適用于巡檢機器人的無線充電系統復合屏蔽層研究

鮑春明，孫 磊，王 強，王春芳

（1.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博 255000；2.青島大學電氣工程學院，山東青島 266071）

感應耦合電能傳輸屬于無線電能傳輸方式的一種[1-2]，其工作原理是電磁感應耦合，近年來廣泛應用于巡檢機器人[3-4]、小型醫療設備[5-6]、無尾家電[7]等適合無線電能傳輸的領域。耦合線圈作為無線電能傳輸、能量傳遞的關鍵部位，在工作中會導致大量的電磁泄露[8-9]，由此帶來的電磁輻射問題逐漸進入公眾的視野。過量的電磁輻射不僅使系統的傳輸效率和傳輸功率降低[10-11]，還對公眾的健康造成了不利影響。

鑒于電磁輻射帶來的諸多問題，電磁屏蔽技術被應用到無線電能傳輸領域[12-14]。在耦合線圈電磁屏蔽的設計中，電磁輻射的屏蔽效果主要與屏蔽材料的性能有關。國內外學者已對不同屏蔽材料的屏蔽效果進行了較為詳盡的研究。大阪工業大學研究團隊針對復合屏蔽層進行了研究，為減小ICPT 系統對電力電子器件的影響，通過感應到導電板中的磁場以消除渦流以及通過磁性材料對磁通路徑實現改變。韓國亞洲大學研究團隊通過屏蔽線圈的加入，在不改變傳輸功率的前提下，降低了線圈周圍的磁場。以上文獻均未對多種屏蔽材料復合的效果進行分析。

文中以巡檢機器人無線充電系統為研究對象，在前人工作的基礎上[15-17]，建立了基于有限元的磁場-電路耦合仿真模型。針對感應耦合式無線電能傳輸(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)系統單層屏蔽的不足，設計了一種鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構。

1 巡檢機器人無線充電系統的構成

巡檢機器人無線充電系統的結構如圖1 所示，按照功能，該系統可以劃分為無線電能傳輸系統、充電管理系統兩部分。無線電能傳輸系統由單管逆變電路、耦合線圈、補償網絡和整流濾波電路構成。

圖1 巡檢機器人無線充電系統的構成

2 基于有限元的磁場-電路耦合仿真模型的建立

以巡檢機器人無線充電系統為研究對象，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。鐵氧體單層屏蔽結構可以增大工作區磁場，使發射、接收線圈間的自感、互感系數和耦合系數大幅度增加，但對非工作區的磁場削弱作用有限；鋁板單層屏蔽結構可以削弱工作區磁場，使耦合線圈的自感、互感系數和耦合系數大幅度減少，但對非工作區的磁場削弱作用很強，屏蔽效果顯著優于鐵氧體。因此可以結合鐵氧體和鋁板兩種不同屏蔽材料的性質，設計一種鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構，如圖4 所示。

圖4 雙層屏蔽結構

為了充分利用鐵氧體屏蔽和鋁板屏蔽的特點，提高電磁屏蔽的效果，設計的屏蔽結構內層采用鐵磁性鐵氧體材料，外層采用非鐵磁性鋁板材料。內層鐵氧體用來增大發射、接收線圈間的自感、互感系數和耦合系數，對非工作區磁場進行第一次屏蔽，然后由外層鋁板對鐵氧體沒有屏蔽掉的非工作區磁場成分進行第二次屏蔽。

對采用不同厚度鋁板的鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構的屏蔽效果進行仿真分析，結果分別如圖5、圖6 所示。

圖5 1 mm厚鐵氧體+1 mm厚鋁板雙層屏蔽結構各觀察線處的磁感應強度

圖6 兩種厚度的雙層屏蔽結構仿真結果對比

雙層屏蔽時耦合線圈參數的仿真值如表1 所示。由表1 可知，鐵磁性鐵氧體參與電磁屏蔽時，耦合線圈的自感、互感和耦合系數均有不同程度的增加，說明鐵磁性鐵氧體可以明顯地增強工作區域磁場。采用鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構，發射、接收線圈間的自感、互感和耦合系數相較于不采用屏蔽時明顯變大，相較于只采用鐵氧體單層屏蔽結構，耦合線圈的各項參數下降很少，但此時非工作區域磁場受到了明顯的削減。

表1 雙層屏蔽時耦合線圈參數

將采用不同厚度鋁板的鐵氧體-鋁板雙層屏蔽的屏蔽結果進行比較。由圖5 可以看出，在厚度為0～80 mm 和220～300 mm 的工作區域范圍內，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構的工作區域磁場與鐵氧體單層屏蔽結構的工作區域磁場大體一致；在厚度為80～220 mm 的非工作區域范圍內，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構的非工作區域磁場與鋁板單層屏蔽結構的非工作區域磁場大體一致。

以上研究可以說明，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構在保留了鐵氧體單層屏蔽增強工作區域磁場的特點的同時，又保留了鋁板單層屏蔽結構削弱非工作區域磁場時，電磁屏蔽效果顯著的特點。

由表1 可知，將鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構中的1 mm 鋁板用0.2 mm 的鋁箔代替，對耦合線圈的自感、互感及耦合系數的影響很小，因此只要0.2 mm 的鋁箔對非工作區域磁場的削弱作用與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構成鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構。為此，采用不同厚度的鋁箔鋁板組成鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構進行仿真分析，如圖6所示，其中，LP為原邊自感系數，Ls為副邊自感系數，m為互感系數，k為耦合系數。

從圖6 可以看出，將鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構中的1 mm 鋁板用0.2 mm 的鋁箔代替后，非工作區域的磁場分布大體一致。因此可以得出結論，在鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構中，鋁板厚度的改變對耦合線圈的自感、互感及耦合系數的影響很小，對非工作區域磁場的削弱作用大體相同。選用厚度較低的鋁箔來代替鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構中的鋁板，對于電磁屏蔽效果基本沒有影響，這不僅節約了成本，還減少了耦合線圈的體積，節省了空間。

4 實驗驗證

由巡檢機器人無線電能傳輸系統的實際構成搭建實驗平臺，如圖7 所示。

圖7 實驗平臺

選取1 mm 厚鐵氧體和1 mm 厚鋁板的雙層屏蔽結構進行對比說明，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構的自感、互感系數和耦合系數可由LCR 測試儀測得，如表2 所示。

表2 雙層屏蔽時耦合線圈參數測量值

由表2 可知，耦合線圈的自感、互感及耦合系數的仿真值與實測值大致相同，誤差控制在實驗允許范圍之內，因此可以認為實驗與仿真結果一致，說明了有限元的磁場-電路耦合仿真模型的準確性。

測量耦合線圈參數之后，對該系統施加外部電源，對接收線圈上方觀察線2 上的磁感應強度進行測量，對比兩種不同屏蔽結構的測量值與仿真值，如圖8 所示。

圖8 磁感應強度的實驗測量結果

磁感應強度的測量值略小于仿真值，這是因為仿真過程中電子元件均為理想元件，實際中并不存在，再加上實驗過程會受到電磁干擾，造成誤差也在所難免。

5 結論

文中以巡檢機器人無線充電系統為研究對象，建立了基于有限元的磁場-電路耦合仿真模型，對無線充電系統的屏蔽結構進行了研究。實驗結果表明，鐵氧體-鋁板雙層屏蔽結構在保留發射、接收線圈間的自感、互感系數及耦合系數增強工作區磁場的優點的同時，還可以保留鋁板單層屏蔽結構削弱非工作區磁場時，電磁屏蔽效果顯著的特點，具有較好的應用價值。