自動導(dǎo)引車感應(yīng)充電系統(tǒng)目標(biāo)三維空間漏磁屏蔽

潘帥帥 麥瑞坤,2 徐葉飛 謝兆杰 王竹林

自動導(dǎo)引車感應(yīng)充電系統(tǒng)目標(biāo)三維空間漏磁屏蔽

潘帥帥1麥瑞坤1,2徐葉飛1謝兆杰1王竹林1

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756 2. 國家軌道交通電氣化與自動化工程技術(shù)研究中心 成都 611756）

自動導(dǎo)引車（AGV）感應(yīng)充電系統(tǒng)的漏磁危害生物體健康，干擾電磁敏感設(shè)備正常工作。為解決漏磁問題，提出一種降低目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度最大值的無源屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法。該方法將目標(biāo)三維空間均勻劃分為若干目標(biāo)點，遍歷屏蔽線圈等效電抗，使得目標(biāo)點的磁感應(yīng)強度最大值最低，即可得到屏蔽線圈最優(yōu)等效電抗。首先，推導(dǎo)得到含屏蔽線圈等效電抗的各線圈電流表達(dá)式，并分析各線圈電流對系統(tǒng)中任意一點磁感應(yīng)強度的影響，進(jìn)而得到屏蔽線圈等效電抗與該點磁屏蔽效果的關(guān)系；然后，將磁屏蔽目標(biāo)由單一的點擴(kuò)展到目標(biāo)三維空間，采用所提優(yōu)化方法確定屏蔽線圈最優(yōu)等效電抗；最后，實驗結(jié)果表明，當(dāng)屏蔽線圈取最優(yōu)等效電抗時，目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，此時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度最大值較無屏蔽線圈下降53.40%，平均值下降58.15%，系統(tǒng)效率僅降低0.31%。

感應(yīng)充電系統(tǒng) 無源屏蔽線圈 磁屏蔽效果 目標(biāo)三維空間 最優(yōu)等效電抗

0 引言

感應(yīng)電能傳輸（Inductive Power Transfer, IPT）系統(tǒng)具有安全、便捷、美觀等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品[1]、植入式醫(yī)療器件[2]、電動汽車[3-5]及軌道交通[6]等領(lǐng)域。

自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle, AGV）因靈活性強、自動化程度高等優(yōu)點在物流倉庫、港口碼頭等場合具有廣闊的應(yīng)用。傳統(tǒng)插拔式AGV充電系統(tǒng)存在接觸火花、插拔繁瑣等問題，采用IPT技術(shù)的AGV感應(yīng)充電系統(tǒng)可避免這些問題[7-8]。但AGV感應(yīng)充電系統(tǒng)屬于磁場松耦合系統(tǒng)，不可避免地會在空間中產(chǎn)生漏磁。漏磁威脅生物體健康[9-10]，干擾電磁敏感設(shè)備正常工作[11-12]。國際非電離輻射防護(hù)委員會在《ICNIRP Guidelines 2010》導(dǎo)則中指出，一般公眾若暴露于工作頻率介于3kHz～10MHz的系統(tǒng)中，系統(tǒng)磁感應(yīng)強度應(yīng)低于27μT。為促進(jìn)IPT技術(shù)在AGV充電系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決系統(tǒng)存在的漏磁問題刻不容緩。

常見的漏磁屏蔽方法大致分為兩類：削弱輻射源漏磁[13-18]與阻斷漏磁輻射路徑[19-23]。削弱輻射源漏磁包括改變耦合線圈結(jié)構(gòu)，如采用BP線圈、DD線圈[13-14]；改變耦合機構(gòu)形狀，如采用I型、S型磁心[15-16]；分段供電[17]；改變線圈電流相位[18]。阻斷漏磁輻射路徑包括采用高磁導(dǎo)率材料屏蔽[19]、高電導(dǎo)率材料屏蔽[20]、線圈屏蔽[21-22]等，其中采用線圈屏蔽因占用空間少、發(fā)熱量低、無需復(fù)雜控制等優(yōu)點得到廣泛研究[23-27]。

目前，學(xué)者們主要從優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)[23-24]、優(yōu)化線圈電氣參數(shù)[25-27]等方面開展線圈屏蔽研究。在優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，奧克蘭大學(xué)研究了原邊線圈——屏蔽線圈匝數(shù)比對磁屏蔽效果的影響，發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)匝數(shù)比可顯著降低充電區(qū)兩側(cè)漏磁[23]；天津理工大學(xué)進(jìn)一步研究了屏蔽線圈形狀對磁屏蔽效果的影響，得出方形線圈屏蔽效果較好的結(jié)論[24]。在優(yōu)化線圈電氣參數(shù)方面，韓國鐵路研究所將屏蔽線圈反串在原邊、副邊線圈上，以產(chǎn)生與漏磁反向的抵消磁場，但該結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)傳輸性能[25]；為降低屏蔽線圈對系統(tǒng)性能的影響，韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST）提出利用無源屏蔽線圈產(chǎn)生抵消磁場，但屏蔽線圈電流不可控制，導(dǎo)致磁屏蔽效果不佳[22]；KAIST進(jìn)一步提出加入屏蔽線圈補償電容，通過調(diào)節(jié)補償電容的大小以改變屏蔽線圈等效電抗，最終改變屏蔽線圈中電流的大小與相位，但沒有深入研究屏蔽線圈等效電抗與磁屏蔽效果的關(guān)系[26]；西南交通大學(xué)指出存在最優(yōu)的屏蔽線圈等效電抗，可最大限度地降低漏磁，并將磁屏蔽目標(biāo)由單一的點擴(kuò)展到二維目標(biāo)面[27]。上述研究的磁屏蔽目標(biāo)為空間中的點或二維平面，而三維空間磁屏蔽研究較為匱乏，因此本文將磁屏蔽目標(biāo)擴(kuò)展到三維空間。

為解決目標(biāo)三維空間漏磁問題，本文基于無源屏蔽線圈，提出了一種降低目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度最大值的屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法。首先，對含屏蔽線圈的IPT系統(tǒng)電路及磁場進(jìn)行理論分析及推導(dǎo)，進(jìn)而將漏磁屏蔽研究轉(zhuǎn)換為屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化研究；然后，采用所提出的屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法確定屏蔽線圈最優(yōu)等效電抗，從而解決目標(biāo)三維空間漏磁問題；最后，搭建800W實驗樣機，驗證該方法的有效性與可行性。

1 含屏蔽線圈的感應(yīng)充電系統(tǒng)分析

1.1 感應(yīng)充電系統(tǒng)電路分析

圖1 AGV感應(yīng)充電系統(tǒng)

系統(tǒng)原邊、副邊電路在工作角頻率處諧振，即

其中

其中

1.2 感應(yīng)充電系統(tǒng)磁場分析

圖2 點i磁場

當(dāng)Pi/PH≠Si/SH，由式（7）可得B隨H變化的曲線，如圖3所示。

圖3 Bi隨XH變化的曲線

由圖3可知，存在屏蔽線圈最優(yōu)等效電抗Hopt_i使得B最小，且曲線在Hopt_i處斜率為零，即

由式（8）可得Hopt_i的表達(dá)式為

1.3 屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化

以上磁屏蔽目標(biāo)為空間中任意一點，下文將磁屏蔽目標(biāo)擴(kuò)展到生物體及電磁敏感設(shè)備所處三維空間。目標(biāo)三維空間可由（足夠多）個點構(gòu)成，由式（7）可得其中任意三個點、、（≠≠）的磁感應(yīng)強度B-、B-、B-隨-H變化的曲線，如圖4所示。其中，三個點磁感應(yīng)強度最大值3為

由圖4可知，當(dāng)XH=XHopt_3時，BMAX3取得最小值BMAX3min。若BMAX3min低于27μT，則此時B-h、B-i、B-j均低于27μT，因此點h、i、j對應(yīng)的XHopt取XHopt_3。若BMAX3min不低于27μT，則點h、i、j不能同時滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，此時需優(yōu)化屏蔽線圈結(jié)構(gòu)或位置，文獻(xiàn)[23-24]已對此進(jìn)行深入研究，故本文不再詳細(xì)討論。

以上優(yōu)化分析同樣適用于已選取的個點，則目標(biāo)三維空間對應(yīng)的Hopt優(yōu)化流程如圖5所示。其中，BMAX為所選取的個點的磁感應(yīng)強度最大值隨H變化的曲線；DH為H遞增的步長；BMAXmin為曲線BMAX的最小值。

圖5 優(yōu)化XHopt流程

2 感應(yīng)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與磁場仿真

2.1 感應(yīng)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用電磁場有限元仿真軟件Ansys Maxwell搭建如圖6所示的AGV感應(yīng)充電系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)見表1。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

Tab.1 The simulation parameters of the system

圖6中目標(biāo)三維空間位置為生物體及電磁敏感設(shè)備可接觸區(qū)域。理想的目標(biāo)三維空間尺寸為生物體或電磁敏感設(shè)備所占空間大小，但考慮到目標(biāo)三維空間越大，優(yōu)化Hopt所需耗時、成本遞增，因此目標(biāo)三維空間的尺寸可縮小至未達(dá)磁場安全標(biāo)準(zhǔn)的空間大小。

2.2 感應(yīng)充電系統(tǒng)磁場仿真

圖7 無屏蔽時目標(biāo)三維空間磁場云圖

由上述分析可知，目標(biāo)三維空間可用個均勻分布的點構(gòu)成，越大，Hopt的優(yōu)化結(jié)果越精確，但優(yōu)化過程的耗時、成本也會遞增。綜合考慮，將目標(biāo)三維空間用135個均勻分布的點替代，這些點的分布如圖6所示，受篇幅限制圖中只標(biāo)注出個別點，其余點的命名序號按逆時針螺旋沿方向遞增。由圖5可得135，即這135個點的磁感應(yīng)強度最大值隨H變化的曲線，如圖8所示。

圖8 BMAX135隨XH變化曲線

對比圖7及圖9可知，有屏蔽線圈且H=Hopt時，目標(biāo)三維空間磁場云圖顏色變淺、磁場分布向內(nèi)收縮且目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，初步驗證了所提優(yōu)化Hopt-方法的有效性。

圖9 有屏蔽時目標(biāo)三維空間磁場云圖

3 實驗驗證

3.1 實驗樣機及實驗參數(shù)

為進(jìn)一步驗證所提優(yōu)化Hopt方法的有效性，根據(jù)圖6仿真模型搭建圖10所示的實驗樣機。實驗過程中，采用Agilent DSO-X 3034A示波器測量線圈電流，采用F.W.BELL 8010高斯計測量目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度。

圖10 實驗樣機

實驗參數(shù)見表2，其中IN為直流電壓源輸出電壓，LDC為電子負(fù)載設(shè)定值。

表2 實驗參數(shù)

Tab.2 The experimental parameters

（續(xù)）

3.2 實驗結(jié)果

根據(jù)表2所列參數(shù)進(jìn)行實驗，測得系統(tǒng)有、無屏蔽線圈時P、S、H，如圖11所示。由圖11可知，無屏蔽線圈時P、S分別為6.69A、6.32A，有屏蔽線圈時P、S、H分別為6.78A、6.36A、5.92A。由此可得加入屏蔽線圈后P、S變化率分別為1.35%、0.63%，可見屏蔽線圈對P、S影響小，驗證了由式（4）簡化為式（6）的可行性。

圖11 有、無屏蔽線圈時PS、H

Fig.11P,S, andHwith or without the reactive resonant coil

目標(biāo)三維空間中135個目標(biāo)點的磁感應(yīng)強度測量結(jié)果如圖12所示。圖12中，Hopt_half、Hopt、Hopt_double分別為-H取820.26nF、886.54nF、1058.27nF即H取0.5Hopt、Hopt、2Hopt時目標(biāo)點的磁感應(yīng)強度，noH為無屏蔽線圈時目標(biāo)點的磁感應(yīng)強度。

由圖12可知，noH的最大值為39.7μT，即無屏蔽線圈時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)；Hopt的最大值為18.5μT，即H=Hopt時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)；Hopt_half、Hopt_double的最大值分別為61.2μT、28.5μT，即H=0.5Hopt或H=2Hopt時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，僅當(dāng)H=Hopt時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，驗證了上述優(yōu)化Hopt方法的有效性。

圖12 目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度測量值

為評估H=Hopt時屏蔽線圈磁屏蔽效果，定義目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度最大值下降率SEmax與平均值下降率SEavg為

式中，Hopt_i為H=Hopt時點（1≤≤135）的磁感應(yīng)強度；noH_j為無屏蔽線圈時點（1≤≤135）的磁感應(yīng)強度。

將圖12中的數(shù)據(jù)代入式（11），計算可得

進(jìn)一步研究了屏蔽線圈對于系統(tǒng)效率的影響。在無屏蔽線圈時，系統(tǒng)輸入功率834.1W，系統(tǒng)輸出功率784.6W，系統(tǒng)效率94.07%；加入屏蔽線圈且H=Hopt時，系統(tǒng)輸入功率848.3W，系統(tǒng)輸出功率795.4W，系統(tǒng)效率為93.76%，計算得到加入屏蔽線圈后系統(tǒng)效率降低0.31%。

本文與其他采用無源屏蔽線圈的研究的對比見表3，研究文獻(xiàn)[27, 29-30]的屏蔽效果由其文中數(shù)據(jù)并結(jié)合式（11）計算得到。研究文獻(xiàn)[31]表明，磁屏蔽效果與屏蔽目標(biāo)位置有關(guān)，當(dāng)屏蔽目標(biāo)靠近屏蔽線圈，屏蔽線圈產(chǎn)生的抵消磁場超出系統(tǒng)漏磁場，導(dǎo)致磁屏蔽效果變差?？紤]到不同研究的系統(tǒng)尺寸、屏蔽目標(biāo)位置不同，為評估屏蔽目標(biāo)位置等工況的可比性，定義屏蔽目標(biāo)距系統(tǒng)的距離與系統(tǒng)尺寸之比為d，d越小表明屏蔽目標(biāo)越靠近系統(tǒng)。此外，研究文獻(xiàn)[27, 29-30]及本文的系統(tǒng)功率均處于500～800W之間，效率影響具備可比性。

表3 本文與其他采用無源屏蔽線圈的研究的對比

Tab.3 Comparison of this paper with other studies using the reactive resonant coil

由表3可知，本文將磁屏蔽目標(biāo)由單一的點或二維平面擴(kuò)展到三維空間。在屏蔽目標(biāo)最靠近系統(tǒng)（d最?。┑耐瑫r，采用提出的屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法使得本文較其他研究的屏蔽效果更佳，且對效率影響較小。

3.3 實驗延伸

AGV存在難以精準(zhǔn)地?？吭诔潆娭行牡膯栴}，橫向、縱向偏移難以避免。當(dāng)AGV偏離充電中心時，PS、SH、Si、P、S、H等參數(shù)的大小發(fā)生改變。參數(shù)變化不影響系統(tǒng)等效電路及Hopt優(yōu)化流程，僅影響Hopt的取值。為在AGV偏移時獲得最優(yōu)的磁屏蔽效果，需動態(tài)改變屏蔽線圈補償電容H。文獻(xiàn)[26]已提出一種切換電容陣列的方法用于動態(tài)改變H，故本文不再對此進(jìn)行詳細(xì)討論。

此外，本文側(cè)重點在于提出一種降低目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度最大值的屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法，因此僅選擇系統(tǒng)一側(cè)的三維空間以驗證所提方法的有效性。若需目標(biāo)三維空間覆蓋系統(tǒng)四周，如圖13a所示，可將屏蔽線圈擴(kuò)展成圖13b所示結(jié)構(gòu)。圖13a中系統(tǒng)每一側(cè)的目標(biāo)三維空間結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖6，目標(biāo)三維空間用135×4=540個均勻分布的點構(gòu)成，目標(biāo)點的劃分方法及命名序號與圖6所示一致。

圖13 適用于系統(tǒng)四周磁屏蔽的屏蔽線圈結(jié)構(gòu)

屏蔽線圈擴(kuò)展前、后均為單個線圈，屏蔽線圈擴(kuò)展后的系統(tǒng)主要參數(shù)見表4。由表4可知，屏蔽線圈擴(kuò)展前、后，PH、SH、H等參數(shù)的大小改變。參數(shù)變化不影響系統(tǒng)等效電路及Hopt優(yōu)化流程，僅影響Hopt的取值。仿真獲得Pi、Si、Hi(1≤≤450），并將表4參數(shù)代入圖5的流程中，得到Hopt=0.558Ω，由式（3）可得H=390.71nF。

表4 屏蔽線圈擴(kuò)展后的系統(tǒng)主要參數(shù)

Tab.4 Main system parameters after the reactive resonant coil expanded

實驗測得無屏蔽線圈時P、S分別為6.69A、6.32A，有屏蔽線圈時P、S、H分別為6.91A、6.45A、9.14A。將線圈電流代入仿真模型，得到圖14所示的系統(tǒng)磁場云圖。由圖14可知，當(dāng)采用擴(kuò)展后的磁屏蔽線圈時，系統(tǒng)四周磁場云圖顏色變淺、磁場分布向內(nèi)收縮且擴(kuò)展后的目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖14 有、無屏蔽時目標(biāo)三維空間磁場云圖

綜上所述，若需目標(biāo)三維空間覆蓋系統(tǒng)四周，可將屏蔽線圈擴(kuò)展成如圖13b所示結(jié)構(gòu)，本文所提屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法依然適用。

4 結(jié)論

AGV感應(yīng)充電系統(tǒng)漏磁危害生物體健康，干擾電磁敏感設(shè)備正常工作，漏磁問題亟待解決。為保證系統(tǒng)目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，本文基于無源屏蔽線圈，提出一種降低目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度最大值的屏蔽線圈等效電抗優(yōu)化方法。所提方法將目標(biāo)三維空間均勻劃分為若干目標(biāo)點（目標(biāo)點越多，優(yōu)化結(jié)果越精確，但耗時及成本也遞增），通過遍歷屏蔽線圈等效電抗使得所有的目標(biāo)點磁感應(yīng)強度最大值最低，此時屏蔽線圈等效電抗即最優(yōu)等效電抗。

為驗證所提方法的有效性，搭建800W實驗樣機，分別測得屏蔽線圈取最優(yōu)等效電抗、非最優(yōu)等效電抗時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度，并與無屏蔽線圈時目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度對比。結(jié)果表明，僅當(dāng)屏蔽線圈取最優(yōu)等效電抗時，目標(biāo)三維空間磁感應(yīng)強度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，且較無屏蔽線圈時最大值下降53.40%、平均值下降58.15%，系統(tǒng)效率僅下降0.31%。

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Three-Dimensional Target Space Magnetic Leakage Shielding for Automated Guided Vehicle Inductive Charging System

Pan Shuaishuai1Mai Ruikun1,2Xu Yefei1Xie Zhaojie1Wang Zhulin1

（1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China 2. National Rail Transit Electrification and Automation Engineering Technique Research Center Chengdu 611756 China）

Magnetic leakage of the automated guided vehicle (AGV) inductive charging system endangers the organism’s health and interferes with the regular operation of sensitive electromagnetic equipment. An optimization method of reactive resonant coil equivalent reactance is proposed to reduce the maximum magnetic induction intensity in the three-dimensional target space. The proposed method divides the target space into many target points evenly. The optimal equivalent reactance can be obtained by traversing the equivalent reactance of the reactive resonant coil to minimize the maximum magnetic induction intensity of the target point. First, the expression of system current, which contains the equivalent reactance of the reactive resonant coil is derived. The influence of system current on magnetic induction intensity at any point is analyzed. The relationship between the equivalent reactance of the reactive resonant coil and the magnetic shielding effect at that point is obtained. Then, the magnetic shielding target is extended from a single point to the target space. The optimal equivalent reactance of the reactive resonant coil is derived by the proposed optimization method. Finally, the experimental results demonstrate that the magnetic induction intensity of the target space meets the safety standards when the reactive resonant coil obtains the optimal equivalent reactance. The maximum magnetic induction intensity in the target space was reduced by 53.40%, and the average decreased by 58.15% compared with that without the reactive resonant coil. The system efficiency was reduced by only 0.31%.

Inductive charging system, reactive resonant coil, magnetic shielding effect, the three-dimensional target space, optimal equivalent reactance

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210011

TM724; TM15

無線供電及其應(yīng)用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊（2020JDT0004）和磁浮列車感應(yīng)式非接觸供電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究（NEEC-2018-B04）資助項目。

2021-01-04

2021-11-30

潘帥帥 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)。E-mail：panshuai626@163.com

王竹林 男，1979年生，工程師，碩士，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail：wang@swjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）