無線充電式分揀機器人的磁耦合機構(gòu)設(shè)計*

黃文聰, 張鳳順, 朱禛浩, 常雨芳, 吳 鋒, 譚海東

(湖北工業(yè)大學(xué) 太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430068)

0 引 言

近年來,無線電能傳輸(wireless power transmission,WPT)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電動汽車、工業(yè)機器人、水下作業(yè)、植入式醫(yī)療器件等方面,大大改善了人們的生活質(zhì)量[1～4]。傳統(tǒng)的快遞分揀方式是通過人工進行分揀,經(jīng)過長時間工作之后,分揀的效率和準(zhǔn)確率都會大幅度降低。相比之下,分揀機器人是一種具備了物鏡、傳感器和電子光學(xué)系統(tǒng)的機器人,擁有更加高效、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點,從而節(jié)約了人力資源[5]。

目前,大部分的分揀機器人采用蓄電池進行供電,該種充電方式以接觸式充電為主,充電方式簡單常規(guī),但是接觸式充電存在接觸不良、易磨損、可靠性低和具有一定的安全隱患等缺點。WPT技術(shù)可以有效解決這一問題。WPT技術(shù)主要分為磁耦合諧振式、感應(yīng)式、微波式。其中,磁耦合諧振式WPT是通過相同諧振頻率的線圈之間發(fā)生共振,使得發(fā)射端線圈與接收端線圈之間發(fā)生強烈的能量交換,從而實現(xiàn)電能遠距離、高效率傳輸。因分揀機器人功率較小,并且長期處于移動工作狀態(tài)下,線圈位置偏移較大,所以，更適合采用磁耦合諧振式WPT對分揀機器人進行供電[6,7]。

針對如何提升WPT的效率，學(xué)者們已進行了大量的研究。文獻[8]分析了線圈的傳輸效率與偏移角度之間的關(guān)系,但沒有研究多線圈的偏移角度對WPT效率的影響。文獻[9]采用雙負載系統(tǒng)模擬同時對多個傳感器進行傳輸?shù)那闆r,研究偏移角度、最佳距離和雙負載無線電能傳輸系統(tǒng)功率、效率的變化規(guī)律,但沒有分析和研究“多對一”的磁耦合結(jié)構(gòu)對線圈之間傳輸效率的影響。文獻[10]分析了單發(fā)射線圈和三接收線圈耦合機構(gòu)橫向偏移、縱向偏移、激勵頻率對傳輸效率的影響,但沒有研究傳輸效率與傳輸距離的變化關(guān)系。文獻[11]通過磁耦合機構(gòu)的參數(shù)計算與電路分析詳細研究了電能的無線傳輸,但沒用通過磁場對耦合線圈電能的無線傳輸進行分析與研究。

對于多個發(fā)射端線圈,線圈與線圈之間角度的變化和距離的偏移,將對WPT系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。因此,本文基于S-S型電路拓撲結(jié)構(gòu),建立數(shù)學(xué)模型來分析影響傳輸效率的主要因素；使用COMSOL有限元仿真軟件對Halbach陣列線圈與平面圓形線圈進行仿真與分析；最后通過搭建試驗平臺來驗證所設(shè)計的磁耦合機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的傳輸效率和較強的橫向抗偏移能力。

1 WPT效率分析

基本的磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)由電源、整流電路、逆變電路、諧振補償、負載、磁耦合機構(gòu)部分組成。由低頻交流電源經(jīng)整流逆變電路,通過磁耦合諧振作用,將能量從發(fā)射端線圈傳遞到接收端線圈,再經(jīng)整流電路變換后對負載進行供電。本文重點對磁耦合諧振線圈進行研究和分析。

系統(tǒng)的諧振補償網(wǎng)絡(luò)采用S—S型電路拓撲結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)在發(fā)射端線圈發(fā)生串聯(lián)諧振,相比于并聯(lián)補償電路,發(fā)射端線圈能夠獲得較大的電流,從而產(chǎn)生較強的交變磁場,使接收端線圈獲得更多的能量。S—S型磁耦合機構(gòu)等效電路如圖1所示。

圖1 S—S型磁耦合機構(gòu)等效電路

圖1中,U1,I1,C1,R1,L1分別為一次側(cè)的輸入電壓、輸入電流、諧振補償電容、電感的等效電阻、線圈自感；I0,C2,R2,L2,RL分別為二次側(cè)的輸出電流、諧振補償電容、電感的等效電阻、線圈自感、負載電阻；M為一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的互感。

設(shè)ω0和ω分別為系統(tǒng)運行角頻率和諧振角頻率,且ω=2πf,則由圖1可知,一次側(cè)的等效總阻抗為

Z1=1/jω0C1+R1+jω0L1

(1)

二次側(cè)等效總阻抗為

Z0=1/jω0C2+R2+RL+jω0L2

(2)

根據(jù)互感耦合理論,系統(tǒng)狀態(tài)方程可表示為

(3)

當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)下時,有

(4)

由于R2遠小于RL和ωM,得到系統(tǒng)的效率η可以表示為

η=(ωM)2/[RLR1+(ωM)2]

(5)

互感M與整個線圈到的磁感應(yīng)強度B和整個線圈的面積S之間的關(guān)系為

M=N0BS/I0

(6)

式中N0為接收端線圈匝數(shù),因此系統(tǒng)的效率η也可以表示為

(7)

由式(7)可知,當(dāng)接收端線圈接收的磁通量Φ越多時,線圈之間的傳輸效率也隨之提高。

由上述分析可知：當(dāng)線圈在任意位置都接收到較大的磁感應(yīng)強度B時,系統(tǒng)具有較高的傳輸效率。因此,為了研究線圈之間的能量傳輸效率與抗偏移能力,構(gòu)建了具有上述特性的陣列線圈結(jié)構(gòu)。

2 WPT耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

Halbach陣列是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室Halbach K教授提出的,已經(jīng)成功應(yīng)用于粒子加速器、自由電子激光裝置、電機等領(lǐng)域。1998年,美國科學(xué)家Post R F等人設(shè)計出基于永磁Halbach陣列磁場的Inductrack電動懸浮系統(tǒng),利用Halbach陣列磁場一側(cè)增強,一側(cè)削弱的特性,可以為列車提供足夠懸浮力的同時大大減少對車載乘客的磁場輻射[12～14]。

利用Halbach陣列的該種特性,本文使用COMSOL仿真軟件設(shè)計直線型Halbach陣列線圈模型。直線型Halbach陣列如圖2所示,箭頭方向表示永磁鐵的磁場方向。陣列線圈XOZ面磁場分布云圖如圖3所示。

圖2 直線型Halbach陣列示意

圖3 直線型Halbach陣列線圈XOZ面磁場分布云圖

圖3中,下方為直線型Halbach陣列線圈組,上方為接收線圈和鐵氧體。當(dāng)仿真中給定的輸入電壓為220 V時,如圖3所示,所提出的直線型Halbach陣列線圈大大增加了接收端中間線圈的磁通密度,最大值達到4×104μT,趨勢隨著向兩邊移動而逐漸減弱。

為了增強該種陣列線圈的特性,對上述直線型Halbach陣列線圈進行優(yōu)化改進：截取對接收端線圈磁通密度最強的5個發(fā)射端線圈(即從左數(shù)第三個線圈至第七個線圈),并對第三個線圈和第四個線圈取相反的電流方向,構(gòu)成Halbach陣列線圈。這樣優(yōu)化的優(yōu)點是可以減少了線圈數(shù)量,節(jié)約了繞制線圈的材料,同時能更大程度增加接收端線圈的磁通量。

由于現(xiàn)階段WPT系統(tǒng)中的磁路機構(gòu)主要使用的是平面型圓形線圈,為了驗證Halbach陣列線圈能提高系統(tǒng)傳輸效率的優(yōu)點,所以與傳統(tǒng)的平面圓形線圈進行比較分析。為了控制線圈數(shù)量對系統(tǒng)傳輸效率的影響,選取與Halbach陣列線圈數(shù)量相同的線圈進行比較分析。

圓形線圈和Halbach陣列線圈的仿真模型圖分別如圖4(a)和圖4(b)所示,通入電流后所產(chǎn)生的磁感應(yīng)方向分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖4 兩種線圈仿真模型

圖5 兩種線圈磁感應(yīng)方向

仿真模型中,保持圓形線圈和Halbach陣列線圈的建模參數(shù)相同：線圈匝數(shù)為10匝,線圈個數(shù)為5個,線圈外半徑為4 cm,線圈內(nèi)半徑為2 cm,線圈邊間距為0.5 cm,輸入電流為1 A。Halbach陣列線圈的線圈中心間距為6.5 cm,圓形線圈的線圈中心間距為8.5 cm。

接收端線圈外半徑為12 cm,內(nèi)半徑為10 cm,線圈匝數(shù)為10匝,鐵氧體與接收端線圈間距為0.2 cm。在無線充電系統(tǒng)中,當(dāng)耦合距離不斷增加時,系統(tǒng)的傳輸效率將降低。為了保證接收端線圈與發(fā)射端線圈的間距,選取耦合距離為4 cm作為以下仿真數(shù)據(jù)。

3 耦合線圈結(jié)構(gòu)的仿真分析

按照上述仿真參數(shù)對耦合結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,利用COMSOL仿真軟件對所設(shè)計的模型進行仿真分析,聯(lián)合COMSOL內(nèi)置接口將所設(shè)計的S—S型電路接入耦合結(jié)構(gòu)中。

3.1 Halbach陣列線圈與圓形線圈磁場分布對比分析

線圈磁力線的疏密程度可以反映磁感應(yīng)強度的大小。在保持線圈規(guī)格、匝數(shù)、輸入電流相同的情況下,通過COMSOL仿真分析,在XOZ面和YOZ面截取圓形截面,兩種線圈添加鐵氧體和不添加鐵氧體的磁力線分布如圖6和圖7所示。

圖6 XOZ面和YOZ面兩種線圈不加鐵氧體的磁力線分布

圖7 XOZ面和YOZ面兩種線圈加鐵氧體的磁力線分布

圖6為在圖4模型圖下XOZ面和YOZ面的磁力線分布圖。Halbach陣列線圈在空間中的磁感應(yīng)強度整體最大,有利于能量的傳輸,但同時會產(chǎn)生一定的漏磁。所以，選擇和接收端線圈吻合尺寸的鐵氧體作為磁芯材料添加到接收端線圈上方。與圖6進行對比,可以看出圖7添加磁芯后,接收端與發(fā)射端之間的磁感應(yīng)強度增加,接收端線圈上方的磁感應(yīng)強度減小,說明磁芯具有增大能量傳輸能力、屏蔽磁力線及減小漏磁的作用。另外,添加磁芯后,Halbach線圈與接收端線圈的磁感應(yīng)強度仍然高于圓形線圈,且磁芯的屏蔽效果更佳。

相比于發(fā)射端采用圓形線圈結(jié)構(gòu),Halbach陣列線圈結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強度,在相同傳輸距離的條件下可以使WPT系統(tǒng)達到更高的傳輸效率,有利于系統(tǒng)在橫向偏移條件下仍維持較高的耦合水平,從而增強系統(tǒng)在正對以及偏移情況下的功率傳輸能力。

3.2 Halbach陣列線圈與圓形線圈三維截線的磁通密度模對比分析

磁耦合機構(gòu)在正對條件下,發(fā)射端線圈產(chǎn)生的主磁通向上穿過接收端線圈,此時接收端線圈接收的磁通量最多。隨著接收端線圈的偏移,接收端線圈接收的磁通量逐漸減少。圖8(a)和圖8(b)分別為XOZ面和YOZ面發(fā)射端線圈正上方截線的磁通密度模?？梢?Halbach陣列線圈大大增強了正上方中心的磁場強度。耦合結(jié)構(gòu)正對時,能量大部分通過Halbach陣列線圈傳輸給接收端線圈,并給整個接收端電路供電,因此接收端電流較大,接收端線圈產(chǎn)生的磁場也更強。由于最開始Halbach陣列線圈的前兩個線圈之間產(chǎn)生了少部分的磁抵消,所以最開始磁通密度模數(shù)值呈下降趨勢,且由于相鄰發(fā)射端線圈的電磁影響,所示圖中磁通密度出現(xiàn)一定的波峰。圓形線圈的磁通密度模數(shù)值遠低于Halbach陣列線圈,添加鐵氧體后,Halbach陣列線圈的特性更為明顯。

圖8 XOZ面和YOZ面三維截線磁通密度模

3.3 Halbach陣列線圈與圓形線圈對應(yīng)的接收端線圈磁通量對比

接收端線圈的磁通量如圖9(a)所示,隨著接收端線圈橫向移動,接收端線圈接收的磁通量逐漸增加,達到最大值后緩慢減小。Halbach陣列線圈所對應(yīng)的接收端線圈接收到的磁通量多于圓形線圈所對應(yīng)的接收端線圈。

圖9 接收端線圈磁通量和線圈電壓

由第1節(jié)數(shù)學(xué)模型的建立可知,當(dāng)接收端線圈接收的磁通量越大時,線圈的傳輸效率就越高。同時,當(dāng)線圈在任意位置都能接收到較大的磁感應(yīng)強度時,線圈具有較高的傳輸效率。

3.4 Halbach陣列線圈與圓形線圈對應(yīng)的接收端線圈電壓對比分析

磁耦合機構(gòu)偏移對接收端負載電壓的影響如圖9(b)所示,隨著接收端線圈橫向的移動,接收端電壓開始增加,逐漸達到最大值后緩慢減小。Halbach陣列線圈的接收端電壓高于圓形線圈,最大電壓值提升了14 %,且添加鐵氧體后效果更加明顯。

4 試驗平臺搭建

為了驗證所提出的Halbach陣列線圈結(jié)構(gòu)的特性,搭建了小功率無線充電試驗平臺,其輸入電壓為15 V,負載為10 Ω。其中每兩個線圈中心點的間距為6 cm,線圈匝數(shù)為15匝。圓形線圈的匝數(shù)和長寬規(guī)格與Halbach線圈保持一致,試驗平臺如圖10所示。

圖10 Halbach陣列線圈系統(tǒng)試驗平臺

接收線圈的外徑和內(nèi)徑分別為4 cm和1.5 cm,發(fā)射端線圈與接收端線圈的垂直距離為0.3 cm。發(fā)射端電路逆變器頻率為67.4 kHz。試驗主要參數(shù)如下：L1為65.28 μH,C1為100 nF,L2為23.59 μH,C2為330 nF,R為10 Ω。

Halbach陣列線圈電壓波形圖如圖11所示,電壓幅值Us為12.4 V。可以看出,Halbach陣列線圈電壓波形比較穩(wěn)定,諧振電壓的波形畸變較少。

圖11 Halbach陣列線圈電壓波形

橫向偏移傳輸效率試驗測量值如圖12所示,可以看出接收線圈在發(fā)生橫向偏移后,Halbach陣列線圈加上鐵氧體后的系統(tǒng)效率變化幅度較小且數(shù)值最高,傳輸效率達到86.3 %,證明了Halbach陣列線圈能提高系統(tǒng)的傳輸效率。同時,試驗結(jié)果也驗證了Halbach陣列線圈具有更強的橫向抗偏移能力。

圖12 橫向偏移傳輸效率試驗測量值

5 結(jié) 論

針對無線充電式分揀機器人電能傳輸系統(tǒng),本文提出了一種Halbach陣列線圈磁耦合機構(gòu),并基于COMSOL有限元仿真對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,通過仿真和試驗測試論證了方案的優(yōu)越性。結(jié)果顯示本文所設(shè)計的Halbach陣列線圈由于擺放方式,與接收端線圈耦合更多的線圈,輸入電流的方向不同改變了磁感應(yīng)方向,較大幅度提升了系統(tǒng)的傳輸效率,同時也具有更強的橫向抗偏移能力。