碳纤维软磁复合材料在无线电能传输电磁耦合机构中的应用

2022-09-05 14:32宋子晗王文斌

天津工业大学学报 2022年4期

张欣，韩瑜，宋子晗，王文斌

（天津工业大学天津市电气装备智能控制重点实验室，天津 300387）

无线电能传输技术可以避免用电设备与电网的直接连接，具有灵活、安全、可靠的优点。早在19 世纪中后期，美国工程师尼古拉·特斯拉首先提出无线电能传输技术（wireless power transfer technology）。20 世纪80 年代，新西兰奥克兰大学波依斯教授课题组在电磁感应耦合方面经过多年的研究，在理论和实践上取得了许多重大成果[1-2]。2007 年，麻省理工大学物理学助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）研究团队发明出磁耦合谐振式无线电能传输技术[3]。随着研究的不断深入，无线电能传输系统电磁耦合机构逐渐成为国内外学者研究的重点及热点问题。

韩国科学技术研究院课题组提出了一种由高磁导率铁氧体材料和硅钢片组成的屏蔽结构，论文分别探讨了2 种材料不同组合屏蔽电磁场的作用[4]。日本埼玉大学设计了一种磁芯为H 型的变压器，该变压器在电动汽车充电过程中横向偏移为±150 mm 的范围内，效率可达94%[5]。文献[6-8]分别在接收线圈和发射线圈外侧增加不同形状的铁氧体磁芯作电磁屏蔽，其无线电能传输效率均有不同程度的提高，漏磁场和漏电场均有不同程度的降低。文献[9]在线圈绕组的中心位置增加一个圆柱形铁氧体块，减小了漏磁通返回路径的长度，明显地减少气隙漏磁场，增加了转换功率；文献[10]提出一种正交双D 型耦合结构，该结构可以实现传统圆形耦合结构的互操作性，而且有更好的抗水平偏移特性。文献[11-13]分别探讨了不同的线圈结构以及传输效率，为电磁耦合机构制作提供了支持。文献[14]在系统发射端采用平板磁芯结构，提高了系统的耦合系数，减弱了漏磁场。天津工业大学杨庆新课题组通过有限元仿真和实验测量电屏蔽对磁耦合机构周围空间磁场的分布，得出了铝板的屏蔽效果优于铜板的结论[15]。

上述研究都是利用铁氧体作为电磁耦合机构的导磁材料，该结构最外层需要包覆铝合金板屏蔽电场，并且铁氧体和铝板之间还要加入绝缘电木作为支撑结构。优点是电场和磁场屏蔽效果好，电能传输效率高，缺点是容易导致电磁场泄露，体积和重量较大，材质脆弱。上述因素均导致了铁氧体材料在强电磁耦合过程中工作效果变差。

目前应用于无线电能传输的软磁材料主要包括铁氧体和纳米晶合金。纳米晶合金与铁氧体相比较，具有磁导率高，磁滞损耗小等优点，但是纳米晶合金由于电阻率较低，应用于大功率无线充电涡流损耗高，电能传输效率较低[16]。文献[17-18]把石墨和其他材料混合制成导电复合材料，在特定条件下具有良好的电磁屏蔽性能。文献[19]将碳纳米纤维填充到硅橡胶中制备新的复合材料，实验发现填充碳纳米纤维具有很好的电磁屏蔽性能，文献[20]通过在石墨烯表面镀镍，从而使复合材料具有了屏蔽低频电磁场的作用。

本文提出了一种碳纤维软磁复合材料来代替传统的电磁屏蔽耦合机构。该材料是以碳纤维为基材，再加上适量的铁氧体粉和环氧树脂制成。由于碳纤维的优良特性，使得导磁材料耐振性能增强、质量和体积减小，大大简化了无线电能传输系统中的电磁耦合机构。

1 碳纤维软磁复合材料特点

由于目前铁氧体材料在无线充电过程中存在一些缺点，并且考虑到所需导磁屏蔽材料的磁导率、电阻率、热传导系数和耐振性能，拟加入碳纤维基材制备复合材料，采用碳纤维作为基材和原有屏蔽机构的对比如表1 所示。

表1 碳纤维作为基材和原有导磁机构比较Tab.1 Comparsion of carbon fiber as substrate and originl magnetic conductivity mechanism

综合考虑碳纤维的优点，提出一种新型基于碳纤维编织结构软磁复合材料的无线充电电磁耦合机构。

2 电磁屏蔽有限元分析

目前电动汽车无线电能传输系统电磁耦合机构中的线圈类型很多，包括用于无线充电的DD 型、PP型以及方形、圆角形线圈结构。由于DD 型线圈能够传输较大的功率，还能产生比较均匀的电场和磁场。因此本文采用DD 型线圈作为电磁耦合机构的谐振线圈。耦合线圈是由直径为3.96 mm 的利兹线绕制而成，线圈直径为25 cm，线宽度为6 cm。整个系统的谐振频率为85 kHz。

本文提出了一种新型碳纤维软磁复合材料，分别仿真和对比了将碳纤维软磁复合材料作屏蔽材料和铁氧体作为屏蔽材料的电场和磁场屏蔽效果。

图1为无线电能传输系统结构图。图1 中：Us为高频交流电源；R2为系统负载电阻；Ω 和Γ、Ω1和Γ1以及Ω2和Γ2分别为空气、线圈以及碳纤维软磁复合材料所在的域及其边界条件；γ、γ1以及γ2分别为空气、线圈和碳纤维软磁复合材料的电导率，电导率都大于0。

图1 无线电能传输系统结构Fig.1 Structure of wireless power transmission system

系统在工作条件下，空气域满足的场源关系为：

线圈所在域满足的场源关系为：

碳纤维软磁复合材料所在域满足的场源关系为：

COMSOL 是一款大型的多物理场耦合仿真分析软件，其仿真的过程主要包括物理场选择、几何模型建立、材料赋予、网格划分以及研究计算等环节。

首先利用多物理场仿真软件COMSOL 依据碳纤维真实的编织结构对碳纤维软磁复合材料进行仿真建模，以下为建模过程。

（1）选择电磁波，频域物理场。

（2）几何建模。首先，建立如图2 所示的线圈。

图2 线圈结构模型Fig.2 Coil structure model

随后，建立一个长600 mm、宽19 mm、高1 mm 的长方体1，如图3 所示。

图3 长方体1 Fig.3 Cuboid 1

在长方体1 左边，挖去一个长方体2，该长方体长21.5 mm、宽21.5 mm、高0.65 mm，如图4 所示。

图4 长方体2 Fig.4 Cuboid 2

在长方体2 右侧挖去一个同样的长方体，进行阵列和旋转操作形成如图5 所示的结构。

图5 1 排碳纤维结构Fig.5 Structure of carbon fiber with one row

然后再经过移动和旋转操作后变为2 排结构正确的碳纤维，如图6 所示。

图6 2 排碳纤维结构Fig.6 Structure of carbon fiber with two row

经过阵列操作，碳纤维编织结构建模完成，如图7所示。

图7 碳纤维结构Fig.7 Structure of carbon fiber

然后，建立一个长620 mm、宽620 mm、高2 mm的长方体作为铁氧体屏蔽层，将铁氧体屏蔽层和碳纤维编织结构分割，对线圈添加电压为100 V 的正弦电压作为激励，发射线圈和接收线圈的匹配电容设为42.25 pF，负载电阻设为50 Ω，最后，建立1 个长800 mm、宽800 mm、高800 mm 的正方体作为空气域。

（3）材料赋予。分别对几何模型的各个部分赋予材料，材料特性参数如表2 所示。

表2 材料特性参数Tab.2 Characteristic parameters of material

（4）画网格。仿真利用的是软件物理场控制网络自动生成网格。

（5）最后进行求解计算。图8 所示分别为碳纤维编织结构模型和磁流密度线仿真图。

由图8 可以看出，磁通密度流线主要约束在电磁耦合机构板间，板外的很少。这说明当用软磁复合材料作电磁屏蔽时，磁场主要集中在无线电能传输区域之内的区域，磁场泄漏很小，可以达到无线电能传输的电磁场屏蔽效果。

图8 仿真模型和磁流密度线Fig.8 Simulation model and magnetic flux density line

选取耦合机构平面几何中心作为测量点，测量从原边结构到副边结构的磁通密度变化如图9 所示。从图9 中可以看出，从原边结构到副边结构，磁通密度不断衰减，直至接近0。

图9 板间磁通密度分布Fig.9 Magnetic flux density distribution inside the plate

表3为不同导磁结构仿真模型屏蔽层外侧最大的磁场和电场数值。由表3 可以看出，不同的导磁结构，在相同厚度的情况下，在两层碳纤维编织结构外侧加入铁氧体，导磁机构屏蔽层外侧电磁屏蔽效果明显提高，其磁场和电场相对于只有铁氧体的耦合机构有很大的衰减。

表3 不同导磁结构仿真模型屏蔽层外侧最大的磁场和电场数值Tab.3 The maximum magnetic field and electric field values outside the shielding layer of the simulation models of different magnetic permeability structures

3 碳纤维软磁复合材料制作过程

有限元仿真完成后，实际制作了碳纤维软磁复合材料，以下为碳纤维软磁复合材料的制作过程。

（1）准备好实验用的PC95 铁氧体粉、环氧树脂、固化剂，20 cm×20 cm 纤维T300。

（2）在容器中加入125 g 环氧树脂放在搅拌器上。逐渐加入PC95 粉到250 g，室温下搅拌均匀。

（3）加入80 g 固化剂搅拌2 min。

（4）在干净的平面刷一层混合物，铺一层纤维。再刷一层混合物，重复此步骤直至铺完6 层，共需要碳纤维68 g，转移到两侧粘贴离型纸的铁板上，模具其他位置涂抹脱模剂，将铁板放入模具，并压好。

（5）将模具转移到提前升温到80 ℃左右的加压设备中，压力设定为1 kPa，压5 h 左右，等模具自然降温，取出成品。

最后，碳纤维软磁复合材料制作完成。

4 实验验证

本文设计了测量系统功率传输效率的实验。在实验室搭建了测量传输功率的实验平台，该实验平台由高频电源、电磁耦合机构、电阻负载以及负载功率显示装置组成，电磁耦合机构参数如表4 所示。

表4 电磁耦合机构参数Tab.4 Parameters of electromagnetic coupling mechanism

实验平台如图10 所示，该实验测量了无线电能传输系统高频电源部分功率的大小以及负载功率的大小，并且计算了系统功率的传输效率。

图10 无线电能传输功率测量平台Fig.10 Measurement platform of wireless power transmission

基于前面的仿真结果，实际设计并且制作出了以碳纤维为基材的导磁材料板，用于替代原有导磁机构，如图11 所示。原有导磁机构包括，电木、铝板和块状铁氧体（如图11（a）所示）。使用碳纤维导磁材料后，使得电磁屏蔽耦合机构大大简化了，制作出来的导磁材料板（如图11（b）所示）质量轻，抗振性强，使用方便。

图11 电磁耦合机构屏蔽材料比较Fig.11 Comparison of shielding materials of electromagnetic coupling mechanism

本实验测量空芯线圈的电感值为61.42 μH，发射端线圈用PC95 铁氧体作屏蔽，测量电感值为101.73μH，接收端线圈分别用PC95 铁氧体和碳纤维软磁复合材料作电磁屏蔽，电路参数如表5 所示。

表5 电路参数Tab.5 Circuit parameters

分别测量接收端线圈采用PC95 铁氧体和碳纤维软磁复合材料作电磁屏蔽时的系统功率传输效率，并比较两者的效率。

接收端用PC95 铁氧体作电磁屏蔽时的系统传输效率如表6 所示。

表6 铁氧体屏蔽功率传输效率Tab.6 Power transmission efficiency of ferrite shielding

接收端用碳纤维软磁复合材料作电磁屏蔽时的系统传输效率如表7 所示。

由表6 和表7 可以看出，碳纤维软磁复合材料作屏蔽时功率传输效率暂时达不到铁氧体作屏蔽时的效率。因为单纯的铁氧体用天平测量质量为1 166.4 g，制作的碳纤维软磁复合材料质量为523 g，虽然质量减小了近50%，但是其中的有效成分铁氧体粉只有250 g，占比为47.80%，所以，电能的传输效率下降。因此掌握好碳纤维软磁复合材料的配比是本实验的关键。

表7 碳纤维软磁复合材料作屏蔽功率传输效率Tab.7 Power transmission efficiency of carbon fiber soft magnetic composite material as shielding

虽然传输效率下降，但是，材料的耐振性能和导热性能得到提升，随着进一步研究，碳纤维软磁复合材料在传输效率方面还有待进步，同时，综合性能有很大提升空间。

5 结论

（1）利用多物理场仿真软件COMSOL 分别仿真了PC95 铁氧体和碳纤维软磁复合材料作电磁屏蔽时的电场和磁场的屏蔽效果，用铁氧体作电磁屏蔽时屏蔽层外侧的最大电磁场仿真数值分别为0.29 V/m 和1.23×10-3mT；两层碳纤维编织结构外侧加入铁氧体时，电场和磁场屏蔽最大数值分别为0.22 V/m 和0.79×10-3mT，所以其电场和磁场屏蔽效果比铁氧体更加优异。