[发明专利]一种基于复合材料设计的无线电能传输系统磁屏蔽机构

说明书

此发明是应用于感应耦合式无线电能传输系统的一款具有磁屏蔽功能的复合材料。感应耦合式无线传能具有很高的应用价值，但是系统在工作过程中，会有磁场泄露，系统的传输效率也会变低，而常用的铁氧体材料存在性脆易裂、饱和限值低的缺陷。为了保证系统工作在低磁漏高传输效率的状态，以及克服铁氧体材料的缺陷，所以发明了具有磁屏蔽功能的复合材料。此发明包括石英纤维、纳米晶、环氧树脂，具有增强屏蔽结构的抗弯特性、介电性能突出、改善涡流损耗、增强线圈间耦合系数的特性。此屏蔽机构能够显著提高无线电能传输系统的传输效率，减小泄露磁场，具有很强的实用价值。

技术领域

无线电能传输技术可以实现电气隔离，摆脱有形介质将电能从电源端传递至用电设备的一种电能传输方式。由于其传输电能方便灵活，具有十分诱人的广阔前景。但是在电能传输过程中，由于系统不可避免地出现磁场泄露，导致传输效率降低，并且对非工作区域的电磁环境安全造成威胁。

针对铁氧体屏蔽材料的缺陷，发明一种基于石英纤维/纳米晶增强树脂基复合材料的新型磁屏蔽机构。石英纤维优良的力学性能增强了屏蔽结构的抗弯特性，可以保证系统在恶劣环境下稳定工作；突出的介电性能可以使更多的磁力线穿过纳米晶，缓解了边缘效应所带来的影响。而纳米晶本身则采用交错层叠式拼接工艺，改善涡流损耗的同时也增强了线圈间耦合系数。环氧树脂作为绝缘材料，经过高温加压后覆盖在屏蔽结构表面以提高纳米晶的电阻率。此屏蔽机构能够显著提高无线电能传输系统的传输效率，减小泄露磁场，具有很高的应用价值。

背景技术

1891年科学家尼古拉.特斯拉利用射频共振方式完成了无线电能传输。多年后，人们发现了微波式WPT技术，即通过卫星将采集到的太阳能转化为电能，再通过无线的方式将电能传输到地面。1975年，W.C.Brown和Richard Dickinson在一英里的距离内实现了输入功率450kW，输出功率30kW，频率为2.388GHz微波式无线电能传输。1987年，加拿大通信研究中心(CRC)的一个小组在海拔150多米的地方，通过10kW微波束将电能通过无线传输的方式输送到一架模型飞机上。

二十世纪70年代以来，小功率无线电能传输成为了生物医学界关注的焦点，使无线电能传输技术有了实际的应用，植入式医疗器械无线充电可以避免患者在手术中所造成的伤害。早在1971年就出现了感应耦合电能传输，该方案可将1kW的电能输送至狗胸部的皮下组织接收器。麻省理工学院在电子设备无线充电技术方面做出了巨大的贡献，他们提出了一系列针对手持设备无线电能传输的解决方案，并宣布与汽车行业展开合作，为全球不断普及的电动汽车提供无线充电。2007年，MIT研究团队建立了耦合模理论，并实现了2米距离下的磁耦合WPT技术，为后续研究提供了有效的参考价值。如今，WPT技术已应用于生活中的方方面面，如植入式医疗器械无线充电、电动汽车和移动机器人无线供电、水下工作设备无线充电等。

WPT技术近些年发展迅速，在手机、医疗器械、电动汽车和移动机器人等领域具有十分诱人的广阔前景。随着WPT技术研究的深入，越来越多的设计者和使用者都开始关注系统的整体性能和电磁安全问题。当系统在相近距离内工作时，由于耦合机构存在空气间隙，系统不可避免的会出现磁场泄露问题。这些问题一方面会影响系统的传输效率；另一方面也会对工作设备和周围的电磁环境安全造成威胁。为了解决上述问题，最为有效的方法之一就是对耦合机构进行电磁屏蔽设计。合适的电磁屏蔽结构不仅可以提高系统的安全性和能量传输效率，还可以将漏磁场限制在合理的范围内，降低电磁污染所带来的影响。因此，电磁屏蔽技术的研究对于无线电能传输的发展具有十分重要的意义。伦敦大学学院的研究团队使用有限元软件分别对已加装电磁屏蔽结构的圆形和方形线圈进行建模分析，发现在设计中选用铜或铝对系统的铁芯损耗和涡流损耗几乎没有影响，但是系统的耦合参数则与屏蔽体所选材料有关；美国阿克伦大学针对传统的铝板屏蔽结构进行了优化，设计了一种由铁氧体、铝板、铝环所组成的复合式屏蔽结构；英国剑桥大学的研究团队针对铁氧体性脆易碎且温度变化不稳定的问题，采用性能更好的纳米晶合金进行代替，并且提出了一种不同于铁氧体磁芯的设计方法；韩国高等科学技术学院针对电动汽车无线充电过程中存在的漏磁问题，对被动式屏蔽进行了研究，提出一种无功屏蔽结构，可以有效降低系统在工作过程中产生的漏磁。

发明内容