无线电能充电系统中纳米晶复合屏蔽结构的屏蔽性能

张 献，王禹潮，杨庆新，沙 琳，刘立东

（1.天津工业大学 天津市电工电能新技术重点实验室，天津 300387；2.横店集团东磁股份有限公司，浙江 东阳 322118）

随着无线充电技术的推广，电磁场安全问题也受到越来越多人的关注[1-3]。在电动汽车无线充电系统中，为了降低磁场对充电设备的干扰，需要对电动汽车进行屏蔽设计[4-5]。电磁屏蔽一般采用高磁导率材料结合良导体的涡流效应削弱磁场[6-7]，减少电动汽车无线充电系统的电磁泄露[8-10]。目前，在国内外制定的电磁标准中，具有代表性的是国际非电离辐射防护委员会的ICNIRP—2010标准和中国《电磁环境控制限值》GB8702—2014标准[11-13]。

2013年，韩国科学技术研究院的Kim等[14]研究了屏蔽对耦合机构周围磁场大小的影响，结果发现加入屏蔽后，耦合机构周围的磁感应强度减小了5μT。2019年，日本东京国家信息与通信研究中心Shimoyama等[15]搭建了具有2种不同屏蔽结构的无线充电系统，然后通过磁场探测器测量出电磁场的泄露程度对比。2018年，日本东京国家信息与通信研究中心的团队搭建了不同的2种屏蔽结构的无线电能传输系统，然后通过磁场探测器测量出电磁场的泄露程度对比[16]。上述文献虽然分析了屏蔽对无线充电系统耦合机构的影响，但大多只是进行了常规屏蔽分析，并没有考虑到实际工作情况下屏蔽背部空间的漏磁问题。

本文针对电动汽车无线充电系统屏蔽背部空间的漏磁问题，提出一种新型纳米晶复合屏蔽结构；建立多层复合屏蔽数学模型，仿真计算分析不同屏蔽结构背部空间磁通密度；搭建无线充电空间磁测量平台，测量并且得到了铁氧体+铝板、单层纳米晶复合屏蔽、边缘加厚纳米晶复合屏蔽几种情况下屏蔽背部空间磁通密度的分布图，证明了边缘加厚纳米晶复合屏蔽结构对于屏蔽背后空间漏磁场具有较好的抑制效果。

1 复合式屏蔽效能计算

工程上常用屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）来评估电磁屏蔽性能的好坏[17-19]，即屏蔽体对电磁场的衰减程度和其屏蔽性能。用某点没有施加屏蔽时的磁感应强度Bwithout与施加屏蔽后该点磁感应强度Bwith的比值来定义表示：

式中：Es为屏蔽效能。

1.1 复合式屏蔽效能数学模型建立

受到制造工艺约束，铁氧体屏蔽由方形小块拼接而成，这样导致了铁氧体屏蔽间不可避免的存在缝隙。这种屏蔽结构会导致漏磁较大，尤其是屏蔽背部空间边缘漏磁过高的问题。为了解决这个问题，本文将实际工作情况和多层屏蔽的无线充电系统屏蔽进行结合，如图1所示。

图1中，圆环在的面与金属板所在面平行，以圆心为坐标原点建立圆柱坐标系，z轴指向板。其中，圆环线圈的半径为a，到多层金属板最右侧距离为c，通有频率为f的电流I。第1层板为带有间隙的屏蔽板，第2层到n层为多层屏蔽板，μ、σ、ε分别表示它们的磁导率、电导率和介电常数。

图1 圆环线圈及其复合屏蔽示意图Fig.1 Schematic diagram of toroidal coil and itscomposite shielding

圆环线圈产生磁感应强度为：

设图1区域2中经过n层屏蔽的最后一层屏蔽上的磁感应强度为BN，经过缝隙后n-1层屏蔽的最后一层屏蔽上的磁感应强度为BM，根据公式（2）：

在屏蔽外区域3磁感应强度BN+1为：

式中：Di为入射波参数量；Ci为反射波的参数量（i=0，1，2，…，n）。它们与每一层屏蔽的磁导率、电导率等都有关系，由文献[20]可推得DM、DN关系式的矩阵关系表达式AN、AM。

因为在屏蔽外z分量起主要作用，根据公式（2）选取公式（2）、（4）中B的z分量。观测点的磁场强度中无屏蔽时C0=0，可得表达式（13）、（14）。

带入屏蔽效能计算公式可得

1.2 复合式磁屏蔽效能公式仿真验证

为了合理设计复合屏蔽结构，根据上文提出的公式进行简化的仿真计算，本文通过仿真对2层至5层电磁屏蔽结构进行屏蔽效能计算。屏蔽效能计算结果如图2所示。

图2 多层屏蔽的屏蔽效能对比Fig.2 Comparison of SEof multilayer shielding

由图2可见，在15~100 kHz的情况下，电磁屏蔽的屏蔽效能随着频率增加而增加，而3层的屏蔽效能比2层屏蔽在100 kHz情况下高10 dB左右，屏蔽效果提升较为明显。

本文还仿真了改变屏蔽厚度计算观测点磁通密度变化曲线，结果如图3所示。

图3 不同厚度的蔽体对于屏蔽后磁通密度对比Fig.3 Comparison of shielding with different thickness on magnetic flux density after shielding

由图3可见，在频率相同时，随着屏蔽厚度的增加观测点磁通密度减小的趋势。经过分析认为，屏蔽厚度对于观测点的磁通密度有一定的影响，但是考虑到实际应用中体积、重量、涡流损耗等因素，屏蔽厚度应符合实际需求。

2 复合屏蔽结构的设计

本文对电动汽车无线充电常用的铁氧体+铝板屏蔽结构进行建模仿真，如图4所示。

图4 常用铁氧体+铝屏蔽建模示意图Fig.4 Schematic diagram of commonly used ferrite+aluminum shielding modeling

本文传能机构有2个带屏蔽的单D型耦合机构线圈。耦合线圈由直径为4 mm利兹线绕制而成，其中发射、接收端线圈外径为260 mm，内径为130 mm。整个系统的谐振频率为85 kHz，原边电流为2 A。其他仿真参数如表1所示。

表1 仿真模型结构参数Tab.1 Structure parameters of simulation model

磁屏蔽材料选择的型号是JF95方形平板铁氧体，电屏蔽材料铝贴在铁氧体后部。磁屏蔽采用50 mm×50 mm×2 mm的铁氧体间隔1 mm模拟实际工况铺设，电屏蔽采用300 mm×300 mm×1 mm的铝板。

对铝板表面和耦合机构间的磁通密度进行仿真，如图5所示。

图5 仿真模型中铝板屏蔽和耦合机构磁通密度分布Fig.5 Magnetic flux density distribution diagram of aluminum plate shielding and coupling mechanism in simulation model

由图5（a）可见，由于铁氧体屏蔽之间存在着缝隙，这些缝隙会成为磁力线的泄漏通道，铝屏蔽表面上磁通密度分布不均匀，在实际应用中会导致额外的涡流损耗。由图5（b）可见，因为磁力线在屏蔽边缘处收束，导致屏蔽边缘漏磁较高，无法达到理想的电磁安全标准。因此，在设计复合屏蔽时考虑加入屏蔽中间层降低漏磁提高屏蔽效果。

本文以典型电动汽车无线充电系统为研究对象，根据上文公式与仿真结果提出了铁氧体加边缘加厚纳米晶加铝板的复合式屏蔽结构：在传统的铁氧体磁屏蔽与铝板电屏蔽间加入条状纳米晶屏蔽层，在屏蔽边缘增加一层纳米晶的厚度用来降低边缘磁泄露，如图6所示。

图6 纳米晶材料-铁氧体复合屏蔽结构示意图Fig.6 Schematic diagram of nanocrystalline material-ferrite compositeshielding structure

该结构中每一层纳米晶屏蔽材料都由4片20μm的纳米晶薄片和胶粘剂组成叠层结构。纳米晶材料主要有3个功能：①为磁通量提供低阻抗通路，降低铁氧体磁屏蔽因为缝隙而产生的漏磁；②多层屏蔽结构可对磁场进行多次分流衰减而具有较高的屏蔽效果；③纳米晶材料相对于铁氧体更轻更薄，用于弥补铁氧体间隙间漏磁可以减少复合屏蔽的厚度与重量并且具有较好的屏蔽效果。

这种纳米晶复合式屏蔽结构的好处是在保留铁氧体屏蔽优点的情况下，采用高磁导率的超薄叠层纳米晶材料作为中间层，漏磁场经过多层磁屏蔽被分流衰减多次，结合铝板电屏蔽的涡流效应也降低了屏蔽背后空间的磁场泄漏。

3 复合屏蔽模型与仿真

根据上文设计的复合屏蔽材料结构，在铁氧体与铝屏蔽间屏蔽铺设磁导率为8 000 H/m、长300 mm宽60 mm的纳米晶叠层材料，铺设厚度为0.5 mm加边缘额外0.5 mm厚的2层中间层屏蔽结构。

纳米晶屏蔽材料为超薄叠层结构，所以使用多层材料建模方法对纳米晶材料进行建模，将线圈简化为同心圆形并视为等效模型，这样的屏蔽模型在电路中既可以保留纳米晶材料特性，在电磁场计算中又能够高效地剖分和计算，且计算时所占电脑内存相对较少，加快计算速度与计算精度。综上所述，选用系统的耦合机构模型如图7所示。

图7 纳米晶复合屏蔽建模示意图Fig.7 Schematic diagram of nanocrystalline compositeshielding modeling

图8为仿真计算的纳米晶复合屏蔽的铝板上磁通密度分布图。

图8 复合屏蔽结构下铝板上的磁通密度分布图Fig.8 Distribution of magnetic flux density on aluminum plate under composite shielding structure

由图8可见，在加入纳米晶屏蔽层后，铝板表面磁通密度分布更均匀，改善了磁通密度分布，高磁导率的纳米晶材料也使屏蔽边缘的磁通密度有所降低。

为了更细致地观察，取接收端屏蔽上方50 mm中心线为观察线，如图9所示。观察线的线长取0.5 m，为更好地观察实验数据曲线的变化，取1/4接收线圈屏蔽背后空间，测量屏蔽外的空间磁通密度。分别对铁氧体+铝板屏蔽、铁氧体+单层纳米晶+铝板屏蔽的对照组、铁氧体+边缘加厚纳米晶+铝板屏蔽3种情况进行了屏蔽外磁通密度和屏蔽效能进行计算，结果如图10所示。

图9 观察线在仿真中的位置Fig.9 Position of observation line in simulation

图10 带屏蔽外侧观察线磁通密度变化曲线Fig.10 Curve of magnetic flux density of outer observation line with shielding

由图10可知，在0.1m和0.4m的屏蔽结构边缘处，因为磁屏蔽的存在，磁力线在屏蔽周围收束，屏蔽背部空间的边缘磁通密度较大。在加入纳米晶复合屏蔽后，整个观察线的磁通密度有了进一步的降低。铁氧体+铝板屏蔽、单层纳米晶复合屏蔽、边缘加厚的纳米晶背后空间的磁通密度分别为6~14μT、4.2~8.4μT、3.2~6.5μT。仿真表明边缘加厚的纳米晶复合屏蔽对于屏蔽背后整体的空间磁场抑制效果较好，屏蔽背后空间的边缘磁通密度值最大，相比于铁氧体+铝板和单层纳米晶复合屏蔽分别降低了53.5%、22.61%，屏蔽背后空间中心点值最小，分别降低了46.7%、23.8%。

图11为仿真中不同纳米晶屏蔽结构下的屏蔽效能图。

由图11可以看出，边缘加厚的纳米晶复合屏蔽的屏蔽效能最好；在屏蔽背后的中心点处，边缘加厚纳米晶复合屏蔽比单层纳米晶复合屏蔽大3 dB，提高了8.3%。边缘加厚纳米晶复合屏蔽比铁氧体+铝板屏蔽大8 dB左右，提高了22.2%。

图11 不同屏蔽结构下的屏蔽效能Fig.11 Shielding effectivenessof different shielding structures

由此可知，采用边缘加厚的纳米晶复合屏蔽的屏蔽背部空间漏磁更少，尤其是改善了铁氧体＋铝板屏蔽背部空间的边缘漏磁过高的问题，提高了屏蔽效能，为实验模型的建立提供了参考。

4 复合屏蔽的实验验证

为了准确测量出空间各点的磁通密度，本文提出了一种空间磁测量方法对屏蔽背后的空间磁场进行测量。在实验室内搭建了磁测量平台，如图12所示。测量平台采用光纤连接的高精度电磁场传感器来保证数据传输的稳定性，测量误差小、精度高。通过系统控制操作台进行扫描平面、扫描尺寸、电磁场数值等的记录与测量。

图12 空间磁测量系统与实验装置Fig.12 Spacemagnetic measurement system and experimental device

图12中，外径260 mm内径130 mm的发射、接收线圈组成系统的原边与副边机构，屏蔽放置在耦合机构的后部，负载为12Ω电阻，整个系统的谐振频率为85 kHz，接收端线圈的电流保持为3.4 A。

本文以仿真中结构为例，制作了与仿真模型参数一致带有纳米晶复合屏蔽的耦合机构，如图13所示。

图13 复合屏蔽中不同的屏蔽结构Fig.13 Different shielding structuresin composite shielding

为了充分体现屏蔽结构的x-y面磁场分布，测量了接收线圈屏蔽x-y面上50 mm的空间磁通密度。实验使用磁测量平台测量了不同屏蔽的1/4屏蔽外空间的磁通密度分布图。结果如图14—图17所示。

图14 无屏蔽外磁通密度分布Fig.14 Distribution of unshielded external flux density

由图14可见，无屏蔽的情况下线圈周围存在着大量漏磁；而图15—图17为采用屏蔽结构后磁通密度分布图，在屏蔽结构的限制下屏蔽外侧磁场得到了极大的抑制，屏蔽背后空间的工作区磁通密度相比无屏蔽情况降低了90%。

图15 铁氧体+铝板屏蔽外磁通密度分布Fig.15 Magnetic flux density distribution of ferrite+aluminum shielding

图17 边缘加厚纳米晶复合屏蔽外磁通密度分布Fig.17 Magnetic flux density distribution of edge-thickened nanocrystalline compositeshielding

图16 单层纳米晶复合屏蔽外磁通密度分布Fig.16 Magnetic flux density distribution of singlelayer nanocrystalline compositeshielding

图15—图17中铁氧体+铝板屏蔽、单层纳米晶复合屏蔽、边缘加厚的纳米晶复合屏蔽背部空间的边缘磁通密度最大值分别为14、8.2和6.2μT；屏蔽背部中心磁通密度最小值分别为6.2、4.1和3.1μT。可以看出，边缘加厚的纳米晶复合屏蔽比单层纳米晶复合屏蔽背后空间的边缘磁通密度降低了26.1%；比铁氧体+铝板屏蔽背后空间的边缘磁通密度降低了55.7%，整个边缘加厚的纳米晶复合屏蔽背后空间的最小磁通密度相比于单层纳米晶复合屏蔽背后空间的磁通密度降低了25%，比于铁氧体+铝板屏蔽背后空间的最小磁通密度降低了50%。

选择了屏蔽效果更好的边缘加厚纳米晶复合屏蔽与铁氧体+铝板屏蔽的观察线磁通密度与屏蔽效能的实验数据进行对比，如图18所示。

图18 屏蔽外观察线的磁通密度与屏蔽效能Fig.18 Magnetic flux density and SE of shielding observation line

由图18可以看出磁通密度的实验数据与仿真差别不大。结合图13无屏蔽的实验数据做出屏蔽效能曲线，边缘加厚的纳米晶复合屏蔽的屏蔽效能要好于铁氧体+铝板屏蔽，在屏蔽边缘处两者屏蔽效能相差了4 dB，约26.7%；在屏蔽背后的中心点两者的屏蔽效能相差了8.2 dB，约22.9%。根据实验结果可知，纳米晶复合屏蔽的高磁导率多层结构可以很好地束缚耦合机构间磁场，降低屏蔽背部空间的漏磁场。

5 结论

本文首先结合电动汽车无线充电实际工况提出了针对复合屏蔽的屏蔽效能计算公式。根据公式进行简化的仿真计算，设计了新型纳米晶复合屏蔽。利用无线充电专用的空间磁测量平台，实验测量了空间磁通密度分布，并绘制了屏蔽背后空间磁通密度分布图。本文设计的边缘加厚纳米晶复合屏蔽相比于单层纳米晶复合屏蔽磁通密度下降了25%~26.1%，相比于铁氧体+铝板结构磁通密度下降了50%~55.7%，屏蔽结构的屏蔽效能高22.9%~26.7%。