曾舒帆 李亚娟 陈万才 张自长
摘要:本文提出了一种磁感应线圈磁场分布测试阵列及测试系统,该阵列包括:LxMxN个阵列元,阵列元通过连接杆连接,每一个阵列元包括:无线收发器及同心设置的固定环、旋转环和PCB线圈板,该阵列用于测量特定区域的磁场分布情况以及各个位置的磁场强度。
[关键词]电磁感应测试阵列磁场测试系统磁感应分布
电动汽车现在已经大面积普及以及推广,无线充电桩由于其充电的便捷性也具有很好的推广前景,但是在对无线充电桩进行测量分析其耗电量以及充电效率时如果可以准确的了解其周围磁场的分布情况,就可以准确的分析出充电效率较高的区域。在直流大电测量时需要考虑周围磁场影响,如果能够准确的分析出传感器周边的磁场分布情况,就可以避免由于磁场干扰引起的误差。
1本文的背景
目前,由于磁感应式电磁充电技术相对简单、生产使用成本低并且传输效率高,被普遍应用于电动汽车、手机等常用设备的无线充电技术中,是现在应用最广泛的无线充电技术。电磁感应的原理是在初级线圈施加一定频率的交流电,通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端,其根本原理是利用电磁感应原理。
对于载流线圈空间磁场的分布,通常是用公式计算出不同位置的磁场强度及方向,或者使用磁场强度测试仪测试人为的测试不同位置的磁场强度(仅只用于验证公式计算的正确性),無法直观的地测试并展示载流线圈周围空间电磁场的分布情况。而且电动汽车充电线圈由于需要提供较大的充电能量,所以其线圈体积尺寸较大,在空间中产生的磁力线范围也相对较大,按照上述方法往往不能准确测量出不同位置的磁场强度及方向,因此无法直接分析出在不同位置充电的传输效率。
对于载流线圈空间磁场的分布,常规通常是用公式计算出不同位置的磁场强度及方向或者使用磁场强度测试仪测试认为的测试不同位置的磁场强度并且仅只用于验证公式计算的正确性,而专利中设计的测试阵列运用了计算机控制技术,可以直观的测试出载流线圈周围空间电磁场的分布情况。由于PCB线圈在空间中仅在垂直于磁力线方向可以产生最大的感应电势,所以可以通过旋转PCB线圈找到空间中各点感应电势最强的方向,从而反映出磁力线方向。
2测试阵列结构
本文提出一种磁感应线圈磁场分布测试阵列及测试系统,解决了现有技术中无法准确且直观地展示载流线圈周围空间电磁场的分布情况的问题。
磁感应线圈磁场分布测试阵列,包括:LxMxN个阵列元,阵列元之间通过可伸缩连接杆连接形成LxMxN的阵列。每一个阵列元由无线收发器、同心设置的固定环、旋转环和PCB耦合线圈板构成,其结构如图1所示,上述旋转环直径小于固定环的直径,且可旋转地安装在固定环内,固定环和旋转环之间的间隙中还设有控制所述旋转环旋转的步进电机。PCB线圈板直径小于所述旋转环的直径,且可旋转地安装在旋转环内,PCB线圈板和旋转环之间的间隙中还设有控制PCB线圈板旋转的第二步进电机。
PCB线圈板上还设有用于测量线圈上感应电势的测量电路,无线收发器分别连接测量电路、第一步进电机和第二步进电机,连接杆可拆卸地连接两个阵列元的固定环,L≥2,M≥2,N≥2,对于阵列的每一维方向,上的所有连接杆,这些连接杆和与其连接的阵列元的旋转环的旋转轴线位置关系均保持一致。最小阵列单元如图1右图所示,由四个阵列元按照上述方式连接,连接杆可伸缩,长度可调,这样就可以适应测量不同场地大小情况下的测试需求。
3测量原理
每个阵列单元由测试线圈、放大电路、数据采集电路、数据发射电路构成,如图2所示。
测量线圈感应磁场强度产生电信号,经过放大后进入数据采集电路生成数字信号并通过无线传输单元发射到系统的终端。系统终端通过数据处理单元向步进电机发出控制命令,调整测量线圈在该位置的角度记录测量线圈在该角度的测量值,经过算法计算出测量值最大的角度值,记录该角度以及对应的测量信号值,综合所有阵列元返回的角度以及磁场强度信息以及阵列元的位置信息,就可以模拟出测试阵列所在的磁场中的磁力线分布,在上位机系统中就可以绘制并且分析出该区域的磁场分布情况。
4结语
本文提出的磁场阵列测试系统可以直观的反映出空间磁力线的分布情况,而不是用抽象的运算计算出磁力线分布,有利于最佳效率充电方案的研究。测试全过程均由上位机自动控制,无需人为旋转,测试的准确度相对人为使用线圈寻找磁力线方向高。