线圈+电容组合)的磁场密度，可以看出无源混合屏蔽结构对于离***较近的A面有55％的屏蔽效果，对B面有68％的屏蔽效果，对个别点能达到88％的屏蔽效果，验证了该无源混合屏蔽结构具有屏蔽效果好，屏蔽范围广的优势。

实施例6

请查阅图8，该图为本发明在接收线圈在Y正方向偏移100mm下不同屏蔽结构(水平铝板，带LC线圈的水平铝板，混合屏蔽结构)对目标面B的屏蔽效果，由结果可知，在偏移情况下，无源混合屏蔽结构对目标面B依然有51％的屏蔽效果，验证了该无源混合屏蔽结构的抗偏移能力和屏蔽稳定性。

实施例7

请查阅图9，该图(a)，(b)分别表示***在线圈正对情况下，使用混合屏蔽结构和水平铝板的功率分布图，由实验结果可知，由于增加了金属环，屏蔽损耗增加0.7％，总体效率下降了1.2％，同时考虑其屏蔽作用，该效率下降在可接收范围内。

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 (5)

1.一种抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，其特征在于，包括发射线圈、接收线圈和无源混合屏蔽结构，所述无源混合屏蔽结构包括水平金属板，所述接收线圈安装于水平金属板内，所述水平金属板四周的垂直面上均连接有带状金属板，水平金属板内安装有回形金属板，所述回形金属板由内圈金属板和套设于内圈金属板***的外圈金属板组成，回形金属板靠近水平金属板的其中一个垂直面，且平行于垂直面设置，回形金属板的下端部分伸出水平金属板，回形金属板内安装有矩形屏蔽线圈，所述发射线圈下方和接收线圈上方均设置有条状磁芯；

所述条状磁芯为锰-锌铁氧体磁芯，所述发射线圈和接收线圈处分别设置有至少一根条状磁芯，条状磁芯呈辐射状设置于发射线圈下方和接收线圈上方；

抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，包括如下步骤：

步骤1：构建由金属导体和屏蔽线圈组合的无源混合屏蔽结构；

步骤2：分析无源混合屏蔽结构参数对屏蔽效果的影响，确定待优化参数；

步骤3：综合***工作性能，构建无源混合屏蔽结构参数优化模型，***工作性能包括传输效率、屏蔽效能；

步骤4：求解步骤3的参数优化模型，获得无源混合屏蔽结构的最优参数；

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：将无源混合屏蔽结构给原***带来的影响值作为约束条件，所述约束条件包括增加的重量和成本、引起的传输效率下降量；

步骤3.2：计算所选目标面上目标点的磁场密度，并将所选目标面上目标点的平均磁场密度作为优化目标，通过优化使该值最小；

步骤3.3：基于步骤3.1和3.2的约束条件及优化目标，P为所选目标面的个数，N为目标面上所选目标点个数，用B_ijx,B_ijy和B_ijz表示目标点x,y,z方向的磁场密度，约束条件方面，用W，C，η表示***重量、成本、传输效率，并用下标sh和0代表带无源混合屏蔽结构和不带屏蔽结构的***，α，β，δ是大于0的常数，根据实际应用场景，进行取值，其无源混合屏蔽结构参数优化模型如下：

s.t.W_sh-W₀≤α·W₀

C_sh-C₀≤β·C₀

η₀-η_sh≤δ·η₀。

2.根据权利要求1所述的抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，其特征在于，所述矩形屏蔽线圈中串联连接有调整电容，矩形屏蔽线圈由至少一匝利兹线绕制组成。

3.根据权利要求1所述的抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：将水平金属板放置于接收线圈上方；

步骤1.2：将利兹线及其串联电容C组成矩形屏蔽线圈，串联电容C用于改变矩形屏蔽线圈的等效阻抗；

步骤1.3：将矩形屏蔽线圈放置于回形金属板腔体内部，再将回形金属板放置于步骤1.1所述水平金属板下方。

4.根据权利要求1所述的抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：选取用于衡量漏磁场强度的P个目标面；

步骤2.2：在每一个目标面上选择N个目标点，并将所选目标面上的平均磁场密度作为衡量该目标面磁场环境的参考指标；

步骤2.3：改变无源混合屏蔽结构参数，分别计算所选目标面上的磁场密度，确定对无源混合屏蔽结构屏蔽效能存在影响的待优化参数，无源混合屏蔽结构参数包括金属导体尺寸、矩形屏蔽线圈匝数、等效电感和空间位置。

5.根据权利要求1所述的抑制无线供电***漏磁场的混合屏蔽结构优化方法，其特征在于，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：基于所设置的约束条件，求解步骤3.3所述的无源混合屏蔽结构参数优化模型；

步骤4.2：选取最优的无源混合屏蔽结构参数，确定水平金属板尺寸、矩形屏蔽线圈匝数、等效电感和空间位置。