基于复合屏蔽层构成的无线电能传输磁耦合器设计理论

Magnetic coupler is a key component in the electromagnetic inductive power transfer (IPT) system, but at present, magnetic couplers based on ferrite shields or ferrite and aluminum double shields have low efficiency, high cost, and non-ideal shielding effectiveness. Besides, imperfections and the existence of fringe effects and other shortcomings also exisit .To this end, a novel magnetic coupler based on ferrite, nanocrystalline strip, aluminum foil, ferromagnetic powder and aluminum powder was proposed. This project uses the coupled mode theory to establish the full state model of the electromagnetic coupler, and the output power, efficiency and the analytical expression of the frequency bifurcation boundary are obtained. Using Analytic Hierarchy Process (AHP) and fuzzy comprehensive evaluation methods for feature evaluation. A 3D finite element simulation model of a magnetic coupler was established, and a three-dimensional magnetic field distribution, a temperature field distribution, and a noise distribution cloud diagram of the magnetic coupler were obtained through simulation. A multi-objective, multi-constrained and magnetic-coupler structural parameter Non- linear programming (NLP) model was established. Based on the Pareto optimum and the cross entropy algorithm, an optimization design method for structural parameters were formed and corresponding software was written. Then run and test on the IPT charging test platform. Finally, a set of design theory system for magnetic coupler of IPT system is established, which lays a theoretical foundation for the use of magnetic couplers for electric vehicle wireless charging systems.

磁耦合器是电磁感应电能传输（IPT）系统中的关键部件，但目前基于铁氧体屏蔽层或铁氧体和铝板双屏蔽层构成的磁耦合器存在着效率较低、成本高、屏蔽效果不理想及存在边缘效应等缺点。为此提出了一种基于铁氧体、纳米晶带材、铝箔、铁磁性粉末及铝粉末组成的新型磁耦合器。本项目采用耦合模理论建立电磁耦合器的全状态模型，得到输出功率、效率以及频率分叉边界的解析表达式；采用层次分析法和模糊综合评判方法进行特征评价；建立磁耦合器的3D 有限元仿真模型，通过仿真得到磁耦合器的三维磁场分布、温度场分布及噪声分布云图；建立多目标、多约束的磁耦合器结构参数非线性规划（NLP）模型，基于 Pareto 最优思想及交叉熵理论，形成一种结构参数的优化设计方法，并编写对应软件；在IPT充电实验平台上运行并测试。最后建立一套IPT系统磁耦合器的设计理论体系，为电动汽车无线充电系统采用所提磁耦合器奠定理论基础。

无线电能传输（WPT）技术是国际科技领域伴随工业互联网、物联网、人工智能、5G等信息技术发展应运而生的前沿科技，是中国制造2025高端绿色制造的重大需求技术，已被国家纳入“能源技术革命创新行动计划(2016一2030年)”，并被国家科协列入十项引领未来的技术。.WPT技术未来可广泛用于家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航空航天等领域。磁耦合器是无线电能传输系统中的关键部件，目前国内外普遍使用双屏蔽层磁耦合器，这样导致了磁耦合器的成本高，稀土材料（铁氧体）消耗较多，铝材消耗较多，这不仅使磁耦合器体积大、铁氧体易碎，而且难以固定，严重制约了该类产品的推广应用。.为此，项目对“基于复合屏蔽层（由铁氧体、纳米晶带材和铝箔组成）构成的无线电能传输磁耦合器”结构进行了系统研究，搭建了8套各类应用及各种线圈结构的实验平台用以验证提出的方案，所提方案与采用磁板+铝板构成的双层磁耦合器的对应指标相比，在相同传输效率的情况下，体积仅为传统磁耦合器的75%，铁氧体用量减少60%，铝材用量减少95%。所提方案大幅降低了磁耦合器的成本和体积，经国内外科技查新和科技成果评价，该成果填补了国内外空白，所提出的复合屏蔽层结构技术已处于国际领先水平。.在基金项目的资助下，课题组取得了丰硕成果。其中申报国家发明专利15项；发表从SCI一区（8篇）到中文核心期刊论文共计28篇、国际会议论文8篇（6篇EI收录）、国内会议论文27篇；毕业博士研究生1人、硕士研究生18人；获得中国电源学会发明二等奖1项，中国研究生电子设计大赛全国二等奖2项、华北地区一等奖3项、华北地区二等奖2项；获得山东省研究生优秀成果二等奖2项；获得山东省优秀硕士论文2篇。.目前取得成果已与美的电热电器公司、广州地铁设计院、青岛鲁渝能源科技公司等开展合作，有力推动了无线电能传输产业的发展。