無線電能傳輸技術（Wireless Power Trans- mission, WPT）指一種利用電磁場、電磁波在物理空間中的分布或傳播特性，采取非導線直接接觸的方式，實現電能由電源側傳遞至負載側的技術。該技術解決了不宜拖帶導線場合的供電問題，極大增加了供電方式的便捷性，是目前電氣工程研究的前沿熱點之一。

隨著對無線電能傳輸技術的不斷研究，其應用領域也不斷擴展。基于磁耦合諧振原理的電動汽車無線充電系統，其發射裝置與接收裝置之間不存在導線連接，具有運行安全、維護成本低、防水防塵、便于維護和用戶體驗好等優點，提高了電動汽車充電的靈活性，受到了越來越多的關注。

對于電動汽車無線充電系統，除了系統傳輸效率以及穩定性之外，工作狀態下的電磁環境的安全性同樣是研究人員重點關注的問題之一。目前，無線電能傳輸系統耦合機構中都會加入電屏蔽來減少磁場的泄漏。作為耦合機構中的重要一環，電屏蔽主要是用來遏止高頻電磁場的影響，使干擾場在屏蔽體內形成渦流并在屏蔽體與被保護空間的分界面上產生反射，從而大大削弱干擾場在被保護空間的磁感應強度值，達到屏蔽效果。

為了增強屏蔽效果，一般采用電導率高的材料，以加大渦流效應。2013年，韓國科學技術研究院（KAIST）的Jiseong Kim等研究了電屏蔽對耦合機構周圍的磁場大小的影響，耦合機構采用的是圓環形，他們測量了距離耦合機構不同距離的點的磁場強度，通過測量結果發現加入電屏蔽后，耦合機構周圍的磁場減小了5 T。

2015年，日本大阪工學院電氣與電子系統工程系的Yoshiki Yashima團隊研究了電屏蔽對系統傳輸效率的影響，實驗結果表明，加入電屏蔽后系統傳輸效率提高了1%，同時磁感應強度減小了20 T；但系統中若不加磁屏蔽，只加入電屏蔽，系統效率降低了4%。2016年，德國卡爾斯魯厄理工學院的Katharina Knaisch團隊研究了加入電屏蔽后對無線充電系統主要參數的影響，其中加入電屏蔽后自感與互感減小，耦合系數增加，電動汽車內部磁感應強度減小了9 T。

上述文獻中雖然分析了電屏蔽對無線電能傳輸系統耦合機構周圍空間磁場的影響，但大多只是進行了仿真的分析，在實驗中也僅僅測量了某些點的磁場強度，并沒有完整地呈現出整個面磁場的分布和大小。由于仿真模型的簡化，仿真結果與實際的磁場分布也可能存在差異。因此準確測量出耦合機構周圍空間磁場大小及分布對于無線電能傳輸的研究具有重要意義。

本文通過仿真軟件對空間磁場的分布進行有限元仿真分析，計算電屏蔽對耦合結構周圍的磁場分布與大小的影響，同時對比分析兩種不同電屏蔽材料鋁和銅對原邊設備和副邊設備背部空間磁場的影響。在實驗中，搭建了無線電能傳輸三維磁場測量系統，測量并且得到了無電屏蔽、電屏蔽材料為鋁板和銅板三種情況下原邊設備和副邊設備背部空間磁場的分布圖，驗證了電屏蔽抑制耦合機構之間磁場擴散的作用。通過仿真與實驗結果對比發現，實際測得的空間磁場與仿真結果分布形狀一致，但是幅值有偏差，仿真中的磁場值小于實際測得結果。

圖1 無線電能傳輸系統場路結構示意圖

圖8 三維磁場測量平臺

圖9 帶電屏蔽的耦合結構

結論

電屏蔽對于電動汽車無線充電過程中原邊設備與副邊設備之間空間磁場分布有重要的影響，本文首先利用有限元仿真軟件對三種情況下電動汽車無線充電系統原邊耦合機構背部與副邊耦合機構背部磁場進行了分析，結果表明，加入電屏蔽銅和鋁后，線圈自感和互感降低，耦合系數也隨之降低，同時原邊側磁通密度分別減小了0.04mT和0.05mT，副邊側減小了0.04mT。從系統工作時耦合機構周圍磁場分布情況可以看出，電磁屏蔽對磁場起到了很好的束縛作用，傳能機構工作區域的主磁通基本被束縛在兩耦合機構之間。

本文搭建了無線充電專用的三維空間磁場測量平臺，實際測量了空間磁場分布，并繪制了原邊設備與副邊設備x-z面和x-y面三維磁場分布圖。磁場分布的實際情況與仿真結果一致，從實驗和仿真的結果可以看出，鋁板對于磁場的屏蔽效果優于銅板。

本文中的三維磁場測量平臺對于電動汽車無線充電系統的產品設計具有指導意義，在一些要求準確測量磁場分布的場合，可以根據本文的測試方法搭建系統完成測試。