磁感應(yīng)線圈磁場(chǎng)分布測(cè)試陣列

曾舒帆　李亞娟　陳萬(wàn)才　張自長(zhǎng)

摘要：本文提出了一種磁感應(yīng)線圈磁場(chǎng)分布測(cè)試陣列及測(cè)試系統(tǒng)，該陣列包括：LxMxN個(gè)陣列元，陣列元通過(guò)連接桿連接，每一個(gè)陣列元包括：無(wú)線收發(fā)器及同心設(shè)置的固定環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)和PCB線圈板，該陣列用于測(cè)量特定區(qū)域的磁場(chǎng)分布情況以及各個(gè)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

[關(guān)鍵詞]電磁感應(yīng)測(cè)試陣列磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)磁感應(yīng)分布

電動(dòng)汽車(chē)現(xiàn)在已經(jīng)大面積普及以及推廣，無(wú)線充電樁由于其充電的便捷性也具有很好的推廣前景，但是在對(duì)無(wú)線充電樁進(jìn)行測(cè)量分析其耗電量以及充電效率時(shí)如果可以準(zhǔn)確的了解其周?chē)艌?chǎng)的分布情況，就可以準(zhǔn)確的分析出充電效率較高的區(qū)域。在直流大電測(cè)量時(shí)需要考慮周?chē)艌?chǎng)影響，如果能夠準(zhǔn)確的分析出傳感器周邊的磁場(chǎng)分布情況，就可以避免由于磁場(chǎng)干擾引起的誤差。

1本文的背景

目前，由于磁感應(yīng)式電磁充電技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)使用成本低并且傳輸效率高，被普遍應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、手機(jī)等常用設(shè)備的無(wú)線充電技術(shù)中，是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的無(wú)線充電技術(shù)。電磁感應(yīng)的原理是在初級(jí)線圈施加一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，其根本原理是利用電磁感應(yīng)原理。

對(duì)于載流線圈空間磁場(chǎng)的分布，通常是用公式計(jì)算出不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向，或者使用磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)試人為的測(cè)試不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度（僅只用于驗(yàn)證公式計(jì)算的正確性），無(wú)法直觀的地測(cè)試并展示載流線圈周?chē)臻g電磁場(chǎng)的分布情況。而且電動(dòng)汽車(chē)充電線圈由于需要提供較大的充電能量，所以其線圈體積尺寸較大，在空間中產(chǎn)生的磁力線范圍也相對(duì)較大，按照上述方法往往不能準(zhǔn)確測(cè)量出不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向，因此無(wú)法直接分析出在不同位置充電的傳輸效率。

對(duì)于載流線圈空間磁場(chǎng)的分布，常規(guī)通常是用公式計(jì)算出不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向或者使用磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)試認(rèn)為的測(cè)試不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度并且僅只用于驗(yàn)證公式計(jì)算的正確性，而專(zhuān)利中設(shè)計(jì)的測(cè)試陣列運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，可以直觀的測(cè)試出載流線圈周?chē)臻g電磁場(chǎng)的分布情況。由于PCB線圈在空間中僅在垂直于磁力線方向可以產(chǎn)生最大的感應(yīng)電勢(shì)，所以可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)PCB線圈找到空間中各點(diǎn)感應(yīng)電勢(shì)最強(qiáng)的方向，從而反映出磁力線方向。

2測(cè)試陣列結(jié)構(gòu)

本文提出一種磁感應(yīng)線圈磁場(chǎng)分布測(cè)試陣列及測(cè)試系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法準(zhǔn)確且直觀地展示載流線圈周?chē)臻g電磁場(chǎng)的分布情況的問(wèn)題。

磁感應(yīng)線圈磁場(chǎng)分布測(cè)試陣列，包括：LxMxN個(gè)陣列元，陣列元之間通過(guò)可伸縮連接桿連接形成LxMxN的陣列。每一個(gè)陣列元由無(wú)線收發(fā)器、同心設(shè)置的固定環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)和PCB耦合線圈板構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，上述旋轉(zhuǎn)環(huán)直徑小于固定環(huán)的直徑，且可旋轉(zhuǎn)地安裝在固定環(huán)內(nèi)，固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)之間的間隙中還設(shè)有控制所述旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)。PCB線圈板直徑小于所述旋轉(zhuǎn)環(huán)的直徑，且可旋轉(zhuǎn)地安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)，PCB線圈板和旋轉(zhuǎn)環(huán)之間的間隙中還設(shè)有控制PCB線圈板旋轉(zhuǎn)的第二步進(jìn)電機(jī)。

PCB線圈板上還設(shè)有用于測(cè)量線圈上感應(yīng)電勢(shì)的測(cè)量電路，無(wú)線收發(fā)器分別連接測(cè)量電路、第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)，連接桿可拆卸地連接兩個(gè)陣列元的固定環(huán)，L≥2，M≥2，N≥2，對(duì)于陣列的每一維方向，上的所有連接桿，這些連接桿和與其連接的陣列元的旋轉(zhuǎn)環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸線位置關(guān)系均保持一致。最小陣列單元如圖1右圖所示，由四個(gè)陣列元按照上述方式連接，連接桿可伸縮，長(zhǎng)度可調(diào)，這樣就可以適應(yīng)測(cè)量不同場(chǎng)地大小情況下的測(cè)試需求。

3測(cè)量原理

每個(gè)陣列單元由測(cè)試線圈、放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)發(fā)射電路構(gòu)成，如圖2所示。

測(cè)量線圈感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集電路生成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)無(wú)線傳輸單元發(fā)射到系統(tǒng)的終端。系統(tǒng)終端通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制命令，調(diào)整測(cè)量線圈在該位置的角度記錄測(cè)量線圈在該角度的測(cè)量值，經(jīng)過(guò)算法計(jì)算出測(cè)量值最大的角度值，記錄該角度以及對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)值，綜合所有陣列元返回的角度以及磁場(chǎng)強(qiáng)度信息以及陣列元的位置信息，就可以模擬出測(cè)試陣列所在的磁場(chǎng)中的磁力線分布，在上位機(jī)系統(tǒng)中就可以繪制并且分析出該區(qū)域的磁場(chǎng)分布情況。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的磁場(chǎng)陣列測(cè)試系統(tǒng)可以直觀的反映出空間磁力線的分布情況，而不是用抽象的運(yùn)算計(jì)算出磁力線分布，有利于最佳效率充電方案的研究。測(cè)試全過(guò)程均由上位機(jī)自動(dòng)控制，無(wú)需人為旋轉(zhuǎn)，測(cè)試的準(zhǔn)確度相對(duì)人為使用線圈尋找磁力線方向高。