磁感應線圈磁場分布測試陣列

曾舒帆　李亞娟　陳萬才　張自長

摘要：本文提出了一種磁感應線圈磁場分布測試陣列及測試系統，該陣列包括：LxMxN個陣列元，陣列元通過連接桿連接，每一個陣列元包括：無線收發器及同心設置的固定環、旋轉環和PCB線圈板，該陣列用于測量特定區域的磁場分布情況以及各個位置的磁場強度。

[關鍵詞]電磁感應測試陣列磁場測試系統磁感應分布

電動汽車現在已經大面積普及以及推廣，無線充電樁由于其充電的便捷性也具有很好的推廣前景，但是在對無線充電樁進行測量分析其耗電量以及充電效率時如果可以準確的了解其周圍磁場的分布情況，就可以準確的分析出充電效率較高的區域。在直流大電測量時需要考慮周圍磁場影響，如果能夠準確的分析出傳感器周邊的磁場分布情況，就可以避免由于磁場干擾引起的誤差。

1本文的背景

目前，由于磁感應式電磁充電技術相對簡單、生產使用成本低并且傳輸效率高，被普遍應用于電動汽車、手機等常用設備的無線充電技術中，是現在應用最廣泛的無線充電技術。電磁感應的原理是在初級線圈施加一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端，其根本原理是利用電磁感應原理。

對于載流線圈空間磁場的分布，通常是用公式計算出不同位置的磁場強度及方向，或者使用磁場強度測試儀測試人為的測試不同位置的磁場強度（僅只用于驗證公式計算的正確性），無法直觀的地測試并展示載流線圈周圍空間電磁場的分布情況。而且電動汽車充電線圈由于需要提供較大的充電能量，所以其線圈體積尺寸較大，在空間中產生的磁力線范圍也相對較大，按照上述方法往往不能準確測量出不同位置的磁場強度及方向，因此無法直接分析出在不同位置充電的傳輸效率。

對于載流線圈空間磁場的分布，常規通常是用公式計算出不同位置的磁場強度及方向或者使用磁場強度測試儀測試認為的測試不同位置的磁場強度并且僅只用于驗證公式計算的正確性，而專利中設計的測試陣列運用了計算機控制技術，可以直觀的測試出載流線圈周圍空間電磁場的分布情況。由于PCB線圈在空間中僅在垂直于磁力線方向可以產生最大的感應電勢，所以可以通過旋轉PCB線圈找到空間中各點感應電勢最強的方向，從而反映出磁力線方向。

2測試陣列結構

本文提出一種磁感應線圈磁場分布測試陣列及測試系統，解決了現有技術中無法準確且直觀地展示載流線圈周圍空間電磁場的分布情況的問題。

磁感應線圈磁場分布測試陣列，包括：LxMxN個陣列元，陣列元之間通過可伸縮連接桿連接形成LxMxN的陣列。每一個陣列元由無線收發器、同心設置的固定環、旋轉環和PCB耦合線圈板構成，其結構如圖1所示，上述旋轉環直徑小于固定環的直徑，且可旋轉地安裝在固定環內，固定環和旋轉環之間的間隙中還設有控制所述旋轉環旋轉的步進電機。PCB線圈板直徑小于所述旋轉環的直徑，且可旋轉地安裝在旋轉環內，PCB線圈板和旋轉環之間的間隙中還設有控制PCB線圈板旋轉的第二步進電機。

PCB線圈板上還設有用于測量線圈上感應電勢的測量電路，無線收發器分別連接測量電路、第一步進電機和第二步進電機，連接桿可拆卸地連接兩個陣列元的固定環，L≥2，M≥2，N≥2，對于陣列的每一維方向，上的所有連接桿，這些連接桿和與其連接的陣列元的旋轉環的旋轉軸線位置關系均保持一致。最小陣列單元如圖1右圖所示，由四個陣列元按照上述方式連接，連接桿可伸縮，長度可調，這樣就可以適應測量不同場地大小情況下的測試需求。

3測量原理

每個陣列單元由測試線圈、放大電路、數據采集電路、數據發射電路構成，如圖2所示。

測量線圈感應磁場強度產生電信號，經過放大后進入數據采集電路生成數字信號并通過無線傳輸單元發射到系統的終端。系統終端通過數據處理單元向步進電機發出控制命令，調整測量線圈在該位置的角度記錄測量線圈在該角度的測量值，經過算法計算出測量值最大的角度值，記錄該角度以及對應的測量信號值，綜合所有陣列元返回的角度以及磁場強度信息以及陣列元的位置信息，就可以模擬出測試陣列所在的磁場中的磁力線分布，在上位機系統中就可以繪制并且分析出該區域的磁場分布情況。

4結語

本文提出的磁場陣列測試系統可以直觀的反映出空間磁力線的分布情況，而不是用抽象的運算計算出磁力線分布，有利于最佳效率充電方案的研究。測試全過程均由上位機自動控制，無需人為旋轉，測試的準確度相對人為使用線圈尋找磁力線方向高。