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        碳纖維軟磁復(fù)合材料在無線電能傳輸電磁耦合機構(gòu)中的應(yīng)用

        2022-09-05 14:32:24宋子晗王文斌
        關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料

        張 欣,韓 瑜,宋子晗,王文斌

        (天津工業(yè)大學(xué) 天津市電氣裝備智能控制重點實驗室,天津 300387)

        無線電能傳輸技術(shù)可以避免用電設(shè)備與電網(wǎng)的直接連接,具有靈活、安全、可靠的優(yōu)點。早在19 世紀(jì)中后期,美國工程師尼古拉·特斯拉首先提出無線電能傳輸技術(shù)(wireless power transfer technology)。20 世紀(jì)80 年代,新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯教授課題組在電磁感應(yīng)耦合方面經(jīng)過多年的研究,在理論和實踐上取得了許多重大成果[1-2]。2007 年,麻省理工大學(xué)物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈??耍∕arin Soljacic)研究團隊發(fā)明出磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)[3]。隨著研究的不斷深入,無線電能傳輸系統(tǒng)電磁耦合機構(gòu)逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點及熱點問題。

        韓國科學(xué)技術(shù)研究院課題組提出了一種由高磁導(dǎo)率鐵氧體材料和硅鋼片組成的屏蔽結(jié)構(gòu),論文分別探討了2 種材料不同組合屏蔽電磁場的作用[4]。日本埼玉大學(xué)設(shè)計了一種磁芯為H 型的變壓器,該變壓器在電動汽車充電過程中橫向偏移為±150 mm 的范圍內(nèi),效率可達94%[5]。文獻[6-8]分別在接收線圈和發(fā)射線圈外側(cè)增加不同形狀的鐵氧體磁芯作電磁屏蔽,其無線電能傳輸效率均有不同程度的提高,漏磁場和漏電場均有不同程度的降低。文獻[9]在線圈繞組的中心位置增加一個圓柱形鐵氧體塊,減小了漏磁通返回路徑的長度,明顯地減少氣隙漏磁場,增加了轉(zhuǎn)換功率;文獻[10]提出一種正交雙D 型耦合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)傳統(tǒng)圓形耦合結(jié)構(gòu)的互操作性,而且有更好的抗水平偏移特性。文獻[11-13]分別探討了不同的線圈結(jié)構(gòu)以及傳輸效率,為電磁耦合機構(gòu)制作提供了支持。文獻[14]在系統(tǒng)發(fā)射端采用平板磁芯結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的耦合系數(shù),減弱了漏磁場。天津工業(yè)大學(xué)楊慶新課題組通過有限元仿真和實驗測量電屏蔽對磁耦合機構(gòu)周圍空間磁場的分布,得出了鋁板的屏蔽效果優(yōu)于銅板的結(jié)論[15]。

        上述研究都是利用鐵氧體作為電磁耦合機構(gòu)的導(dǎo)磁材料,該結(jié)構(gòu)最外層需要包覆鋁合金板屏蔽電場,并且鐵氧體和鋁板之間還要加入絕緣電木作為支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是電場和磁場屏蔽效果好,電能傳輸效率高,缺點是容易導(dǎo)致電磁場泄露,體積和重量較大,材質(zhì)脆弱。上述因素均導(dǎo)致了鐵氧體材料在強電磁耦合過程中工作效果變差。

        目前應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)能洿挪牧现饕ㄨF氧體和納米晶合金。納米晶合金與鐵氧體相比較,具有磁導(dǎo)率高,磁滯損耗小等優(yōu)點,但是納米晶合金由于電阻率較低,應(yīng)用于大功率無線充電渦流損耗高,電能傳輸效率較低[16]。文獻[17-18]把石墨和其他材料混合制成導(dǎo)電復(fù)合材料,在特定條件下具有良好的電磁屏蔽性能。文獻[19]將碳納米纖維填充到硅橡膠中制備新的復(fù)合材料,實驗發(fā)現(xiàn)填充碳納米纖維具有很好的電磁屏蔽性能,文獻[20]通過在石墨烯表面鍍鎳,從而使復(fù)合材料具有了屏蔽低頻電磁場的作用。

        本文提出了一種碳纖維軟磁復(fù)合材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁屏蔽耦合機構(gòu)。該材料是以碳纖維為基材,再加上適量的鐵氧體粉和環(huán)氧樹脂制成。由于碳纖維的優(yōu)良特性,使得導(dǎo)磁材料耐振性能增強、質(zhì)量和體積減小,大大簡化了無線電能傳輸系統(tǒng)中的電磁耦合機構(gòu)。

        1 碳纖維軟磁復(fù)合材料特點

        由于目前鐵氧體材料在無線充電過程中存在一些缺點,并且考慮到所需導(dǎo)磁屏蔽材料的磁導(dǎo)率、電阻率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和耐振性能,擬加入碳纖維基材制備復(fù)合材料,采用碳纖維作為基材和原有屏蔽機構(gòu)的對比如表1 所示。

        表1 碳纖維作為基材和原有導(dǎo)磁機構(gòu)比較Tab.1 Comparsion of carbon fiber as substrate and originl magnetic conductivity mechanism

        綜合考慮碳纖維的優(yōu)點,提出一種新型基于碳纖維編織結(jié)構(gòu)軟磁復(fù)合材料的無線充電電磁耦合機構(gòu)。

        2 電磁屏蔽有限元分析

        目前電動汽車無線電能傳輸系統(tǒng)電磁耦合機構(gòu)中的線圈類型很多,包括用于無線充電的DD 型、PP型以及方形、圓角形線圈結(jié)構(gòu)。由于DD 型線圈能夠傳輸較大的功率,還能產(chǎn)生比較均勻的電場和磁場。因此本文采用DD 型線圈作為電磁耦合機構(gòu)的諧振線圈。耦合線圈是由直徑為3.96 mm 的利茲線繞制而成,線圈直徑為25 cm,線寬度為6 cm。整個系統(tǒng)的諧振頻率為85 kHz。

        本文提出了一種新型碳纖維軟磁復(fù)合材料,分別仿真和對比了將碳纖維軟磁復(fù)合材料作屏蔽材料和鐵氧體作為屏蔽材料的電場和磁場屏蔽效果。

        圖1為無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1 中:Us為高頻交流電源;R2為系統(tǒng)負(fù)載電阻;Ω 和Γ、Ω1和Γ1以及Ω2和Γ2分別為空氣、線圈以及碳纖維軟磁復(fù)合材料所在的域及其邊界條件;γ、γ1以及γ2分別為空氣、線圈和碳纖維軟磁復(fù)合材料的電導(dǎo)率,電導(dǎo)率都大于0。

        圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wireless power transmission system

        系統(tǒng)在工作條件下,空氣域滿足的場源關(guān)系為:

        線圈所在域滿足的場源關(guān)系為:

        碳纖維軟磁復(fù)合材料所在域滿足的場源關(guān)系為:

        COMSOL 是一款大型的多物理場耦合仿真分析軟件,其仿真的過程主要包括物理場選擇、幾何模型建立、材料賦予、網(wǎng)格劃分以及研究計算等環(huán)節(jié)。

        首先利用多物理場仿真軟件COMSOL 依據(jù)碳纖維真實的編織結(jié)構(gòu)對碳纖維軟磁復(fù)合材料進行仿真建模,以下為建模過程。

        (1)選擇電磁波,頻域物理場。

        (2)幾何建模。首先,建立如圖2 所示的線圈。

        圖2 線圈結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Coil structure model

        隨后,建立一個長600 mm、寬19 mm、高1 mm 的長方體1,如圖3 所示。

        圖3 長方體1 Fig.3 Cuboid 1

        在長方體1 左邊,挖去一個長方體2,該長方體長21.5 mm、寬21.5 mm、高0.65 mm,如圖4 所示。

        圖4 長方體2 Fig.4 Cuboid 2

        在長方體2 右側(cè)挖去一個同樣的長方體,進行陣列和旋轉(zhuǎn)操作形成如圖5 所示的結(jié)構(gòu)。

        圖5 1 排碳纖維結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of carbon fiber with one row

        然后再經(jīng)過移動和旋轉(zhuǎn)操作后變?yōu)? 排結(jié)構(gòu)正確的碳纖維,如圖6 所示。

        圖6 2 排碳纖維結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of carbon fiber with two row

        經(jīng)過陣列操作,碳纖維編織結(jié)構(gòu)建模完成,如圖7所示。

        圖7 碳纖維結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of carbon fiber

        然后,建立一個長620 mm、寬620 mm、高2 mm的長方體作為鐵氧體屏蔽層,將鐵氧體屏蔽層和碳纖維編織結(jié)構(gòu)分割,對線圈添加電壓為100 V 的正弦電壓作為激勵,發(fā)射線圈和接收線圈的匹配電容設(shè)為42.25 pF,負(fù)載電阻設(shè)為50 Ω,最后,建立1 個長800 mm、寬800 mm、高800 mm 的正方體作為空氣域。

        (3)材料賦予。分別對幾何模型的各個部分賦予材料,材料特性參數(shù)如表2 所示。

        表2 材料特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of material

        (4)畫網(wǎng)格。仿真利用的是軟件物理場控制網(wǎng)絡(luò)自動生成網(wǎng)格。

        (5)最后進行求解計算。圖8 所示分別為碳纖維編織結(jié)構(gòu)模型和磁流密度線仿真圖。

        由圖8 可以看出,磁通密度流線主要約束在電磁耦合機構(gòu)板間,板外的很少。這說明當(dāng)用軟磁復(fù)合材料作電磁屏蔽時,磁場主要集中在無線電能傳輸區(qū)域之內(nèi)的區(qū)域,磁場泄漏很小,可以達到無線電能傳輸?shù)碾姶艌銎帘涡Ч?/p>

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

        選取耦合機構(gòu)平面幾何中心作為測量點,測量從原邊結(jié)構(gòu)到副邊結(jié)構(gòu)的磁通密度變化如圖9 所示。從圖9 中可以看出,從原邊結(jié)構(gòu)到副邊結(jié)構(gòu),磁通密度不斷衰減,直至接近0。

        圖9 板間磁通密度分布Fig.9 Magnetic flux density distribution inside the plate

        表3為不同導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)仿真模型屏蔽層外側(cè)最大的磁場和電場數(shù)值。由表3 可以看出,不同的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu),在相同厚度的情況下,在兩層碳纖維編織結(jié)構(gòu)外側(cè)加入鐵氧體,導(dǎo)磁機構(gòu)屏蔽層外側(cè)電磁屏蔽效果明顯提高,其磁場和電場相對于只有鐵氧體的耦合機構(gòu)有很大的衰減。

        表3 不同導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)仿真模型屏蔽層外側(cè)最大的磁場和電場數(shù)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 碳纖維軟磁復(fù)合材料制作過程

        有限元仿真完成后,實際制作了碳纖維軟磁復(fù)合材料,以下為碳纖維軟磁復(fù)合材料的制作過程。

        (1)準(zhǔn)備好實驗用的PC95 鐵氧體粉、環(huán)氧樹脂、固化劑,20 cm×20 cm 纖維T300。

        (2)在容器中加入125 g 環(huán)氧樹脂放在攪拌器上。逐漸加入PC95 粉到250 g,室溫下攪拌均勻。

        (3)加入80 g 固化劑攪拌2 min。

        (4)在干凈的平面刷一層混合物,鋪一層纖維。再刷一層混合物,重復(fù)此步驟直至鋪完6 層,共需要碳纖維68 g,轉(zhuǎn)移到兩側(cè)粘貼離型紙的鐵板上,模具其他位置涂抹脫模劑,將鐵板放入模具,并壓好。

        (5)將模具轉(zhuǎn)移到提前升溫到80 ℃左右的加壓設(shè)備中,壓力設(shè)定為1 kPa,壓5 h 左右,等模具自然降溫,取出成品。

        最后,碳纖維軟磁復(fù)合材料制作完成。

        4 實驗驗證

        本文設(shè)計了測量系統(tǒng)功率傳輸效率的實驗。在實驗室搭建了測量傳輸功率的實驗平臺,該實驗平臺由高頻電源、電磁耦合機構(gòu)、電阻負(fù)載以及負(fù)載功率顯示裝置組成,電磁耦合機構(gòu)參數(shù)如表4 所示。

        表4 電磁耦合機構(gòu)參數(shù)Tab.4 Parameters of electromagnetic coupling mechanism

        實驗平臺如圖10 所示,該實驗測量了無線電能傳輸系統(tǒng)高頻電源部分功率的大小以及負(fù)載功率的大小,并且計算了系統(tǒng)功率的傳輸效率。

        圖10 無線電能傳輸功率測量平臺Fig.10 Measurement platform of wireless power transmission

        基于前面的仿真結(jié)果,實際設(shè)計并且制作出了以碳纖維為基材的導(dǎo)磁材料板,用于替代原有導(dǎo)磁機構(gòu),如圖11 所示。原有導(dǎo)磁機構(gòu)包括,電木、鋁板和塊狀鐵氧體(如圖11(a)所示)。使用碳纖維導(dǎo)磁材料后,使得電磁屏蔽耦合機構(gòu)大大簡化了,制作出來的導(dǎo)磁材料板(如圖11(b)所示)質(zhì)量輕,抗振性強,使用方便。

        圖11 電磁耦合機構(gòu)屏蔽材料比較Fig.11 Comparison of shielding materials of electromagnetic coupling mechanism

        本實驗測量空芯線圈的電感值為61.42 μH,發(fā)射端線圈用PC95 鐵氧體作屏蔽,測量電感值為101.73μH,接收端線圈分別用PC95 鐵氧體和碳纖維軟磁復(fù)合材料作電磁屏蔽,電路參數(shù)如表5 所示。

        表5 電路參數(shù)Tab.5 Circuit parameters

        分別測量接收端線圈采用PC95 鐵氧體和碳纖維軟磁復(fù)合材料作電磁屏蔽時的系統(tǒng)功率傳輸效率,并比較兩者的效率。

        接收端用PC95 鐵氧體作電磁屏蔽時的系統(tǒng)傳輸效率如表6 所示。

        表6 鐵氧體屏蔽功率傳輸效率Tab.6 Power transmission efficiency of ferrite shielding

        接收端用碳纖維軟磁復(fù)合材料作電磁屏蔽時的系統(tǒng)傳輸效率如表7 所示。

        由表6 和表7 可以看出,碳纖維軟磁復(fù)合材料作屏蔽時功率傳輸效率暫時達不到鐵氧體作屏蔽時的效率。因為單純的鐵氧體用天平測量質(zhì)量為1 166.4 g,制作的碳纖維軟磁復(fù)合材料質(zhì)量為523 g,雖然質(zhì)量減小了近50%,但是其中的有效成分鐵氧體粉只有250 g,占比為47.80%,所以,電能的傳輸效率下降。因此掌握好碳纖維軟磁復(fù)合材料的配比是本實驗的關(guān)鍵。

        表7 碳纖維軟磁復(fù)合材料作屏蔽功率傳輸效率Tab.7 Power transmission efficiency of carbon fiber soft magnetic composite material as shielding

        雖然傳輸效率下降,但是,材料的耐振性能和導(dǎo)熱性能得到提升,隨著進一步研究,碳纖維軟磁復(fù)合材料在傳輸效率方面還有待進步,同時,綜合性能有很大提升空間。

        5 結(jié) 論

        (1)利用多物理場仿真軟件COMSOL 分別仿真了PC95 鐵氧體和碳纖維軟磁復(fù)合材料作電磁屏蔽時的電場和磁場的屏蔽效果,用鐵氧體作電磁屏蔽時屏蔽層外側(cè)的最大電磁場仿真數(shù)值分別為0.29 V/m 和1.23×10-3mT;兩層碳纖維編織結(jié)構(gòu)外側(cè)加入鐵氧體時,電場和磁場屏蔽最大數(shù)值分別為0.22 V/m 和0.79×10-3mT,所以其電場和磁場屏蔽效果比鐵氧體更加優(yōu)異。

        (2)搭建了測量無線電能傳輸傳輸功率效率的平臺,分別測量了接收端線圈采用PC95 鐵氧體和碳纖維軟磁復(fù)合材料作電磁屏蔽時系統(tǒng)的傳輸效率,雖然其效率較低,但是基于碳纖維軟磁復(fù)合材料制作的電磁屏蔽機構(gòu)磁導(dǎo)率、電阻率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和耐振性能,其還有很大的進步空間。

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