【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线电能传输和电磁场，具体涉及一种无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法。
技术介绍
1、武器装备呈现出网络化、智能化和无人化的发展趋势。无人车族和无人机蜂群等无人装备在战场前沿侦察、态势感知、目标突袭等任务中需具备长期巡航和灵活机动的能力。这些无人装备的特点为全电化驱动，受限于电池容量和有线电能补给方式的不足，在长时间任务中存在电能补给难以保障的难题，并破坏装备的隐蔽性、降低接插件机械寿命。
2、无线电能传输技术实现了能量从电源侧到军用无人装备储能装置的隔空传输，开创了从固定电源形式传递电能的全新模式，具有以下优势：1)实现装备的“无人自主”供电；2)实现能源的“高效可靠”保障；3)实现能源“灵活安全”传输。在无线电能传输技术中引入信息传输可实现装备“信息精准”交互，掌握系统运行状态，保证装备间通讯质量和设备的安全运行。
3、但受空间电磁分布因素的影响，目前无线电能传输系统在工作时易产生电磁场泄露，致使车体发生形变，降低装备的防护和安全性能；并对无人装备中的各类传感器设备造成干扰，威胁系统的正常运行，从而无法准确掌握目标状态。
4、双频段屏蔽环通过调控其关键物理尺寸，依据不同的阵列组合获得所期望的电磁参数，从而降低特定频段的磁场泄露程度，减少对周围设备的电磁干扰。因此，将其应用到无线电能传输系统中能够大幅度改善系统的电磁兼容性。然而，现有的屏蔽环设计方式大部分是通过等效媒质理论提取其“宏观”本构参数，需要通过电磁波理论进行分析和设计。该方式依赖于参数扫描和人工择优确定单元
5、因此，如何建立双频屏蔽环的优化模型，进而评估双频段屏蔽环的电磁特性是亟待解决的问题。通过对双频段屏蔽环的优化设计，有望实现对无线电能传输系统的空间磁场的精准调控。
技术实现思路
1、(一)技术问题
2、本专利技术要解决的技术问题是：针对现有方法无法指导双频段屏蔽环设计的问题，如何提供一种无线电能传输系统的双频段屏蔽环优化设计方法，形成一套双频段屏蔽环结构设计指导准则，实现对无线电能传输系统高频泄露磁场的主动塑形。
3、(二)技术方案
4、为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，所述方法包括如下步骤：
5、步骤1：双频段屏蔽环等效为顶层基元、底层基元和pcb基板/pmma基板的rlc谐振电路；其中，顶层基元包括顶层金属螺旋线圈和顶层串联补偿电容，底层基元包括底层金属螺旋线圈和底层串联补偿电容；
6、其中，根据顶层金属螺旋线圈和底层金属螺旋线圈的电阻rl和rh、电感ll和lh、串联补偿电容cl和ch、以及顶层金属螺旋线圈和底层金属螺旋线圈之间的耦合互感mlh，建立双频段磁场屏蔽环的数学模型；
7、步骤2：外加时谐磁场在所有双频段屏蔽环的顶层基元和底层基元中，产生感应电流和其中，某一个双频段屏蔽环同时受到外加激励磁场产生的总电动势、周围其他基元的感应磁场产生的总电动势、以及顶层基元与底层基元之间感应磁场产生的总电动势的共同作用，分别推导出顶层基元和底层基元的电压方程；
8、步骤3：依据步骤2推导的电压方程，求解顶层基元的感应电流和底层基元的感应电流进一步计算双频段屏蔽环的等效磁化强度矢量
9、步骤4：求解双频段屏蔽环的等效磁化率χm，通过数值求解，得到双频段屏蔽环的等效相对复磁导率μr；
10、步骤5：双频段屏蔽环等效相对复磁导率取值与其频率有关，其中，双频段屏蔽环的第一频率ω1由顶层金属螺旋线圈和顶层串联补偿电容调节，双频段屏蔽环的第二频率ω2需考虑顶层和底层金属螺旋线圈的耦合互感mlh，并由底层金属螺旋线圈和底层串联补偿电容调节。
11、其中，所述步骤2中，外加时谐磁场的磁感应强度其中μ0为真空磁导率，为外加时谐磁场的磁场强度。
12、其中，所述步骤2中，推导得到的顶层基元和底层基元的电压方程如下：
13、
14、其中，j为虚数单位，ω为系统角频率，m和n分别为顶层金属螺旋和底层金属螺旋线圈的总圈数，sk为金属螺旋第k圈围成的面积，为穿过第k圈的外加磁场激励的磁感应强度，为顶层基元与周围pl-1个顶层基元感应电流产生的穿过顶层金属螺旋第k圈的磁感应强度矢量和，为ph个底层基元和顶层基元金属螺旋第k圈的磁感应强度矢量和，为底层基元与周围ph-1个底层基元感应电流产生的穿过顶层金属螺旋第k圈的磁感应强度矢量和，为pl个基元顶层和底层金属螺旋第k圈的磁感应强度矢量和。
15、其中，所述步骤2中，磁感应强度矢量和分别对应于顶层基元/底层基元和周围其他顶层基元/底层基元的互感、以及顶层和底层基元之间的互感，由此，电压方程换算为：
16、
17、
18、其中，lefflc为所有顶层金属螺旋线圈的等效电感，leffhc为所有底层金属螺旋线圈的等效电感，lefflo为所有顶层金属螺旋线圈与底层金属螺旋线圈的等效电感，leffho为所有底层金属螺旋线圈与顶层金属螺旋线圈的等效电感。
19、其中，所述步骤3中，通过对电压方程求解得到顶层基元的感应电流和底层基元的感应电流进一步得到双频段屏蔽环的等效磁化强度矢量的计算公式为：
20、
21、其中，vunit为双频段屏蔽环的体积，em为单位矢量。
22、其中，所述步骤4中，根据等效磁化强度矢量与外加时谐磁场的磁场强度的比值，得到双频段屏蔽环的等效磁化率χm。
23、其中，所述步骤4中，根据双频段屏蔽环的等效磁化率χm，进而双频段屏蔽环的等效复相对磁导率μr为：
24、
25、其中，为耦合系数，为顶层金属螺旋线圈的品质因数，为底层金属螺旋线圈的品质因数，ωl为顶层基元的谐振频率，ωh为底层基元的谐振频率，sl为顶层金属螺旋线圈所围成的总面积，sh为底层金属螺旋线圈所围成的总面积。
26、其中，所述双频段屏蔽环的谐振频率与顶层和底层基元谐振频率的关系为：
27、
28、其中，顶层基元谐振频率远低于底层基元谐振频率时，可得ωl＝ω1，通过调节顶层和底层基元的谐振频率，进而精准调控双频段屏蔽环的等效磁导率谐振频率点。
29、其中，所述方法属于无线电能传输和电磁场
，形成一套双频段屏蔽环结构设计指导准则，实现对无线电能传输系统高频泄露磁场的主动塑形。
30、(三)技术效果
31、与现有技术相比较，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
32、(1)本专利技术所提供的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，通过建本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，外加时谐磁场的磁感应强度其中μ0为真空磁导率，为外加时谐磁场的磁场强度。
3.如权利要求2所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，推导得到的顶层基元和底层基元的电压方程如下：
4.如权利要求3所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，磁感应强度矢量和分别对应于顶层基元/底层基元和周围其他顶层基元/底层基元的互感、以及顶层和底层基元之间的互感，由此，电压方程换算为：
5.如权利要求4所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中，通过对电压方程求解得到顶层基元的感应电流和底层基元的感应电流进一步得到双频段屏蔽环的等效磁化强度矢量的计算公式为：
6.如权利要求5所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤4中，根据
7.如权利要求6所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤4中，根据双频段屏蔽环的等效磁化率χm，进而双频段屏蔽环的等效复相对磁导率μr为：
8.如权利要求7所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述双频段屏蔽环的谐振频率与顶层和底层基元谐振频率的关系为：
9.如权利要求8所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，顶层基元谐振频率远低于底层基元谐振频率时，可得ωl＝ω1，通过调节顶层和底层基元的谐振频率，进而精准调控双频段屏蔽环的等效磁导率谐振频率点。
10.如权利要求1所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述方法属于无线电能传输和电磁场技术领域，形成一套双频段屏蔽环结构设计指导准则，实现对无线电能传输系统高频泄露磁场的主动塑形。
...【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，外加时谐磁场的磁感应强度其中μ0为真空磁导率，为外加时谐磁场的磁场强度。
3.如权利要求2所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，推导得到的顶层基元和底层基元的电压方程如下：
4.如权利要求3所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，磁感应强度矢量和分别对应于顶层基元/底层基元和周围其他顶层基元/底层基元的互感、以及顶层和底层基元之间的互感，由此，电压方程换算为：
5.如权利要求4所述的无线电能传输系统的双频段屏蔽环的优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中，通过对电压方程求解得到顶层基元的感应电流和底层基元的感应电流进一步得到双频段屏蔽环的等效磁化强度矢量的计算公式为：
6.如权利要求5所述的无线电能传输系统的...
【专利技术属性】
技术研发人员：路聪慧，范磊，宋克岭，蒋任君，党寻诣，吕清，王平平，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：
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