[發明專利]一種無線能量傳輸系統的磁場屏蔽裝置

有效

• 申請號: 201510502810.1
• 申請日: 2015-08-16
• 公開（公告）號: CN105099005B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 王麗芳;朱慶偉;李芳;廖承林;郭彥杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02J50/00
• 分類號: H02J50/00;H02J50/70;H01F27/36;H01F27/38
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種無線能量傳輸系統的磁場屏蔽裝置。

背景技術

無線能量傳輸技術是近幾年來學術界和工業界的一個新的研究熱點，在醫療衛生、消費電子業、電動汽車等各行業以及軍事領域都具有廣泛的應用前景。基于該技術的無線充電設備也相繼被開發出來，在給消費者帶來巨大的便利的同時，無線能量傳輸系統特別是大功率系統在工作過程中產生的高頻電磁場輻射，可能會給過于靠近無線能量傳輸系統的生物體造成一定的安全問題。為此，該類無線充電設備都會專門設計一定的磁場屏蔽裝置，以降低系統周圍的輻射強度。

業界最常用的屏蔽措施是采用高電導率的金屬板，如鋁板，就近安置在無線能量傳輸系統發射線圈和接收線圈的外表面，系統工作時會在屏蔽板內感生出渦電流，渦流產生的磁場將抵消一部分的磁場，從而實現屏蔽磁場的效果。這種被動屏蔽措施最大的缺點是，屏蔽板的引入會降低原無線能量傳輸系統收發線圈之間的耦合系數，如果設計不當會大大降低系統的傳輸效率。CN 104023512 A“無線電能傳輸系統的漏磁場屏蔽方法”則提出了一種側向安放的漏磁場屏蔽器，通過檢測漏磁場和適當的控制在無源屏蔽線圈產生一定的反向磁場來減弱漏磁場，但是該方案需要引入復雜的電容陣列、開關陣列、磁場探頭陣列以及微處理器，大大提高了成本；而且軟件控制中需要進行復雜的積分運算，而一般的微處理器是難以勝任的；其最大的缺點在于，側向安放的磁場屏蔽器阻擋了收發線圈的自由移動路徑，這與無線能量傳輸系統最大的優點—自由便捷相矛盾。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的缺點，提出一種無線能量傳輸系統的磁場屏蔽裝置。本發明磁場屏蔽裝置結構簡單、成本低廉、對無線能量傳輸系統本身影響小，同時屏蔽效果較好。

本發明磁場屏蔽裝置由置于無線能量傳輸系統的接收線圈或發射線圈附近的消磁線圈和消磁電容構成。消磁線圈放置在特殊的零耦合位置。消磁線圈并聯一個消磁電容。

本發明通過放置在特殊的零耦合位置的消磁線圈，最大限度的降低了消磁線圈對無線能量傳輸系統的影響；通過并聯的消磁電容，將消磁線圈回路的總阻抗補償至純容性，在消磁線圈內感應出與無線能量傳輸系統的線圈電流方向相反的消磁電流，達到削弱原無線能量傳輸系統磁場輻射的效果。

所述的零耦合位置，是指在該臨界位置，消磁線圈只與發射線圈或接收線圈中的一個線圈之間相互耦合，存在互感，而與另一個線圈之間不存在耦合，互感為零。

與消磁線圈耦合的線圈稱為待屏蔽線圈，與消磁線圈無耦合的線圈稱為非屏蔽線圈。當消磁線圈放置在靠近發射線圈的位置時，發射線圈是待屏蔽線圈，接收線圈是非屏蔽線圈；當消磁線圈安放在靠近接收線圈的位置時，接收線圈是待屏蔽線圈，發射線圈是非屏蔽線圈。根據兩平行線圈之間互感隨水平方向偏移的一般規律，將消磁線圈在貼近待屏蔽線圈的平面上水平移動，調整消磁線圈與非屏蔽線圈之間的互感。當消磁線圈與非屏蔽線圈之間的互感下降到零時，該位置即為零耦合位置。

所述的消磁電容，其容值必須保證消磁線圈和消磁電容整體呈現容性阻抗，從而在消磁線圈內感應出與無線能量傳輸系統的線圈電流方向相反的消磁電流。所述的消磁電容，其容值C_c按下式設計：

式中：ω為無線能量傳輸系統工作頻率，Lc為消磁線圈自感，Mc為消磁線圈與鄰近的待屏蔽線圈之間的互感，σ為消磁系數。

消磁線圈內可產生σ倍于待屏蔽線圈內的電流大小的消磁電流，I_c＝σI。消磁系數σ越大，消磁效果越好，但是消磁線圈的損耗也隨之增加，需根據無線能量傳輸系統對磁場屏蔽效果的設計要求來取值，一般取σ<3。

設無線能量傳輸系統工作頻率為ω，測量得到消磁線圈內阻為r_c，自感為L_c，消磁線圈與鄰近的待屏蔽線圈之間的互感為M_c，假設無線能量傳輸系統正常工作時待屏蔽線圈內電流為I，用j表示基本虛數單位，Z_c表示消磁線圈與消磁電容的總阻抗，一般的r_c<<Z_c，當消磁電容按公式(1)取值時，則消磁電流可表示為：