CN109190290B - 用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法，通过建立拾电器等效电路模型，推导出耦合系数与输出功率的关系，分析拾电器耦合系数小的原因，结合E型和U型拾电器副边线圈缠绕的特点，提出正交拾电器，采用第一个线圈绕在E型磁芯的中间芯柱上，第二个线圈垂直于第一个线圈绕在E型磁芯的两侧的结构，最后基于有限元仿真和实验验证了此方法能够提高拾电器的耦合系数和输出功率。提供了一种简单可靠的方法来解决自动导引运输车偏离轨道时引起拾电器耦合系数和输出功率下降的问题。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及无线供电领域，特别是一种用于分析感应耦合电能传输***内的正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法。
背景技术
随着工业化进程的日益推进，对物料传送设备的自动化水平要求越来越高，自动导引运输车因其高柔性、易扩展等优点而得到了迅猛发展和广泛应用。自动导引运输车通常采用蓄电池、铰链、滑触线等传统的移动供电方式，但是蓄电池容量有限，需要反复停下来充电；铰链在移动过程中容易缠绕，滑触线需要定期检查，可靠性差。因此环境适应性好、安全可靠、灵活安全的无接触供电方式日益受到人们的青睐。
无接触供电方式分为谐振式、感应式和微波辐射式。此外还有电场耦合式、激光方式和超声波方式。其中谐振式和感应式无接触供电应用的场合比较多，谐振式无接触供电传输距离中等、效率高，主要应用在电动汽车、家电设备等领域。感应式无接触供电传输功率大、传输距离短，主要应用在交通运输、水下作业等场合。微波辐射式无接触供电传输距离远、效率极低，主要应用在无人机、空间太阳能电站等场合。由于自动导引运输车搬运的货物比较重，***需要的功率比较大，对比上述几种无接触供电的特点，将感应式耦合电能传输***应用在自动导引运输车中，避免了传统移动供电带来的弊端。自动导引运输车通常采用电磁导引、GPS导航、激光导航等导引/导航技术，在移动过程中不可避免的会偏离轨道，引起耦合系数和传输功率下降，针对这个问题奥克兰大学提出采用正交拾取机构，对磁芯的形状、平衡线圈之间的功率输出、提高传输功率等方面有了很成熟经验和丰富的研究成果，但对耦合系数以及与功率之间的关系没有深入研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，感应耦合电能传输***正交拾电器理论与实验研究。首先，通过立拾电器等效电路模型，推导出耦合系数与输出功率的关系。分析了拾电器耦合系数小的原因，结合E型和U型拾电器副边线圈缠绕的特点，提出正交拾电器，采用第一个线圈绕在E型磁芯的中间芯柱上，第二个线圈垂直于第一个线圈绕在E型磁芯的两侧的结构。基于Ansoft Maxwell电磁场有限元仿真软件和开发的拾电器，验证当自动导引运输车偏离轨道范围时，改善了耦合系数和输出功率的下降情况，提高了横向偏差容忍度。提供了一种简单可靠的方法来解决自动导引运输车偏离轨道时引起拾电器耦合系数和输出功率下降的问题。
本发明解决自动导引运输车偏离轨道引起耦合系数和输出功率下降的问题是采取以下技术方案实现的：
首先建立拾电器电路模型，采用互感等效理论，原边串联、副边并联补偿拓扑，建立拾电器的松耦合变压器等效电路模型，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，推导出拾电器的输出功率，根据耦合系数公式，带入拾电器输出的公式中，得到输出功率与耦合系数之间的关系式：
其中PL是输出功率，k是耦合系数，IP是原边导轨线圈的电流，LP是原边导轨线圈自感，LS是副边线圈自感，RL是负载电阻。
第二步：建立松耦合变压器静磁场，分析松耦合变压器的耦合系数。
建立E型松耦合变压器将磁场，分析E型松耦合变压器耦合系数低的原因。
分析应用于自动导引运输车常用的E型和U型两种磁芯结构，磁芯不同则导轨布线的不同，将缠绕在磁芯上的线圈结合起来，采用第一个线圈绕在E型磁芯的中间芯柱上，第二个线圈垂直于第一个线圈绕在E型磁芯的两侧的结构，构成正交拾取结构。
第三步：建立传统拾电器仿真模型，得到传统拾电器的耦合系数和输出功率。
在Ansoft Maxwell仿真软件中建立传统拾电器二维仿真模型。
在传统拾电器二维仿真模型中，建立静态场，通过改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的耦合系数。
在传统拾电器二维仿真模型中，通过外加的电路建立瞬态场，改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的输出功率。
第四步：建立正交拾电器的仿真模型，得到正交拾电器的耦合系数和输出功率。
在Ansoft Maxwell仿真软件中建立传统拾电器二维仿真模型。
在正交拾电器二维仿真模型中，建立静态场，通过改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的耦合系数
在正交拾电器二维仿真模型中，通过外加的电路建立瞬态场，正交线圈采用并联整流方式，两个线圈经过各自整流之后向负载供电，改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的输出功率。
第五步：对传统拾电器和正交拾电器进行实验。
原边导轨线圈和副边线圈采用1200股的Litz线，使用JK2816C通用高频数字电桥测量原边和副边线圈的自感和互感，进而得到拾电器的耦合系数，通过开发的拾电器进行实验分析，拾电器每偏移一次，则记录一次拾电器的耦合系数和输出功率。
利用本发明的技术方案制作的用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法，通过对拾电器建立等效电路模型，找出拾电器的输出功率与耦合系数的关系。通过对E型和U型磁芯线圈绕法分析，结合两者的绕法的特点，提出正交拾电器，通过理论推导和仿真分析，得到仿真与实验结果一致性的结论，提供了一种简单可靠的方法来解决自动导引运输车偏离轨道时引起拾电器耦合系数和输出功率下降的问题。
通过对E型和U型拾电器的磁场分析和E型和U型拾电器的原边导轨布线分析可知，当拾电器横向偏移的时候，将两者磁芯的绕线方式结合起来，形成互补，提高拾电器的耦合系数和传输功率，避免了采用其他控制方式，仅仅只需要一个副边线圈绕组，就可以提高拾电器的耦合系数和传输功率。
正交拾电器由于存在两个线圈，采用两个线圈各自整流之后向负载供电，这种方式避免了两个线圈串联时在正常运行情况下，一个线圈输出功率，另一个线圈不但没有输出功率反而还消耗功率。
附图说明
图1为E型拾电器松耦合变压器结构图；
图2为E型拾电器松耦合变压器互感等效电路模型；
图3为感应耦合***拾电器等效电路型；
图4为E型拾电器松耦合变压器磁场分布；
图5为E型和U型拾电器模型；
图6为正交拾电器模型；
图7为E型拾电器的耦合系数随横向偏移距离变化的仿真曲线；
图8为E型拾电器的负载功率随横向偏移距离变化仿真曲线；
图9为正交拾电器的线圈并联整流原理图；
图10为拾电器的耦合系数随横向偏移距离变化仿真曲线；
图11为拾电器的负载功率随横向偏移距离的变化仿真曲线；
图12为拾电器的耦合系数随横向偏移距离的变化曲线；
图13为拾电器负载功率随横向偏移距离的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，下面将进行具体实施步骤的详细阐述。
第一步：建立感应耦合电能传输***拾电器的电路模型
选择常用的E型磁芯，建立E型拾电器的松耦合变压器结构模型，如图1所示。
采用互感等效原理，建立E型拾电器的松耦合变压器互感等效电路模型，如图2所示。
采用原边串联、副边并联补偿拓扑结构，建立感应耦合电能传输***E型拾电器的松耦合变压器等效电路型，如图3所示。
对图3进行分析，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律可知：
则负载上的功率为：
要使负载功率PL取得最大值，则1-w2LPCP＝0,即副边线圈的自感LP与并联补偿电容CP发生谐振，则此时负载功率：
将耦合系数带入得到负载功率为：
推导出拾电器输出的功率，并得到耦合系数与输出功率的关系式。但是当自动导引运输车偏离轨道时，由于副边线圈偏离中心磁场，松耦合变压器的原副边耦合性减弱，导致耦合系数k降低。副边绕组感应出的电压降低，因此向负载提供的功率会降低，影响自动导引运输车的正常运行。因此当自动导引运输车偏离轨道时，需要改善耦合系数，向负载提供稳定的功率。
第二步：建立松耦合变压器静磁场，分析松耦合变压器的耦合系数。
建立E型松耦合变压器磁场，如图4所示，从图4中就可以看出松耦合变压器的漏感大，原副边耦合性能差，因此耦合系数比较低。原边导轨在空间产生高频磁场，位于原边导轨上方的E型拾电器，磁通的垂直分量进入磁芯与线圈交链；对于U型拾电器，磁通的水平分量进入磁芯与线圈交链，这两种拾电器的线圈结构如图5所示。由于这两种类型的拾电器都不能充分利用磁场，耦合系数均比较低，因此，需要充分利用磁场，减少漏磁，提高线圈和导轨之间的互感，即提高耦合系数。根据E型和U型拾电器的线圈特点，将两者线圈结合起来形成正交拾电器，即将U型拾电器线圈绕在E型拾电器中间的芯柱上，与E型拾电器线圈垂直，如图6所示。
第三步：建立传统拾电器仿真模型，得到传统拾电器的耦合系数和输出功率。
当拾电器横向偏移时，由于偏移的位置变化，通过绕组的互感磁通方向也会发生变化，因此为了便于分析，以导轨中心为零点，当拾电器向两边偏移时，均对互感磁通取绝对值，避免了互感磁通因方向变化而产生正负变化，得到的耦合系数均为正数。
在Ansoft Maxwell 2D仿真软件中建立传统拾电器仿真模型，建立静态场，通过改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的耦合系数，如图7所示。在传统拾电器二维仿真模型中，通过外加的电路建立瞬态场，改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的输出功率，如图8所示。
第四步：建立正交拾电器的仿真模型，得到正交拾电器的耦合系数和输出功率。
由于正交拾电器的副边存在两个线圈，水平线圈和垂直线圈，这两个线圈可以串联或并联形成一个绕组。采用并联方式，如图9所示，两个线圈经过各自整流之后向负载供电，这种方式避免了两个线圈串联时在正常运行情况下，一个线圈输出功率，另一个线圈不但没有输出功率反而还消耗功率。负载上获得的功率是水平线圈和垂直线圈的输出功率之和：
其中LV是垂直线圈的自感，LH是水平线圈的自感；kV是垂直线圈的耦合系数，kH是水平线圈的耦合系数，当水平线圈和垂直线圈的自感相同时，即LV和LH大小相同，可以改写成:
在Ansoft Maxwell 2D仿真软件中建立正交拾电器仿真模型，建立静态场，通过改变正交拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的耦合系数，如图10所示。在正交拾电器二维仿真模型中，通过外加的电路建立瞬态场，改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的输出功率，如图11所示。
由图10和图11可得：与传统拾电器相比，在相同的横向偏移距离下，正交拾电器的耦合系数大于传统拾电器。这是由于传统拾电器只能利用磁场的垂直分量，而正交拾电器可以利用磁场的水平和垂直分量，当拾电器发生横向偏移的时候，垂直线圈交链的磁场减弱，而水平线圈交链的磁场增强，正交拾电器比传统拾电器多了一个水平补偿分量。输出功率与耦合系数图形类似，验证了理论分析的正确性，正交拾电器提高了横向偏移范围，改善了耦合性能和传输特性。
第五步：对传统拾电器和正交拾电器进行实验。
原边导轨线圈和副边线圈采用1200股的Litz线，使用JK2816C通用高频数字电桥测量原边和副边线圈的自感和互感，进而得到拾电器的耦合系数，通过开发的拾电器进行实验分析，设置每10mm为一个步长，拾电器每偏移一次，则记录一次拾电器的耦合系数和输出功率，结果如图12和13所示。
最后，实验和仿真结果能够很好的匹配。同时证明了，正交拾电器比传统拾电器有更强的横向偏移容忍度。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
第一步：建立感应耦合电能传输***拾电器的电路模型
选择常用的E型磁芯，建立E型拾电器的松耦合变压器结构模型；
采用互感等效原理，建立E型拾电器的松耦合变压器互感等效电路模型
采用原边串联、副边并联补偿拓扑结构，建立感应耦合电能传输***E型拾电器的松耦合变压器等效电路型；
对上述建立的模型进行分析，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，推导出拾电器输出的功率，将耦合系数带入拾电器输出的功率中，得到耦合系数与输出功率的关系式；
第二步：建立松耦合变压器静磁场，分析松耦合变压器的耦合系数；
建立E型松耦合变压器将磁场，分析E型松耦合变压器耦合系数低的原因；
分析应用于自动导引运输车常用的E型和U型两种磁芯结构，磁芯不同则导轨布线的不同，将缠绕在磁芯上的线圈结合起来，采用第一个线圈绕在E型磁芯的中间芯柱上，第二个线圈垂直于第一个线圈绕在E型磁芯的两侧的结构，构成正交拾取结构；
第三步：建立传统拾电器仿真模型，得到传统拾电器的耦合系数和输出功率；
在Ansoft Maxwell仿真软件中建立传统拾电器二维仿真模型；
在传统拾电器二维仿真模型中，建立静态场，通过改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的耦合系数；
在传统拾电器二维仿真模型中，通过外加的电路建立瞬态场，改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的输出功率；
第四步：建立正交拾电器的仿真模型，得到正交拾电器的耦合系数和输出功率；
在Ansoft Maxwell仿真软件中建立传统拾电器二维仿真模型；
在正交拾电器二维仿真模型中，建立静态场，通过改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的耦合系数
在正交拾电器二维仿真模型中，通过外加的电路建立瞬态场，正交线圈采用并联整流方式，两个线圈经过各自整流之后向负载供电，改变拾电器相对于轨道的横向偏移距离，得到拾电器的输出功率；
第五步：对传统拾电器和正交拾电器进行实验；
原边导轨线圈和副边线圈采用1200股的Litz线，使用JK2816C通用高频数字电桥测量原边和副边线圈的自感和互感，进而得到拾电器的耦合系数，通过开发的拾电器进行实验分析，拾电器每偏移一次，则记录一次拾电器的耦合系数和输出功率；如果实验和仿真结果能够很好的匹配，那就证明正交拾电器比传统拾电器有更强的横向偏移容忍度。
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