基于电磁耦合结构的谐振屏蔽及抗偏移性能研究.pdf

第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.7Jul.2023收稿日期:2022-06-14基金项目:中国石油大学(北京)科研启动基金项目(2462020YJRC008)作者简介:吉 莉(1981-),女,山西籍,副教授,博士,研究方向为无线充电技术、能源互联网技术等;葛富辰(1997-),男,辽宁籍,硕士研究生,研究方向为无线充电技术。基于电磁耦合结构的谐振屏蔽及抗偏移性能研究吉 莉,葛富辰,张 弛,张 明,钱步仁,孙红军(中国石油大学(北京)信息科学与工程学院,北京 102249)摘要:为了削弱无线充电系统周围空间的漏磁强度,并提高整个系统的抗偏移性能,本文针对圆形耦合结构提出了一种谐振屏蔽方法。首先,建立了系统等效电路模型,理论分析了传输效率和谐振屏蔽原理。采用控制变量与有限元仿真相结合的方法,优化屏蔽电流、屏蔽线圈匝数和位置,使得耦合结构的抗偏移性能提高了 6.72%,同时,与传统铁氧体屏蔽方法做比较,所提方法提高了34.19%的屏蔽性能。最后,搭建了一套带有屏蔽线圈的耦合结构模型,利用 LCR 分析仪对所提方法进行了实验验证。关键词:无线充电系统;谐振屏蔽;屏蔽线圈;抗偏移;耦合结构DOI:10.12067/ATEEE2206023 文章编号:1003-3076(2023)07-0068-09 中图分类号:TM937.11 引言 随着电动汽车充电技术不断创新,无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)有效解决了有线充电方式需要电缆、难以在潮湿环境下充电等问题,使得电动汽车充电更加方便、安全、经济1-3。在无线电能传输技术中,目前应用最为广泛的是电磁谐振式 WPT。其本质是利用一次回路线圈产生交变磁场,耦合至二次回路线圈,将电能传递给负载,实现为电动汽车充电4。由于磁场频率较高,根据SAE J2954 规定,一般将电动汽车无线充电的频率设置为 85 kHz5,因此在充电过程中,会有一部分磁通量由 WPT 系统泄露到空气中,在车体周围产生漏磁场,形成的电磁辐射会对一些电子设备以及人体造成不利影响。根据国际非电离辐射防护委员会(the Interna-tional Commission for Non-Ionizing Radiation Protec-tion,ICNIRP)制定的标准6,7,磁感应强度的公众暴露限值是 6.25 T,而我国对电磁辐射限值更加严格,即需要小于 1.4 T。并且还在逐步加强管控,因此在电动汽车无线充电过程中削弱电磁辐射对人体的有害影响是一项关键课题。国内外研究团队针对电磁辐射问题提出了如下解决方法:新西兰奥克兰大学提出基于圆形耦合线圈的铁氧体屏蔽方法8-10,将铁氧体条在线圈表面均匀摆放。由于铁氧体具有较高的磁导率,可以引导磁通量靠近磁场源,从而减少周围的泄漏磁场。但是过多的铁氧体会降低系统的材料利用率。韩国科学技术院提出一种利用金属材料屏蔽电磁场的方法11-13。金属材料具有良好的导电性能,暴露在时变磁场下会感应出电流、产生反向磁场,进而抵消入射磁场,达到屏蔽的效果。然而金属屏蔽会导致线圈自感互感降低、有效串联电阻增加。中国科学院电工研究所提出了一种有源线圈屏蔽的方法14-16,通过额外添加一个电源,主动调节屏蔽线圈的电流大小,使其产生一个与发射磁场大小相等、方向相反的磁场,消除泄漏磁场。不过在实验中使用有源组件,需要同时对屏蔽电流的振幅和相位进行控制,所以很难通过设计实现。针对有源屏蔽法的缺陷,韩国科学技术院提出了一种无功谐振屏蔽方法17-20,该方法没有使用额外电源,通过 WPT 系统线圈产生的发射磁场穿过屏蔽线圈,从而产生一个屏蔽磁场,达到消磁目的,但是其没有考虑线圈偏移情况对系统性能的影响。然而,在实际应用中 WPT 系统耦合结构偏移是不可避免的,容易出现横向、纵向的偏移,造成互感吉 莉,葛富辰,张 弛,等.基于电磁耦合结构的谐振屏蔽及抗偏移性能研究J.电工电能新技术,2023,42(7):68-76.69 等参数改变、传输效率下降、稳定性降低等问题21,22。从当前的研究成果来看,大部分的磁屏蔽方法仅单一地考虑了消磁效果,忽略了耦合结构的抗偏移性能。如何在满足漏磁屏蔽的条件下,提高耦合线圈的抗偏移性能成为研究课题的关键。本文将谐振屏蔽法运用在圆形线圈上,在达到减弱泄漏磁场目的的同时,对圆形屏蔽线圈进行分析设计,提高了线圈的抗偏移性能。具体而言,本文以 WPT 系统的耦合结构为研究对象,首先建立了系统的等效电路模型,推导出存在屏蔽线圈时系统的传输效率,并对谐振屏蔽的原理进行理论分析。主要通过屏蔽线圈的匝间距设计提升磁场均匀度,加强耦合结构抗偏移性能。然后采用 Comsol 软件进行有限元分析,以屏蔽线圈的匝数及位置、屏蔽电流为变量,设计了一套电磁屏蔽装置,同时与仿真对比,证明该装置具有良好屏蔽效果的同时,提高了耦合结构的抗偏移性能。最后搭建了 WPT 系统,通过LCR 分析仪成功验证了屏蔽的有效性。2 WPT 谐振屏蔽及抗偏移研究 图 1 是一个利用戴维宁定理进行化简的具有屏蔽线圈的无线充电系统等效电路图。发射侧电路由等效的交流电压源 U、发射补偿电容 Ct、发射线圈自感 Lt以及内阻 Rt组成;接收侧电路由等效负载 R、接收补偿电容 Cr、接收线圈自感 Lr以及内阻 Rr组成;屏蔽侧电路由屏蔽线圈自感 Lsh、屏蔽线圈内阻Rsh、屏蔽线圈的补偿电容 Csh构成。图 1 中 Mtsh为发射线圈与屏蔽线圈的互感;Mtr为发射线圈与接收线圈之间的互感;Mrsh为接收线圈和屏蔽线圈间的互感。图 1 带有屏蔽线圈简化无线充电系统等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of simplified wirelesscharging system with shielded coil将流过发射线圈、接收线圈、屏蔽线圈的电流分别定义为 It、Ir、Ish,由基尔霍夫电压定律可得:U+jMtrIr=ItjCt+jLtIt+ItRt+jMtshIsh(1)jMtrIt+jMrshIsh=IrjCr+jLrIr+IrRr+IrR(2)jMrshIr=jMtshIt+jLshIsh+IshjCsh+IshRsh(3)式中,为角频率,并且 =2f。当 1/(jCt)+(jLt)=1/(jCr)+jLr=1/(jCsh)+jLsh=0 时,系统发生谐振,对式(1)式(3)进行简化计算,由此可以推导出发射电流 It、接收电流 Ir、以及屏蔽电流 Ish如式(4)式(6)所示。It=aMrsh+Ubd+eMtsh+c+bRt-m(4)Ir=aMrshMtsh+UMtshb(1-jMtr)-aM2trRshMrsh(d+e+c+bRt-m)(5)Ish=-aMtr+jUMtsh(R+Rr)d+e+c+bRt-m(6)式中,a=U2Mrsh;b=Rsh(R+Rr);c=2M2trRsh;d=2MrshRt;e=2Mtsh(R+Rr);m=2j3MtrMtshMrsh。令 Pal=I2tRt+I2rRr+I2shRsh,Pco=I2rR,根据效率与功率之间的关系式 =Pco/(Pco+Pal),当系统发生谐振时推导得系统的传输效率表达式如式(7)所示。=2M2trZ2shR(RtRZsh+2RtM2rsh+2ZshM2tr)(RZsh+2M2rsh)(7)式中,Zsh为屏蔽阻抗,Zsh=Rsh+jLsh+1jCsh。本文提出的谐振屏蔽是以泄漏磁场为来源产生屏蔽磁场达到磁屏蔽目的。与主动屏蔽、非谐振屏蔽、金属屏蔽等屏蔽方式相比,谐振屏蔽通过调节屏蔽线圈上的匹配电容控制屏蔽线圈电流的参数,进而控制屏蔽磁场的大小和方向。图 2 是由谐振屏蔽法产生的磁场截面图。在无屏蔽措施的条件下,耦合线圈周围空间的磁场由图2 中带有箭头的实线表示,它是由发射线圈和接收线圈决定的。将屏蔽线圈放置在与收、发线圈同一70 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期水平高度位置处,当耦合线圈的磁场穿过屏蔽线圈时,产生的屏蔽磁场受匹配电容调节与发射磁场方向相反,如图 2 中带箭头的虚线部分所示,对区域内的泄漏磁场产生屏蔽作用。图 2 谐振屏蔽概念图Fig.2 Concept diagram of resonance shielding根据电磁感应原理,回路完整屏蔽线圈产生的感应电压 Vsh如式(8)所示。Vsh=-ddt=-dBtSdt=-jBtejtS(8)式中,为穿过屏蔽线圈的磁通量;S 为屏蔽线圈的回路面积;Bt为发射线圈产生的发射磁场的磁感应强度。调节电容器匹配,令屏蔽线圈的电流与发射线圈的电流相位相反,屏蔽电流 Ish如式(9)所示。由电生磁原理,屏蔽电流产生的屏蔽磁场如式(10)所示。Ish=VshZsh=VshRsh+jLsh+1/(jCsh)(9)dBsh=-04Idl ayy2(10)式中,0为真空磁导率;Idl 为电流微元;y 为空间任意一点到导线的距离模长;Bsh为屏蔽磁场的磁感应强度;ay为 y 的单位矢量。由于屏蔽回路阻抗是决定屏蔽性能的关键因素,所以用屏蔽电容来确定屏蔽回路的工作状态。当屏蔽回路的电容大于电感,回路处于容性状态时,式(9)变为式(11):Ish=-jBtejtS1/(jCeq)(11)式中,Ceq为屏蔽回路的等效电容,由于 Rsh为屏蔽线圈内阻,其阻值太小,故可以忽略不计23。由式(11)可以看出屏蔽电流与原电流具有相同的相位,继而屏蔽磁场与原磁场相位也相同,所以该电流产生的磁场起到加强漏磁的作用。当回路的电感大于电容,屏蔽回路呈现感性状态时,式(9)变为式(12):Ish=-jBtejtSjLeq(12)式中,Leq为屏蔽回路的等效电感,内阻 Rsh忽略不计。由式(12)看出屏蔽电流与原电流相位相反,使得屏蔽磁场与原磁场相位也相反,因此该电流产生的磁场起到屏蔽作用。将屏蔽电感与屏蔽电容等效为式(13)中的等效电感 Leq,计算得屏蔽磁场的磁感应强度 Bsh如式(14)所示,r1rN表示 N 匝屏蔽线圈的半径。Leq=Lsh-12Csh(13)Bsh=rNr=r102rIsh=-rNr=r102rBtSLeqNejt(14)由于磁感应强度 B 是矢量,满足叠加定理,为实现耦合结构功率传递最大化,It与 Ir的相位差是90。如图 3 所示,无屏蔽条件下的总磁场可以表示为发射磁场与接收磁场的矢量和,如式(15)所示。Bov1=Bt+Br(15)式中,Bov1为无屏蔽的耦合结构总磁场磁感应强度;Br为接收磁场的磁感应强度。图 3 无屏蔽线圈的总磁场Fig.3 Total magnetic field of unshielded coil在耦合结构中添加屏蔽线圈后,WPT 系统的总磁场由 It、Ir及 Ish共同决定,如图4 所示,其中 Bov为有屏蔽的耦合结构总磁场磁感应强度。对比图 3 和图 4 可知,在放置屏蔽线圈情况下,总磁场如下所示。Bov=Bt+Br+Bsh(16)综合式(14)和式(16)可以得知 Bsh与屏蔽电流Ish和屏蔽线圈匝数 N 相关。因此在耦合结构磁屏蔽设计上需要重点对 Ish和 N 进行分析。在满足磁吉 莉,葛富辰,张 弛,等.基于电磁耦合结构的谐振屏蔽及抗偏移性能研究J.电工电能新技术,2023,42(7):68-76.71 图 4 有屏蔽线圈的总磁场Fig.4 Total magnetic field with shielded coil屏蔽要求下,为提高耦合结构的抗偏移能力,本文通过设计屏蔽线圈的匝间距离,平衡耦合结构的中间部分与边缘部分磁感线,提高系统的抗偏移能力。综上所述,为了产生最佳屏蔽效果,通过改变屏蔽回路阻抗控制屏蔽电流大小,将其限制在对耦合结构周围的磁场起屏蔽作用的范围内。调节屏蔽线圈匝数以及其所处位置,令总磁感应强度 Bov幅值达到最小,并与铁氧体屏蔽法进行比较,突出谐振屏蔽的有效性。保证在添加屏蔽线圈后能够有效提升磁场的均匀度,增强系统抗偏移性能,这就是本文研究设计的磁屏蔽结构。3 仿真研究 图 5 为耦合结构的设计拓扑图,其中发射线圈、接收线圈以及屏蔽线圈皆采用简单的圆形线圈,屏蔽线圈设计为内疏外密的闭合结构。本文设定接收线圈最大直径为 246 mm,为了便于进行实验分析,对收发线圈采用相同的设计参数,并将收发线圈对称放置,彼此之间的空气间隙为 100 mm,系统工作频率为 85 kHz。屏蔽线圈设定为 3 匝,其线圈半径分别为 140 mm、150 mm、154 mm,放置在发射线圈周围。通过控制屏蔽电流、调节屏蔽线圈匝数以及其所处位置,确定最佳谐振屏蔽效果。3.1 屏蔽电流优化仿真 本文实验通过 Comsol 有限元仿真软件进行仿真,验证 Ish对屏蔽效果的影响。首先固定 3 匝屏蔽线圈,通过调节 Ish控制屏蔽磁场,并与无屏蔽时耦合结构周围磁场进行比较。表 1 为不同 Ish时观察点处的总磁感应强度值。由于耦合结构周围漏磁对人体的危害主要是x、y 方向的磁场,所以本文设计圆形线圈且对称放置,y 方向与 x 方向的磁屏蔽完全相同,故只需讨论x 方向。为了明显分析对比,需要选定一个起始 图 5 带有屏蔽线圈的耦合结构模型图Fig.5 Coupling structure model diagram with shielding coil表 1 不同屏蔽电流观察点处的总磁感应强度值Tab.1 Total magnetic induction at the observation pointat different shielding currentsIsh/ABov/TIsh/ABov/T05.8511.590.24.691.20.830.43.911.40.210.63.141.60.780.82.371.81.52观察点,该位置不宜距离线圈过近,因为线圈所在的位置磁场较大。也不宜离线圈过远,因为磁屏蔽效果不明显。故本文选定空间中 x 坐标为 220 mm 作为起始观察点,仿真测量得到不同 Ish时该点的总磁感应强度。从表 1 中数据可得,当没有添加屏蔽线圈时,耦合结构在该点产生的总磁感应强度只受到发射线圈和接收线圈的磁场影响,其值为 5.85 T,当 Ish增大到 1.4 A 时,也就是 Ish与 It的幅值比为 1.4 时,观察点的总磁感应强度达到最小值 0.21 T,计算出最大屏蔽差值为 5.64 T。图 6 是一条在观察点处的 Bov与 Ish幅值的关系曲线,通过图 6 可知当 Ish由 0 A 增加到 1.4 A,该点的 Bov呈现减小趋势。因为耦合结构在该点的磁感应强度不变,Ish增大,屏蔽磁场增强,由式(15)、式(16)可以推论出总的磁感应强度会减小。当 Ish从1.4 A 继续增大时,Bov呈现增大趋势,磁场屏蔽效果变差。根据第 2 节分析可知磁感应强度 B 是矢量,当 BshBt时,增大 Bsh值,总的磁感应强度 Bov与 Bsh方向相同,幅值增大,因此继续增大 Ish值,会使 Bsh持续增大,对磁场屏蔽造成消极影响。72 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期图 6 观察点磁感应强度随屏蔽电流幅值变化曲线图Fig.6 Variation curve of magnetic induction intensity withshielding current amplitude at observation point选择起始观察点以外的区域,通过仿真实验,将Ish从 0.8 A 到 1.6 A 分别对应的磁感应强度值绘制如图 7 所示。其中点虚线标注的 1.4 T 代表国家规定的安全标准。观察到 Ish等于 1.4 A 时,曲线数值较低,且变化较平缓,磁屏蔽达到最优效果。因此在固定其他参数不变的情况下,Ish与 It幅值比为1.4,可以达到最佳的磁感应强度屏蔽效果。图 7 目标区域内不同屏蔽电流值的磁屏蔽效果图Fig.7 Magnetic shielding effect diagram of different shieldingcurrent values in the target area根据上述仿真结果,结合第 2 节的理论分析可知 Ish是有限定值的,磁场屏蔽效果不会随着屏蔽电流的增大呈现单调增强的趋势。由于 Bsh与 Bt方向相反,Ish较小时反向的 Bsh较弱,可以起到减小 Bt的作用,但随着 Ish增大,会出现一个限定值 K,使得该电流下的 Bsh幅值与 Bt幅值相等,方向相反,Bov减小到 0。此时,继续增大 Ish,就会造成 Bsh大于 Bt,对某一点的总磁感应强度起到反向增强的作用。因此当 Ish小于限定值 K 时,Ish越大,产生的屏蔽效果就越好,而一旦屏蔽电流 Ish超过 K 时,磁场抵消后会产生反向电磁场,此时 Ish越大,产生的屏蔽效果就越差。3.2 屏蔽线圈匝数、位置优化仿真 通过对屏蔽电流的优化分析,固定屏蔽电流 Ish为 1.4 A,仿真分析不同的屏蔽线圈匝数 N 情况下,屏蔽线圈所处不同的 z 轴高度对磁屏蔽性能的影响。在线圈匝数 N 分别取 1、2、3、4 条件下,线圈所处不同高度位置的磁感应强度值见表 2。观察表 2中数据,可得当屏蔽线圈所处 z 轴高度为 0 时,也就是屏蔽线圈与发射线圈处于同一水平高度位置,屏蔽线圈匝数 N 为 3 时,观察点处的磁感应强度最小。表 2 不同匝数、屏蔽线圈位置情况下观察点磁感应强度Tab.2 Magnetic induction intensity of observation pointunder different turns and shielding coil position(单位:T)z/mmN=1N=2N=3N=4-103.161.820.593.08-53.121.610.452.8803.221.560.271.9152.891.580.971.03102.842.111.312.21将表 2 中数据绘制成图 8,由图 8 可知,当屏蔽线圈放置在与发射线圈同一水平高度处且线圈匝数为 3 匝时,其产生的磁屏蔽效果最佳,优于屏蔽线圈放置在发射线圈上方 5 mm 或下方 5 mm 处产生的磁屏蔽效果。图 8 不同匝数、屏蔽线圈位置情况观察点磁感应强度图Fig.8 Magnetic induction intensity diagram of observationpoint under different turns and shielding coil position结合图 8 和式(14)分析可知,线圈匝数 N 对屏蔽效果的影响与 Ish类似,同样存在一个阈值,当匝数 N 达到该阈值时,将总磁感应强度抵消为 0,此时,若继续增大线圈匝数 N,会产生反向增强的磁场,对磁屏蔽起消极影响。在本文设计中,3 匝屏蔽线圈是一个合适的参数,与 1、2 匝线圈相比,屏蔽效果更加显著;与 4 匝线圈相比,不会产生反向磁场,影响磁屏蔽性能。故确定 Ish为 1.4 A,屏蔽线圈位置与发射线圈处于同一水平高度(z=0)、屏蔽线圈匝数 N 为 3 匝,达到了最佳的屏蔽效果。3.3 抗偏移优化仿真 常态情况下,很难保证接收线圈与发射线圈完全对称放置,必须考虑到耦合线圈的抗偏移能力。因此本文在屏蔽线圈设计上除了消磁目的外,还加吉 莉,葛富辰,张 弛,等.基于电磁耦合结构的谐振屏蔽及抗偏移性能研究J.电工电能新技术,2023,42(7):68-76.73 强了它对整个系统的抗偏移性能。在无屏蔽条件下,控制接收线圈沿 x 方向水平偏移15 mm、30 mm、45 mm、60 mm,仿真得到其互感值见表 3。表 3 无屏蔽情况下偏移互感值Tab.3 Offset mutual inductance without shielding偏移量/mm015304560互感值/H5.795.725.515.114.69由于耦合结构的中间部分磁感线较为密集,边缘位置磁感线较为稀疏,因此将屏蔽线圈设计为外层密、内层疏的圆形结构,当接收线圈发生偏移时,外层密、内层疏的屏蔽线圈会增加边缘位置磁感线,提升整个磁场的均匀度,增强耦合结构的抗偏移能力。测量得添加屏蔽线圈的条件下,接收线圈沿 x方向水平偏移 15 mm、30 mm、45 mm、60 mm 的互感值见表 4。表 4 有屏蔽情况下偏移互感值Tab.4 Offset mutual inductance with shielding偏移量/mm015304560互感值/H5.385.335.184.974.72对比分析表 3、表 4 中的数据可知,随着偏移量的增加,整体互感值均呈现减小趋势,并且偏移越大,互感值减小越多。这是因为随着接收线圈偏移距离增加,能到达该线圈的磁感线减少,所以互感值会降低。当在耦合结构中添加外层密、内层疏的屏蔽线圈后,增加了边缘位置磁感线、提升了磁场均匀度。虽然互感值会略微降低,但是与无屏蔽情况相比,同样的偏移距离下,互感降低的差值显然更小。从互感值变化较小这一方面有效说明该屏蔽设计令耦合结构的抗偏移性能提高了 6.72%。综合上述仿真结果,本文调节屏蔽电流 Ish为1.4 A,其与发射线圈电流之比为 1.4。对屏蔽线圈的匝数以及其所处的位置做出合理设计,令线圈匝数为 3 匝,且与发射线圈处于同一水平高度。选择x=220 mm 的观察点位置为边界,建立一个边长为440 mm 的立方体结构。以该立方体的 x、y 方向表面的磁感应强度为标准。对比添加屏蔽线圈前后这两个表面的磁感应强度值的变化情况,如图 9 所示。图 9 中 Bmax为该区域最大磁感应强度,图 9(a)为无屏蔽线圈时立体结构表面的磁感应强度分布图,图9(b)为添加屏蔽线圈后的磁感应强度分布图。根据图 9 中标注的磁感应强度数值,可知立体结构表面的最大磁感应强度由 5.8 T 降低为2.9 T。由此可知,在该立方体以外区域的磁感应强度值同样得到了有效降低,证明该屏蔽方法是可行的。图 9 有、无屏蔽时立体表面的磁感应强度Fig.9 Magnetic induction strength of three-dimensionalsurface with and without shielding为了验证谐振屏蔽法的优越屏蔽性能,本文在Comsol 软件上搭建了铁氧体屏蔽模型,与谐振屏蔽做对比。测量记录了 x 方向区域内的磁感应强度值(见表 5),在观察点处,无屏蔽情况下的磁感应强度值为 5.85 T,从表 5 中数据发现在添加本文设计的屏蔽线圈后,磁感应强度值降低为 0.21 T,最大屏蔽量达到 96.41%。而铁氧体屏蔽法,将磁感应强度降低为 2.21 T。其最大屏蔽量为 62.22%。与铁 氧 体 屏 蔽 相 比,本 文 的 谐 振 屏 蔽 提 高 了34.19%的屏蔽性能,突出了该设计的屏蔽优越性。表 5 两种屏蔽的磁感应强度值Tab.5 Magnetic induction value of two kinds of shieldingx/mm谐振屏蔽的磁感应强度值/T铁氧体屏蔽的磁感应强度值/T2200.212.212240.132.152280.052.092320.042.032360.111.982400.211.934 屏蔽实验验证 为验证本文所设计屏蔽方法的有效性,搭建频率为 85 kHz 的 WPT 系统结构,并采用谐振屏蔽方法实现。如图 10 为所构建 WPT 系统的实验设置。图 10 中直流电源向逆变器供电,逆变器将直流电转化为交流电。传输到接收线圈的交流电经过整流器转化为直流电,实现对负载的供电。耦合结构中发射线圈与接收线圈均绕制 10 匝,内、外径均分别为192 mm、246 mm,将其对称放置。屏蔽线圈绕制为3 匝,内径为 280 mm,外径为 308 mm。为降低对传输效率的影响,所有线圈均采用 Litz 线绕制24。74 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期图 10 WPT 系统的实验设置Fig.10 Experimental setup of WPT system屏蔽线圈的加入势必会对原耦合结构的传输效率产生影响。文中耦合线圈及屏蔽线圈的电气参数见表 6。结合式(7)可知在有屏蔽线圈条件下的耦合结构最大传输效率达到了 82.2%,而无屏蔽情况下的最大传输效率计算为 88.7%。系统的传输效率降低,一部分是由于收发线圈间的互感 Mtr减小导致,另一部分则是因为屏蔽线圈与接收线圈之间发生耦合产生损耗。表 6 耦合线圈及屏蔽线圈的电气参数Tab.6 Electrical parameters of coupling coil and shielding coil发射线圈接收线圈屏蔽线圈自感/H11.811.85.9内阻/0.0540.0540.027电容/F32.432.46.49图 11 为有、无屏蔽时发射线圈自感测试装置,根据 LCR 分析仪,在图 11(a)中测得无屏蔽线圈时发射线圈自感为 Lt=11.23 H,在图 11(b)中测得添加屏蔽线圈后发射线圈自感 Lt降低为 9.88 H。电磁屏蔽技术可以理解为降低区域内磁感线的疏密程度,而自感值的大小同样表示磁感线的疏密,因此通过自感值的变化足以反映出磁屏蔽的效果。根据第 2 节的分析可知,在屏蔽线圈周围产生的屏蔽作用对耦合结构及其外部区域都会产生影响。所以通过观测发射线圈自感的降低,可以说明该屏蔽设计对耦合线圈的外部区域已经产生磁场屏蔽效果,证明了屏蔽方法的有效性。5 结论 本文介绍了一种谐振屏蔽法并将其运用在圆形线圈的设计中,从而降低了无线充电过程中耦合结构周围的漏磁。首先通过分析谐振屏蔽法减弱磁场的原理,建立了等效电路模型,对传输效率做出正确推导。然后确立了屏蔽线圈的优化方案并对提高完图 11 有、无屏蔽时发射线圈自感测试装置Fig.11 Self inductance test device of transmittingcoil with and without shielding整系统的抗偏移性能做出了合理设计。最后通过仿真软件和实验验证了谐振屏蔽法可以达到 96.41%的最大屏蔽量,有效降低目标区域内的磁感应强度大小。与铁氧体屏蔽对比,提高了 34.19%的屏蔽效果。通过对屏蔽线圈匝间距的合理设计,耦合结构抗偏移性能提高了 6.72%,证明了该谐振屏蔽理论和设计方法的有效性。参考文献(References):1 高欣芳,杨中平,王义,等.移动式 WPT 系统双 D形耦合机构磁心设计 J.电工电能新技术,2022,41(3):8-14.Gao Xinfang,Yang Zhongping,Wang Yi,et al.Core de-sign of double-D coupling mechanism in mobile WPT sys-tem J.Advanced Technology of Electrical Engineeringand Energy,2022,41(3):8-14.2 郭彦杰,王丽芳,李树凡,等.电动汽车移动式无线充电系统动态建模与特性分析 J.电力系统自动化,2017,41(2):73-78.Guo Yanjie,Wang Lifang,Li Shufan,et al.Dynamicmodeling and characteristic analysis on dynamic wirelesscharging system of electric vehicle J.Automation of E-lectric Power Systems,2017,41(2):73-78.3 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