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

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(shí)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(tuán)隊(duì)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(jī)構(gòu)逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)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(chǎng)的作用[4]。日本埼玉大學(xué)設(shè)計(jì)了一種磁芯為H 型的變壓器，該變壓器在電動(dòng)汽車充電過程中橫向偏移為±150 mm 的范圍內(nèi)，效率可達(dá)94%[5]。文獻(xiàn)[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(chǎng)和漏電場(chǎng)均有不同程度的降低。文獻(xiàn)[9]在線圈繞組的中心位置增加一個(gè)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(chǎng)，增加了轉(zhuǎn)換功率；文獻(xiàn)[10]提出一種正交雙D 型耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(xiàn)[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(jī)構(gòu)制作提供了支持。文獻(xiàn)[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(chǎng)。天津工業(yè)大學(xué)楊慶新課題組通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量電屏蔽對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)周圍空間磁場(chǎng)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(jī)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(chǎng)，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(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效果好，電能傳輸效率高，缺點(diǎn)是容易導(dǎo)致電磁場(chǎng)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(qiáng)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(diǎn)，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(xiàn)[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(xiàn)[19]將碳納米纖維填充到硅橡膠中制備新的復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)填充碳納米纖維具有很好的電磁屏蔽性能，文獻(xiàn)[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(chǎng)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(jī)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(qiáng)、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(jī)構(gòu)。

1 碳纖維軟磁復(fù)合材料特點(diǎn)

由于目前鐵氧體材料在無線充電過程中存在一些缺點(diǎn)，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(jī)構(gòu)的對(duì)比如表1 所示。

表1 碳纖維作為基材和原有導(dǎo)磁機(jī)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(diǎn)，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(jī)構(gòu)。

2 電磁屏蔽有限元分析

目前電動(dòng)汽車無線電能傳輸系統(tǒng)電磁耦合機(jī)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(chǎng)和磁場(chǎng)。因此本文采用DD 型線圈作為電磁耦合機(jī)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(gè)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(duì)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)源關(guān)系為：

線圈所在域滿足的場(chǎng)源關(guān)系為：

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

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

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

（1）選擇電磁波，頻域物理場(chǎng)。

（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(gè)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(gè)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(gè)同樣的長方體，進(jìn)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(dòng)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(gè)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(duì)線圈添加電壓為100 V 的正弦電壓作為激勵(lì)，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(gè)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(duì)幾何模型的各個(gè)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(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成網(wǎng)格。

（5）最后進(jìn)行求解計(jì)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(jī)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(shí)，磁場(chǎng)主要集中在無線電能傳輸區(qū)域之內(nèi)的區(qū)域，磁場(chǎng)泄漏很小，可以達(dá)到無線電能傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)屏蔽效果。

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(jī)構(gòu)平面幾何中心作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)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(chǎng)和電場(chǎng)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(jī)構(gòu)屏蔽層外側(cè)電磁屏蔽效果明顯提高，其磁場(chǎng)和電場(chǎng)相對(duì)于只有鐵氧體的耦合機(jī)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(chǎng)和電場(chǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)功率傳輸效率的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室搭建了測(cè)量傳輸功率的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由高頻電源、電磁耦合機(jī)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(jī)構(gòu)參數(shù)如表4 所示。

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

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10 所示，該實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)算了系統(tǒng)功率的傳輸效率。

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

基于前面的仿真結(jié)果，實(shí)際設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)，如圖11 所示。原有導(dǎo)磁機(jī)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(jī)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(qiáng)，使用方便。

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

本實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)功率傳輸效率暫時(shí)達(dá)不到鐵氧體作屏蔽時(shí)的效率。因?yàn)閱渭兊蔫F氧體用天平測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)步，同時(shí)，綜合性能有很大提升空間。

5 結(jié) 論

（1）利用多物理場(chǎng)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(shí)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的屏蔽效果，用鐵氧體作電磁屏蔽時(shí)屏蔽層外側(cè)的最大電磁場(chǎng)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(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽最大數(shù)值分別為0.22 V/m 和0.79×10-3mT，所以其電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效果比鐵氧體更加優(yōu)異。

（2）搭建了測(cè)量無線電能傳輸傳輸功率效率的平臺(tái)，分別測(cè)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(shí)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(jī)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(jìn)步空間。