感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)正交拾電器的設(shè)計研究

樊亞超，王景芹，崔玉龍，劉會軍

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.河北長孚電氣設(shè)備有限公司，河北 保定 071051）

0 引 言

隨著工業(yè)化進程的日益推進，對物料傳送設(shè)備的自動化水平要求越來越高，自動導(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）因其高柔性、易擴展等優(yōu)點而得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。AGV 通常采用蓄電池、鉸鏈、滑觸線等傳統(tǒng)的移動供電方式，但是蓄電池容量有限，需要反復(fù)停下來充電，鉸鏈在移動過程中容易纏繞，滑觸線需要定期檢查，可靠性差。因此環(huán)境適應(yīng)性好、安全可靠、靈活安全的無接觸供電方式日益受到人們的青睞[1-3]。

無接觸供電方式分為諧振式、感應(yīng)式和微波輻射式，此外還有電場耦合式、激光方式和超聲波方式[4]。將感應(yīng)式耦合電能傳輸系統(tǒng)（Inductive Coupled Power Transmission，ICPT）應(yīng)用在 AGV 中，避免了傳統(tǒng)移動供電帶來的弊端，這是由于ICPT 傳輸?shù)墓β蚀?。AGV 通常采用電磁導(dǎo)引、GPS 導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等導(dǎo)引/導(dǎo)航技術(shù)，在移動過程中不可避免地會偏離軌道，引起耦合系數(shù)和傳輸功率下降。針對這個問題奧克蘭大學(xué)提出采用正交拾取機構(gòu)，對磁芯的形狀、平衡線圈之間的功率輸出、提高傳輸功率等方面有豐富的研究成果[5-7]，但對耦合系數(shù)以及與功率之間的關(guān)系沒有深入研究。因此本文從耦合系數(shù)角度出發(fā)，找出耦合系數(shù)與輸出功率的關(guān)系，通過改善耦合系數(shù)，提高AGV 的橫向偏差的容忍度。

1 ICPT拾電器的電路模型分析

ICPT 拾電器通常采用 E 型和 U 型拾取機構(gòu)[8-9]，本文采用互感模型來分析松耦合變壓器，以E 型拾電器為例，如圖1所示。

圖1 E 型松耦合變壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of E-type loose coupling transformer

應(yīng)用于AGV 的無接觸供電系統(tǒng)屬于分布式長導(dǎo)軌系統(tǒng)，存在較大的漏感和分布電容。因此為了提高系統(tǒng)傳輸功率，降低系統(tǒng)的伏安容量，通常需要對原副邊補償，在原副邊串/并聯(lián)補償電容，補償電容與原副邊的自感構(gòu)成諧振回路[10]。本文原邊采用串聯(lián)補償，副邊采用并聯(lián)補償，由于線圈內(nèi)阻相對較小，為了計算方便，可以忽略，建立的ICPT 等效電路模型如圖2所示。

圖2 ICPT 系統(tǒng)拾電器等效電路型Fig.2 Equivalent circuit type of power pick-up in ICPT system

由圖2可得到原副邊回路方程：

則負載上的功率為：

式中：UP是正弦電壓源；IP，IS分別是導(dǎo)軌線圈和副邊線圈的電流；LP，LS分別是導(dǎo)軌線圈和副邊線圈的自感；M是導(dǎo)軌線圈和副邊線圈之間的互感；RL是負載電阻。

由式（3）可知，要使負載功率PL取得最大值，則1-ω2LPCP=0，即副邊線圈的自感LP與并聯(lián)補償電容CP發(fā)生諧振，則此時負載功率：

當(dāng)AGV 偏離軌道時，由于副邊線圈偏離中心磁場，松耦合變壓器的原副邊耦合性減弱，導(dǎo)致耦合系數(shù)k降低，因此向負載提供的功率會降低，影響AGV 的正常運行；當(dāng)AGV 偏離軌道時，需要改善耦合系數(shù)，向負載提供穩(wěn)定的功率。

2 松耦合變壓器耦合系數(shù)分析

耦合系數(shù)反映的是原副邊之間的耦合程度。傳統(tǒng)變壓器由于不存在氣隙，只存在少量的漏磁通，因此耦合系數(shù)比較高，近似為1。松耦合變壓器存在較大氣隙，原邊導(dǎo)軌產(chǎn)生的高頻磁通只有一部分與副邊線圈交鏈，如圖3所示。

圖3 松耦合變壓器磁場分布Fig.3 Magnetic field distribution of loose coupling transformer

通過圖3可以看出，松耦合變壓器漏磁通比較多，因此原副邊的耦合性差，耦合系數(shù)比較低。本文主要考慮拾電器在橫向偏離軌道時造成耦合系數(shù)下降問題。

原邊導(dǎo)軌在空間產(chǎn)生高頻磁場，位于原邊導(dǎo)軌上方的E 型拾電器，磁通的垂直分量進入磁芯與線圈交鏈；對于U 型拾電器，磁通的水平分量進入磁芯與線圈交鏈，這兩種拾電器的線圈結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于這兩種類型的拾電器都不能充分利用磁場，耦合系數(shù)均比較低，因此，需要充分利用磁場，減少漏磁，提高線圈和導(dǎo)軌之間的互感，即提高耦合系數(shù)。

圖4 E 型和U 型拾電器模型Fig.4 E-type and U-type coils of power pickup

根據(jù)E 型和U 型拾電器的線圈特點，將兩者線圈結(jié)合起來形成正交拾電器，即將U 型拾電器線圈繞在E 型拾電器中間的芯柱上，與E 型拾電器線圈垂直，如圖5所示。

圖5 正交拾電器模型Fig.5 Quadrature power pickup model

3 拾電器性能仿真分析

3.1 傳統(tǒng)拾電器性能分析

本文對傳統(tǒng)的E 型拾電器模型進行分析。傳統(tǒng)E型拾電器模型如圖1所示，原邊導(dǎo)軌用10 V，20 kHz 的正弦電壓源激勵，磁芯材料選擇普通的鐵氧體，相對磁導(dǎo)率為1 000，副邊繞組設(shè)定為13匝，負載大小設(shè)為10 Ω。

當(dāng)拾電器橫向偏移時，由于偏移的位置變化，通過繞組的互感磁通方向也會發(fā)生變化，因此為了便于分析，以導(dǎo)軌中心為零點，當(dāng)拾電器向兩邊偏移時，均對互感磁通取絕對值，避免了互感磁通因方向變化而產(chǎn)生正負變化，得到的耦合系數(shù)均為正數(shù)。

3.2 正交拾電器性能分析

E 型拾電器位于兩根電纜中間的時候，能夠充分利用電纜周圍磁場的垂直分量，處于最佳運行位置；而U型拾電器位于單根電纜正上方時，能夠充分利用電纜周圍磁場的水平分量，處于最佳運行位置。因此為了充分利用電纜周圍的磁場，考慮到E 型和U 型兩者的最佳運行位置，提出正交拾電器。

由于正交拾電器的副邊存在兩個線圈：水平線圈和垂直線圈，這兩個線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)形成一個繞組。本文采用并聯(lián)方式，兩個線圈經(jīng)過各自整流之后向負載供電，如圖6所示，負載上獲得的功率是水平線圈和垂直線圈的輸出功率之和。

式中：LV,LH分別是垂直線圈和水平線圈的自感；kV,LH分別是垂直線圈和水平線圈的耦合系數(shù)。當(dāng)LV和LH大小相同時，式（6）可以改寫為：

由于正交拾電器的水平線圈和垂直線圈并聯(lián)組成一個繞組，因此就整體而言，重新定義耦合系數(shù)k=

圖6 垂直線圈和水平線圈并聯(lián)Fig.6 Parallel connection of vertical coil and horizontal coil

正交拾電器的仿真參數(shù)與E 型拾電器仿真參數(shù)相同，只添加一個13 匝的水平線圈。與傳統(tǒng)E 型拾電器進行比較，可得到如圖7和圖8的耦合系數(shù)和負載功率。

圖7 耦合系數(shù)隨橫向偏移距離的變化曲線Fig.7 Variation of coupling coefficient with lateral deviation distance

圖8 負載功率隨橫向偏移距離的變化曲線Fig.8 Variation of load power with lateral deviation distance

由圖7和圖8可得：與傳統(tǒng)拾電器相比，在相同的橫向偏移距離下，正交拾電器的耦合系數(shù)大于傳統(tǒng)拾電器。這是由于傳統(tǒng)拾電器只能利用磁場的垂直分量，而正交拾電器可以利用磁場的水平和垂直分量，當(dāng)拾電器發(fā)生橫向偏移的時候，垂直線圈交鏈的磁場減弱，而水平線圈交鏈的磁場增強，正交拾電器比傳統(tǒng)拾電器多了一個水平補償分量。輸出功率與耦合系數(shù)圖形類似，驗證了理論分析的正確性。

4 實驗驗證

本文開發(fā)了一個拾電器，原邊和副邊線圈均采用1 200 股的Litz 線，系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters

本文采用JK2816C 通用高頻數(shù)字電橋測量原邊和副邊線圈的自感和互感，進而得到拾電器的耦合系數(shù)。在實驗過程中，設(shè)置每10 mm 為一個步長，實驗結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 耦合系數(shù)隨橫向偏移距離的變化曲線Fig.9 Variation of coupling coefficient with lateral migration distance

圖10 負載功率隨橫向偏移距離的變化曲線Fig.10 Variation of load power with lateral deviation distance

通過圖9、圖10可知，拾電器偏移過程中，耦合系數(shù)和負載功率變化趨勢與理論分析相同，由于實驗設(shè)備存在損耗，因此在數(shù)值上略有偏差。實驗結(jié)果證實了正交拾電器能夠增強橫向偏差容忍度，改善AGV 運行狀況。

5 結(jié) 論

本文重點對ICPT 系統(tǒng)的拾電器進行分析。從互感模型角度建立松耦合變壓器模型，找到耦合系數(shù)與輸出功率的關(guān)系，分析出拾電器偏離軌道時負載功率下降的原因。在理論分析的基礎(chǔ)上，提出采用正交拾電器。從耦合系數(shù)角度出發(fā)，重新對正交拾電器的耦合系數(shù)進行定義，并且通過仿真與實驗。結(jié)果證實正交拾電器可以提高橫向偏移距離，改善功率傳輸特性和運行穩(wěn)定性，這對于設(shè)計拾電器具有重要的參考價值。