文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173798
中文引用格式: 楊杰,,陳希有,,李冠林,等. 耦合機構(gòu)沿軌道相對運動時系統(tǒng)的平穩(wěn)性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(8):138-142.
英文引用格式: Yang Jie,Chen Xiyou,,Li Guanlin,,et al. Study on the smoothness of coupled mechanism along the track relative motion[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(8):138-142.
0 引言
感應(yīng)耦合式非接觸電能傳輸(Inductive Contactless Power Transfer,,ICPT)是一種電源與負(fù)載之間沒有直接的電氣接觸能量傳輸方式,不會產(chǎn)生電火花,,避免了導(dǎo)線拖拽帶來的不便,,減少了有線供電存在的安全隱患[1]。因此,,ICPT在一些特殊的場合下有著廣泛的應(yīng)用前景,,比如應(yīng)用在電動汽車的無線充電以及在一些起重運輸?shù)脑O(shè)備上[2-4],。
針對ICPT的耦合機構(gòu),國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對此進行專門的研究,。以新西蘭BOY T教授為首的課題組提出了一種E型耦合結(jié)構(gòu),,這種耦合結(jié)構(gòu)的初次級線圈耦合緊密、效率高,、傳輸功率大[5-6],。文獻[7]針對電動汽車無線充電,為使耦合機構(gòu)提供一個較大的充電區(qū)域,,設(shè)計了一種DLDD(Double Layer Double D-type)形式的耦合線圈,。文獻[8]中又提出一種新型的耦合結(jié)構(gòu)——H型結(jié)構(gòu),該機構(gòu)具有效率高,、橫向位移范圍大和質(zhì)量輕等特點,。以上文獻中均未對耦合機構(gòu)沿軌道相對運動時,ICPT系統(tǒng)的平穩(wěn)性進行研究,。
本文利用ANSYS有限元軟件并設(shè)計了實驗,,最后得出在耦合機構(gòu)沿軌道相對運動時,ICPT系統(tǒng)能夠保持良好的平穩(wěn)性的結(jié)論,。
1 沿軌道相對運動的耦合結(jié)構(gòu)
本文以起重運輸設(shè)備為背景,,為了便于對比,設(shè)計并制作了兩種耦合結(jié)構(gòu)沿軌道相對運動的ICPT系統(tǒng),,如圖1所示,在后文分別稱為耦合機構(gòu)1和耦合機構(gòu)2,,它們的幾何參數(shù)如圖2所示,。兩者主要區(qū)別是,耦合機構(gòu)1的發(fā)射線圈是水平纏繞,,而耦合機構(gòu)2的發(fā)射線圈是豎直纏繞,。其支撐框架均為木材和有機玻璃框架,發(fā)射線圈固定在起承重作用的工字鋼梁上,,接收線圈與其他所有接收裝置沿工字鋼橫梁做水平直線運動,。因而,發(fā)射線圈與接收線圈存在長距離的相對運動,。
2 理論分析
2.1 耦合線圈參數(shù)的理論分析
基于ANSYS有限元仿真得到的結(jié)果,,通過ICPT系統(tǒng)的等效電路模型分析可得到耦合線圈的自感及互感。圖1中所表示的沿軌道相對運動耦合結(jié)構(gòu)的等效電路圖如圖3所示,。
式(2)是一個復(fù)數(shù)方程組,,根據(jù)互感線圈二端口輸入、輸出能量守恒,,可推出式(2)中只有3個實數(shù)方程線性無關(guān),。因此式(2)中Lp,、Ls和M有唯一解。
2.2 非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率
本文采用LC/S網(wǎng)絡(luò)補償方式,,其補償電路圖如圖4所示,,將接收端等效到發(fā)射端,再將發(fā)射端電路用諾頓電路等效,,其等效電路圖如圖5所示,,Zeq為接收端等效到發(fā)射端的等效阻抗。
其諾頓等效源為:
將圖4中接收側(cè)回路用受控源回路等效,,如圖6所示,。
接收側(cè)回路滿足:
因此,ICPT系統(tǒng)的傳輸功率為:
3 耦合機構(gòu)的仿真結(jié)果
本文使用通用電磁場仿真工具ANSYS有限元軟件,,對上述這兩種耦合機構(gòu)進行仿真,。設(shè)定耦合機構(gòu)中發(fā)射線圈距工字鋼距離d=20 cm,電源電壓Us=351 V,,負(fù)載電阻RL=68 Ω,,仿真中所用到的電氣參數(shù)如表1所示。工字鋼相對磁導(dǎo)率μ為4 000,,電阻率為20×10-8 Ω/m,。
3.1 兩種耦合機構(gòu)傳輸能力的比較
利用耦合線圈與工字鋼結(jié)構(gòu)對稱特點,采用其二分之一結(jié)構(gòu)模型,。借用ANSYS有限元仿真軟件,,得到如圖7所示耦合線圈感應(yīng)電動勢的實部,同理,,還可得到耦合線圈感應(yīng)電動勢的虛部及負(fù)載電壓,。圖7是耦合機構(gòu)1接收線圈處于中間的位置。
因此,,通過ANSYS有限元仿真可得出發(fā)射線圈和接收線圈的感應(yīng)電動勢及負(fù)載電壓,。根據(jù)第2部分的理論推導(dǎo),可得耦合機構(gòu)線圈的自感和互感如表2所示,。
由表2可知,,耦合機構(gòu)1的M1/Lp1=0.4,耦合機構(gòu)2的M2/Lp2=1.1,,而系統(tǒng)的傳輸功率正比于M與Lp比值的平方,,即耦合機構(gòu)2比耦合機構(gòu)1的傳輸能力強,因此,,下面將對耦合機構(gòu)2沿軌道相對運動進行ICPT的平穩(wěn)性研究,。
3.2 耦合機構(gòu)2沿軌道相對運動
下面研究耦合機構(gòu)2沿軌道相對運動時,ICPT功率的變化情況,。分為以下3種情況:(1)接收線圈相對于發(fā)射線圈沿水平方向運動,;(2)接收線圈相對于發(fā)射線圈在豎直方向上有偏離,;(3)接收線圈在發(fā)射線圈內(nèi)前后側(cè)方向上有偏離。
為了消除系統(tǒng)的無功損耗,,減小回路阻抗,,需要在接收回路中串聯(lián)補償電容。耦合機構(gòu)2中接收線圈的自感Ls2=667.848 μH,,根據(jù)串聯(lián)諧振公式:,,得Cs2≈4.32 nF。由于串聯(lián)補償電容的影響,,導(dǎo)致接收側(cè)回路中的交流電流i2的變化很大,,這樣工字鋼會反過來影響耦合線圈的自感,因此根據(jù)Ls2=667.848 μH計算出來的串聯(lián)諧振電容Cs2≈4.32 nF并不是最佳的補償電容值,??蓮膬?yōu)化方法的思想,根據(jù)仿真尋找出串聯(lián)補償電容的最優(yōu)值,,其結(jié)果如表3所示,。
由表3可知,接收回路中串聯(lián)補償電容的大小近似為4.65 nF,,而實驗中串聯(lián)補償電容選為4.7 nF,,因此仿真中選用接收回路的串聯(lián)補償電容為4.7 nF。
3.2.1 接收線圈相對于發(fā)射線圈沿水平方向運動
下面仿真耦合機構(gòu)2的接收線圈沿水平方向運動時ICPT系統(tǒng)的平穩(wěn)性情況,。記發(fā)射線圈的中心位置為原點O,,以接收線圈在水平方向上的運動軌跡定為x軸,分別對接收線圈的中心位于x=±105 cm,、±75 cm,、±45 cm、±15 cm這8個位置仿真,,得到耦合機構(gòu)2系統(tǒng)的傳輸功率隨水平位置的變化曲線如圖8所示,其中系統(tǒng)的傳輸功率的相對變化量在2%之內(nèi),。
3.2.2 接收線圈相對發(fā)射線圈在豎直方向上有偏離
接收線圈相對于發(fā)射線圈在豎直方向上有偏離的情況下,,仿真耦合機構(gòu)2系統(tǒng)的傳輸功率的變化情況。其相對偏離量是在接收線圈的自身高度±10%內(nèi),,圖9是其傳輸功率隨偏離量的變化曲線,,其中傳輸功率相對于無偏離時最大的相對變化量均不大于5%。
3.2.3 接收線圈在發(fā)射線圈內(nèi)前后側(cè)方向上有偏離
接收線圈在發(fā)射線圈內(nèi)前后側(cè)有偏離的情況下,,仿真系統(tǒng)的傳輸功率的變化情況,。其相對偏離量是耦合線圈之間空隙的±20%內(nèi),圖10是其傳輸功率隨偏離量的變化曲線,。其中系統(tǒng)的傳輸功率相對于無偏離時的相對變化量均不大于2%,。
從圖8~圖10的仿真結(jié)果可知,,耦合機構(gòu)2沿軌道相對運動時,ICPT系統(tǒng)傳輸功率的波動范圍均在5%之內(nèi),,說明這種耦合機構(gòu)在傳輸電能的過程中能夠保持良好的平穩(wěn)性,。
4 實驗結(jié)果
4.1 耦合線圈中自感和互感的測量
圖11是實驗中搭建的兩種耦合機構(gòu)的實驗平臺,左圖是耦合機構(gòu)1實驗裝置,,右圖是耦合機構(gòu)2實驗裝置,。在接收線圈處于發(fā)射線圈的中間位置,實驗測得這兩種耦合機構(gòu)的自感和互感如表4所示,。
將表2中的仿真值與表4中的實驗值對比,,根據(jù)誤差計算公式:誤差=可知,仿真與實驗測量的偏差在9%之內(nèi),。
4.2 耦合機構(gòu)2沿軌道水平運動時測互感的實驗
當(dāng)接收線圈沿軌道水平運動時,,利用PA2000mini功率測試儀對ICPT系統(tǒng)進行測試。按照3.2.1小節(jié)中8個位置的傳輸功率進行測量,,得到的結(jié)果如圖12所示,,其中傳輸功率的最大波動在6%之內(nèi)。圖13是接收線圈運動到某一位置時的測量結(jié)果,,圖中星號標(biāo)記點處系統(tǒng)的輸出功率為2.073 kW,。
實驗結(jié)果表明,由實驗測量到的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)存在一定的誤差,,但數(shù)據(jù)相差不大,,并且變化趨勢基本保持一致,主要原因是在仿真過程中,,耦合結(jié)構(gòu)的建模采用了簡化的模型,。
5 結(jié)論
借用ANSYS電磁場仿真軟件分析了耦合機構(gòu)沿軌道相對運動時,ICPT系統(tǒng)能夠保持良好的平穩(wěn)性,,并通過實驗驗證了該結(jié)論,。通過理論分析和實驗分析發(fā)現(xiàn),工字鋼對耦合線圈的自感確實存在一定的影響,,使得在接收回路中串聯(lián)補償電容的理論計算值和實驗值存在一定的差異,,而利用ANSYS電磁場仿真軟件能夠很好地解決這一問題。
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作者信息:
楊 杰,,陳希有,,李冠林,吳茂鵬
(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院,,遼寧 大連116024)