适用于巡检机器人的无线充电系统复合屏蔽层研究

鲍春明，孙 磊，王 强，王春芳

（1.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博 255000；2.青岛大学电气工程学院，山东青岛 266071）

感应耦合电能传输属于无线电能传输方式的一种[1-2]，其工作原理是电磁感应耦合，近年来广泛应用于巡检机器人[3-4]、小型医疗设备[5-6]、无尾家电[7]等适合无线电能传输的领域。耦合线圈作为无线电能传输、能量传递的关键部位，在工作中会导致大量的电磁泄露[8-9]，由此带来的电磁辐射问题逐渐进入公众的视野。过量的电磁辐射不仅使系统的传输效率和传输功率降低[10-11]，还对公众的健康造成了不利影响。

鉴于电磁辐射带来的诸多问题，电磁屏蔽技术被应用到无线电能传输领域[12-14]。在耦合线圈电磁屏蔽的设计中，电磁辐射的屏蔽效果主要与屏蔽材料的性能有关。国内外学者已对不同屏蔽材料的屏蔽效果进行了较为详尽的研究。大阪工业大学研究团队针对复合屏蔽层进行了研究，为减小ICPT 系统对电力电子器件的影响，通过感应到导电板中的磁场以消除涡流以及通过磁性材料对磁通路径实现改变。韩国亚洲大学研究团队通过屏蔽线圈的加入，在不改变传输功率的前提下，降低了线圈周围的磁场。以上文献均未对多种屏蔽材料复合的效果进行分析。

文中以巡检机器人无线充电系统为研究对象，在前人工作的基础上[15-17]，建立了基于有限元的磁场-电路耦合仿真模型。针对感应耦合式无线电能传输(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)系统单层屏蔽的不足，设计了一种铁氧体-铝板双层屏蔽结构。

1 巡检机器人无线充电系统的构成

巡检机器人无线充电系统的结构如图1 所示，按照功能，该系统可以划分为无线电能传输系统、充电管理系统两部分。无线电能传输系统由单管逆变电路、耦合线圈、补偿网络和整流滤波电路构成。

图1 巡检机器人无线充电系统的构成

2 基于有限元的磁场-电路耦合仿真模型的建立

以巡检机器人无线充电系统为研究对象，建立了有限元仿真模型，耦合线圈的3D 模型如图2 所示。

图2 耦合线圈模型

搭建Simplorer 单管逆变电路模型，如图3 所示。

图3 单管逆变电路模型

3 铁氧体-铝板双层屏蔽的仿真分析

电磁屏蔽的效果与屏蔽材料的性能有关。铁氧体单层屏蔽结构可以增大工作区磁场，使发射、接收线圈间的自感、互感系数和耦合系数大幅度增加，但对非工作区的磁场削弱作用有限；铝板单层屏蔽结构可以削弱工作区磁场，使耦合线圈的自感、互感系数和耦合系数大幅度减少，但对非工作区的磁场削弱作用很强，屏蔽效果显著优于铁氧体。因此可以结合铁氧体和铝板两种不同屏蔽材料的性质，设计一种铁氧体-铝板双层屏蔽结构，如图4 所示。

图4 双层屏蔽结构

为了充分利用铁氧体屏蔽和铝板屏蔽的特点，提高电磁屏蔽的效果，设计的屏蔽结构内层采用铁磁性铁氧体材料，外层采用非铁磁性铝板材料。内层铁氧体用来增大发射、接收线圈间的自感、互感系数和耦合系数，对非工作区磁场进行第一次屏蔽，然后由外层铝板对铁氧体没有屏蔽掉的非工作区磁场成分进行第二次屏蔽。

对采用不同厚度铝板的铁氧体-铝板双层屏蔽结构的屏蔽效果进行仿真分析，结果分别如图5、图6 所示。

图5 1 mm厚铁氧体+1 mm厚铝板双层屏蔽结构各观察线处的磁感应强度

图6 两种厚度的双层屏蔽结构仿真结果对比

双层屏蔽时耦合线圈参数的仿真值如表1 所示。由表1 可知，铁磁性铁氧体参与电磁屏蔽时，耦合线圈的自感、互感和耦合系数均有不同程度的增加，说明铁磁性铁氧体可以明显地增强工作区域磁场。采用铁氧体-铝板双层屏蔽结构，发射、接收线圈间的自感、互感和耦合系数相较于不采用屏蔽时明显变大，相较于只采用铁氧体单层屏蔽结构，耦合线圈的各项参数下降很少，但此时非工作区域磁场受到了明显的削减。

表1 双层屏蔽时耦合线圈参数

将采用不同厚度铝板的铁氧体-铝板双层屏蔽的屏蔽结果进行比较。由图5 可以看出，在厚度为0～80 mm 和220～300 mm 的工作区域范围内，铁氧体-铝板双层屏蔽结构的工作区域磁场与铁氧体单层屏蔽结构的工作区域磁场大体一致；在厚度为80～220 mm 的非工作区域范围内，铁氧体-铝板双层屏蔽结构的非工作区域磁场与铝板单层屏蔽结构的非工作区域磁场大体一致。

以上研究可以说明，铁氧体-铝板双层屏蔽结构在保留了铁氧体单层屏蔽增强工作区域磁场的特点的同时，又保留了铝板单层屏蔽结构削弱非工作区域磁场时，电磁屏蔽效果显著的特点。

由表1 可知，将铁氧体-铝板双层屏蔽结构中的1 mm 铝板用0.2 mm 的铝箔代替，对耦合线圈的自感、互感及耦合系数的影响很小，因此只要0.2 mm 的铝箔对非工作区域磁场的削弱作用与1 mm 铝板的电磁屏蔽性能大体一致，就可以选用成本较低的铝箔代替铝板来构成铁氧体-铝板双层屏蔽结构。为此，采用不同厚度的铝箔铝板组成铁氧体-铝板双层屏蔽结构进行仿真分析，如图6所示，其中，LP为原边自感系数，Ls为副边自感系数，m为互感系数，k为耦合系数。

从图6 可以看出，将铁氧体-铝板双层屏蔽结构中的1 mm 铝板用0.2 mm 的铝箔代替后，非工作区域的磁场分布大体一致。因此可以得出结论，在铁氧体-铝板双层屏蔽结构中，铝板厚度的改变对耦合线圈的自感、互感及耦合系数的影响很小，对非工作区域磁场的削弱作用大体相同。选用厚度较低的铝箔来代替铁氧体-铝板双层屏蔽结构中的铝板，对于电磁屏蔽效果基本没有影响，这不仅节约了成本，还减少了耦合线圈的体积，节省了空间。

4 实验验证

由巡检机器人无线电能传输系统的实际构成搭建实验平台，如图7 所示。

图7 实验平台

选取1 mm 厚铁氧体和1 mm 厚铝板的双层屏蔽结构进行对比说明，铁氧体-铝板双层屏蔽结构的自感、互感系数和耦合系数可由LCR 测试仪测得，如表2 所示。

表2 双层屏蔽时耦合线圈参数测量值

由表2 可知，耦合线圈的自感、互感及耦合系数的仿真值与实测值大致相同，误差控制在实验允许范围之内，因此可以认为实验与仿真结果一致，说明了有限元的磁场-电路耦合仿真模型的准确性。

测量耦合线圈参数之后，对该系统施加外部电源，对接收线圈上方观察线2 上的磁感应强度进行测量，对比两种不同屏蔽结构的测量值与仿真值，如图8 所示。

图8 磁感应强度的实验测量结果

磁感应强度的测量值略小于仿真值，这是因为仿真过程中电子元件均为理想元件，实际中并不存在，再加上实验过程会受到电磁干扰，造成误差也在所难免。

5 结论

文中以巡检机器人无线充电系统为研究对象，建立了基于有限元的磁场-电路耦合仿真模型，对无线充电系统的屏蔽结构进行了研究。实验结果表明，铁氧体-铝板双层屏蔽结构在保留发射、接收线圈间的自感、互感系数及耦合系数增强工作区磁场的优点的同时，还可以保留铝板单层屏蔽结构削弱非工作区磁场时，电磁屏蔽效果显著的特点，具有较好的应用价值。