鮑春明，孫 磊，王 強(qiáng)，王春芳

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博 255000；2.青島大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東青島 266071）

感應(yīng)耦合電能傳輸屬于無(wú)線電能傳輸方式的一種[1-2]，其工作原理是電磁感應(yīng)耦合，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于巡檢機(jī)器人[3-4]、小型醫(yī)療設(shè)備[5-6]、無(wú)尾家電[7]等適合無(wú)線電能傳輸?shù)念I(lǐng)域。耦合線圈作為無(wú)線電能傳輸、能量傳遞的關(guān)鍵部位，在工作中會(huì)導(dǎo)致大量的電磁泄露[8-9]，由此帶來(lái)的電磁輻射問(wèn)題逐漸進(jìn)入公眾的視野。過(guò)量的電磁輻射不僅使系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率降低[10-11]，還對(duì)公眾的健康造成了不利影響。

鑒于電磁輻射帶來(lái)的諸多問(wèn)題，電磁屏蔽技術(shù)被應(yīng)用到無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域[12-14]。在耦合線圈電磁屏蔽的設(shè)計(jì)中，電磁輻射的屏蔽效果主要與屏蔽材料的性能有關(guān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)不同屏蔽材料的屏蔽效果進(jìn)行了較為詳盡的研究。大阪工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)復(fù)合屏蔽層進(jìn)行了研究，為減小ICPT 系統(tǒng)對(duì)電力電子器件的影響，通過(guò)感應(yīng)到導(dǎo)電板中的磁場(chǎng)以消除渦流以及通過(guò)磁性材料對(duì)磁通路徑實(shí)現(xiàn)改變。韓國(guó)亞洲大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)屏蔽線圈的加入，在不改變傳輸功率的前提下，降低了線圈周?chē)拇艌?chǎng)。以上文獻(xiàn)均未對(duì)多種屏蔽材料復(fù)合的效果進(jìn)行分析。

文中以巡檢機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)為研究對(duì)象，在前人工作的基礎(chǔ)上[15-17]，建立了基于有限元的磁場(chǎng)-電路耦合仿真模型。針對(duì)感應(yīng)耦合式無(wú)線電能傳輸(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)系統(tǒng)單層屏蔽的不足，設(shè)計(jì)了一種鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。

1 巡檢機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)的構(gòu)成

巡檢機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，按照功能，該系統(tǒng)可以劃分為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)、充電管理系統(tǒng)兩部分。無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)由單管逆變電路、耦合線圈、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和整流濾波電路構(gòu)成。

圖1 巡檢機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)的構(gòu)成

2 基于有限元的磁場(chǎng)-電路耦合仿真模型的建立

以巡檢機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了有限元仿真模型，耦合線圈的3D 模型如圖2 所示。

圖2 耦合線圈模型

搭建Simplorer 單管逆變電路模型，如圖3 所示。

圖3 單管逆變電路模型

3 鐵氧體-鋁板雙層屏蔽的仿真分析

電磁屏蔽的效果與屏蔽材料的性能有關(guān)。鐵氧體單層屏蔽結(jié)構(gòu)可以增大工作區(qū)磁場(chǎng)，使發(fā)射、接收線圈間的自感、互感系數(shù)和耦合系數(shù)大幅度增加，但對(duì)非工作區(qū)的磁場(chǎng)削弱作用有限；鋁板單層屏蔽結(jié)構(gòu)可以削弱工作區(qū)磁場(chǎng)，使耦合線圈的自感、互感系數(shù)和耦合系數(shù)大幅度減少，但對(duì)非工作區(qū)的磁場(chǎng)削弱作用很強(qiáng)，屏蔽效果顯著優(yōu)于鐵氧體。因此可以結(jié)合鐵氧體和鋁板兩種不同屏蔽材料的性質(zhì)，設(shè)計(jì)一種鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 雙層屏蔽結(jié)構(gòu)

為了充分利用鐵氧體屏蔽和鋁板屏蔽的特點(diǎn)，提高電磁屏蔽的效果，設(shè)計(jì)的屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)層采用鐵磁性鐵氧體材料，外層采用非鐵磁性鋁板材料。內(nèi)層鐵氧體用來(lái)增大發(fā)射、接收線圈間的自感、互感系數(shù)和耦合系數(shù)，對(duì)非工作區(qū)磁場(chǎng)進(jìn)行第一次屏蔽，然后由外層鋁板對(duì)鐵氧體沒(méi)有屏蔽掉的非工作區(qū)磁場(chǎng)成分進(jìn)行第二次屏蔽。

對(duì)采用不同厚度鋁板的鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效果進(jìn)行仿真分析，結(jié)果分別如圖5、圖6 所示。

圖5 1 mm厚鐵氧體+1 mm厚鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)各觀察線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖6 兩種厚度的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比

雙層屏蔽時(shí)耦合線圈參數(shù)的仿真值如表1 所示。由表1 可知，鐵磁性鐵氧體參與電磁屏蔽時(shí)，耦合線圈的自感、互感和耦合系數(shù)均有不同程度的增加，說(shuō)明鐵磁性鐵氧體可以明顯地增強(qiáng)工作區(qū)域磁場(chǎng)。采用鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，發(fā)射、接收線圈間的自感、互感和耦合系數(shù)相較于不采用屏蔽時(shí)明顯變大，相較于只采用鐵氧體單層屏蔽結(jié)構(gòu)，耦合線圈的各項(xiàng)參數(shù)下降很少，但此時(shí)非工作區(qū)域磁場(chǎng)受到了明顯的削減。

表1 雙層屏蔽時(shí)耦合線圈參數(shù)

將采用不同厚度鋁板的鐵氧體-鋁板雙層屏蔽的屏蔽結(jié)果進(jìn)行比較。由圖5 可以看出，在厚度為0～80 mm 和220～300 mm 的工作區(qū)域范圍內(nèi)，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的工作區(qū)域磁場(chǎng)與鐵氧體單層屏蔽結(jié)構(gòu)的工作區(qū)域磁場(chǎng)大體一致；在厚度為80～220 mm 的非工作區(qū)域范圍內(nèi)，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的非工作區(qū)域磁場(chǎng)與鋁板單層屏蔽結(jié)構(gòu)的非工作區(qū)域磁場(chǎng)大體一致。

以上研究可以說(shuō)明，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)在保留了鐵氧體單層屏蔽增強(qiáng)工作區(qū)域磁場(chǎng)的特點(diǎn)的同時(shí)，又保留了鋁板單層屏蔽結(jié)構(gòu)削弱非工作區(qū)域磁場(chǎng)時(shí)，電磁屏蔽效果顯著的特點(diǎn)。

由表1 可知，將鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)中的1 mm 鋁板用0.2 mm 的鋁箔代替，對(duì)耦合線圈的自感、互感及耦合系數(shù)的影響很小，因此只要0.2 mm 的鋁箔對(duì)非工作區(qū)域磁場(chǎng)的削弱作用與1 mm 鋁板的電磁屏蔽性能大體一致，就可以選用成本較低的鋁箔代替鋁板來(lái)構(gòu)成鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。為此，采用不同厚度的鋁箔鋁板組成鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，如圖6所示，其中，LP為原邊自感系數(shù)，Ls為副邊自感系數(shù)，m為互感系數(shù)，k為耦合系數(shù)。

從圖6 可以看出，將鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)中的1 mm 鋁板用0.2 mm 的鋁箔代替后，非工作區(qū)域的磁場(chǎng)分布大體一致。因此可以得出結(jié)論，在鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)中，鋁板厚度的改變對(duì)耦合線圈的自感、互感及耦合系數(shù)的影響很小，對(duì)非工作區(qū)域磁場(chǎng)的削弱作用大體相同。選用厚度較低的鋁箔來(lái)代替鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)中的鋁板，對(duì)于電磁屏蔽效果基本沒(méi)有影響，這不僅節(jié)約了成本，還減少了耦合線圈的體積，節(jié)省了空間。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由巡檢機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

選取1 mm 厚鐵氧體和1 mm 厚鋁板的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的自感、互感系數(shù)和耦合系數(shù)可由LCR 測(cè)試儀測(cè)得，如表2 所示。

表2 雙層屏蔽時(shí)耦合線圈參數(shù)測(cè)量值

由表2 可知，耦合線圈的自感、互感及耦合系數(shù)的仿真值與實(shí)測(cè)值大致相同，誤差控制在實(shí)驗(yàn)允許范圍之內(nèi)，因此可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，說(shuō)明了有限元的磁場(chǎng)-電路耦合仿真模型的準(zhǔn)確性。

測(cè)量耦合線圈參數(shù)之后，對(duì)該系統(tǒng)施加外部電源，對(duì)接收線圈上方觀察線2 上的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比兩種不同屏蔽結(jié)構(gòu)的測(cè)量值與仿真值，如圖8 所示。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值略小于仿真值，這是因?yàn)榉抡孢^(guò)程中電子元件均為理想元件，實(shí)際中并不存在，再加上實(shí)驗(yàn)過(guò)程會(huì)受到電磁干擾，造成誤差也在所難免。

5 結(jié)論

文中以巡檢機(jī)器人無(wú)線充電系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了基于有限元的磁場(chǎng)-電路耦合仿真模型，對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)在保留發(fā)射、接收線圈間的自感、互感系數(shù)及耦合系數(shù)增強(qiáng)工作區(qū)磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還可以保留鋁板單層屏蔽結(jié)構(gòu)削弱非工作區(qū)磁場(chǎng)時(shí)，電磁屏蔽效果顯著的特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。