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        無線充電系統(tǒng)磁環(huán)條幅型磁耦合機構研究與優(yōu)化

        2022-07-21 07:10:08程志遠李崢吳龍飛陳坤隋立程
        電氣傳動 2022年14期
        關鍵詞:磁條條幅磁芯

        程志遠,李崢,吳龍飛,陳坤,隋立程

        (上海電力大學電氣工程學院,上海 200090)

        無線電能傳輸技術因采用非物理接觸傳能方式,有效解決了插拔式充電磨損問題,避免了電氣直接接觸,故其具有安全性高、環(huán)境適應性強等優(yōu)勢,將有望成為解決水下傳能等問題最為有效的手段[1-4]。然而,常規(guī)機器人無線充電系統(tǒng)副邊多采用方形、圓形等實體磁芯結構[5-6],增加了機器人負重,降低了機動性,因此本文提出一種新型磁芯結構,即磁環(huán)條幅型磁芯結構,該結構有效降低機器人負重的同時,增加了其靈活性與續(xù)航能力。

        無線充電系統(tǒng)基本結構如圖1 所示,系統(tǒng)基本原理為:直流母線電壓經逆變電路產生高頻交流電,通過諧振網絡由松耦合變壓器(loosely coupled transformer,LCT)將能量傳遞至副邊,最后經由諧振補償網絡及高頻整流環(huán)節(jié)實現(xiàn)負載供能。

        圖1 系統(tǒng)基本結構框圖Fig.1 System basic structure diagram

        目前,已有較多學者針對LCT 進行了研究。文獻[7]驗證了方形磁芯對傳能區(qū)域磁場具有良好約束效果,但方形實體磁芯增加了機器人自身載重負擔;文獻[8]在對平板磁芯磁路分析的基礎上提出條幅型磁芯結構,驗證了條幅型磁芯結構可用性,但對新結構其他性能并未展開描述;文獻[9]提出一種分組串繞線圈加凹凸磁芯的復合結構,提升了系統(tǒng)偏移容忍度,但僅通過仿真分析未經過實驗驗證;文獻[10]對條幅磁芯中磁條與圓環(huán)線圈位置關系以及線圈占比進行分析,并搭建實驗平臺驗證其有效性,有關磁條數量對系統(tǒng)相關參數影響描述較少。以上文獻雖對不同磁芯結構進行了一定程度研究,但有關磁環(huán)與條幅磁芯組合結構研究較少,因此本文圍繞副邊磁環(huán)條幅磁芯結構,結合系統(tǒng)耦合系數、輸出功率等參數展開研究。

        本文首先基于S-S補償結構對系統(tǒng)參數做簡要分析并建立輸出功率與效率表達式,在此基礎上引入效能積作為衡量系統(tǒng)綜合效能參數,結合系統(tǒng)耦合特性分析,最后以仿真加實驗的方式驗證本文提出的最優(yōu)磁條配比。

        1 系統(tǒng)參數分析

        1.1 常規(guī)參數分析

        圖2為基于磁環(huán)條幅型磁耦合機構的無線充電系統(tǒng)拓撲結構圖。圖中,E 為直流輸入電源;S1,S2,S3,S4為高頻逆變電路開關管;Cp,Cs為兩側串聯(lián)補償電容;Lp,Ls為原、副邊線圈自感;M為原、副邊互感;D1,D2,D3,D4為整流回路開關管;Cf為濾波電容;Req為阻性負載。

        圖2 系統(tǒng)拓撲結構圖Fig.2 System topology diagram

        基于圖2電路拓撲結構可得系統(tǒng)等效電路如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 System equivalent circuit diagram

        通過上述表達式可知,互感系數、系統(tǒng)頻率與原、副邊線圈電阻均影響著輸出功率及傳輸效率大小。

        1.2 綜合能效指標引入

        文獻[13]提出當原邊采用串聯(lián)補償結構,系統(tǒng)輸出功率最大時傳輸效率僅為50%,即輸出功率增長與效率提升之間非單一遞增關系。

        基于以上問題考慮,為更好衡量系統(tǒng)綜合能效特性,文獻[14]提出把效能積作為系統(tǒng)綜合評價指標,并通過仿真實驗驗證其優(yōu)越性。因此,本文引入效能積λ作為衡量系統(tǒng)性能參數,表達式如下:

        結合式(5)~式(7)可得最大輸出功率及效能積表達式如下:

        1.3 耦合特性分析

        當平面螺紋線圈兩側放置磁芯時,因磁芯材料磁導率的不同,使得原、副邊磁場分布發(fā)生改變,LCT耦合特性得以增強,但線圈兩側介質的改變對系統(tǒng)互感系數影響非單一線性變化,加入磁芯后互感變化關系如下所示[15]:

        式中:Mair為空氣介質下兩線圈互感;ΔMps為兩側介質引起互感變化量;np,ns為原副邊線圈匝數;Rmp,Rms為線圈單匝半徑;l為偏移距離;dps為線圈垂直間距;dp,ds為匝中電流與兩側介質間距;?p,?s為包含磁芯電導率σ、相對磁導率μ0及磁芯厚度t的等效表達式。

        結合式(10)~式(14)可知,在線圈自身參數給定情況下,互感與磁條n、線圈氣隙d及偏移距離l相關,則式(10)可表述為

        f(n,d,l)=Mair+ ΔMps(15)

        因此,系統(tǒng)輸出功率及效能積同樣隨磁條數量n、線圈氣隙d及偏移距離l相關,具體變化趨勢將在下文進行介紹。

        2 仿真分析

        2.1 磁芯結構優(yōu)化

        本文建立仿真模型如圖4,仿真模型參數如表1所示。

        表1 仿真模型參數Tab.1 Simulation model parameters

        常規(guī)條幅磁芯結構如圖4a 所示,與圖4c 所示機器人常規(guī)磁芯相比雖有效減少機器人載重,但較之系統(tǒng)耦合程度有所削弱,在一定程度上限制了無線充電系統(tǒng)傳輸效率與功率的提升,影響機器人供能效果。

        圖4 磁芯結構圖Fig.4 Magnetic core structure diagram

        為改善上述問題,基于副邊條幅磁芯尺寸,本文選擇在副邊添加磁環(huán)磁芯,如圖4b 所示,添加磁環(huán)前后磁密變化如圖5 所示,對比圖中標識區(qū)域,磁密分布顯著增強,有效增加LCT 聚磁能力,相比無磁環(huán)條幅型磁芯結構,添加磁環(huán)后耦合系數由0.51 提升至0.58。因此,副邊磁環(huán)條幅型磁芯結構具有更優(yōu)的傳能效果。

        圖5 磁密對比圖Fig.5 Magnetic density comparision diagram

        2.2 磁條配比尋優(yōu)

        圖6 所示為輸出功率、磁耦合系數與效能積隨磁條數量變化趨勢曲線。當磁條數量增加時,耦合系數k、輸出功率均呈上升趨勢,磁條數量在3~7 條區(qū)間內增長較快,但超過7 條后均呈現(xiàn)變緩趨勢,最終k值達到0.595,輸出功率達到最大值。對于系統(tǒng)綜合效能指標(效能積)而言,呈現(xiàn)先上升后下降趨勢,當磁條數量為7時,曲線上升至頂點,接近0.6,之后呈緩慢下降趨勢。

        圖6 系統(tǒng)參數變化圖(仿真)Fig.6 System parameter change diagram(simulation)

        本文以效能積作為評價系統(tǒng)綜合性能的主要參數,在7條磁條時效能積達到最大值,之后隨磁條數量增加耦合系數與輸出功率漲幅變緩,因此選擇7條磁條作為最優(yōu)磁條配比。為驗證最優(yōu)結果可行性,本文選擇將最大輸出功率下11條磁條和平板磁芯與最優(yōu)7 條磁條比較總結,結果如表2所示。

        表2 綜合參數比較Tab.2 Comprehensive parameter comparision

        如表2 所示,相比于最優(yōu)磁條,11 條磁條輸出功率達到最大值但增幅僅6.6%,且二者效能積基本持平,但系統(tǒng)載重增加超過50%,整體效能提升欠佳,綜合考慮7 條配比更優(yōu)。同時與常規(guī)機器人平板磁芯結構相比,后者功率提升10%,且耦合系數得到明顯提升,但重量卻是7 條配比時6倍之多,增加了因自重產生的消耗,影響續(xù)航能力及其機動靈活性,系統(tǒng)供能的提升與隨之增加的系統(tǒng)自身負重存在較大差距。綜合考慮,與常規(guī)機器人磁芯相比,在供能損失較小范圍內7條配比時條幅磁芯仍具有較大優(yōu)越性。

        為多方面體現(xiàn)7條磁條優(yōu)越性,本文對7條與11 條磁條展開系統(tǒng)偏移特性分析,如圖7 所示。當橫向距離由0增至7 cm,相應耦合系數從0.6降至0.1;當縱向偏移距離由2 cm 增至7 cm,相應耦合系數從0.75 降至0.2 附近。在橫向與縱向偏移變化過程中,二者變化趨勢一致且近似重合,7條磁條展現(xiàn)出與最大輸出功率11 條磁條相似的抗偏移特性。

        圖7 偏移特性對比圖(仿真)Fig.7 Offset characteristic comparision diagram(simulation)

        3 實驗驗證

        為了驗證所提出的磁環(huán)條幅型磁芯結構存在最佳磁條數量配比可行性及上述理論正確性,搭建了如圖8 所示無線充電裝置實驗平臺。圖9為實驗所采用部分條幅磁芯結構,以及實驗室機器人實物與采用的平板磁芯結構。

        圖8 無線充電裝置實驗平臺Fig.8 Wireless charging device expermental platform

        圖9 不同磁條配比下副邊條幅磁芯結構Fig.9 Secondary banner magnetic core structure with different magnetic strip ratio

        通過實驗平臺給出無線充電系統(tǒng)耦合系數k與輸出功率隨磁條數量變化曲線,如圖10 所示。由圖10 可知,耦合系數隨磁條變化至6 條前上升速度較快,7 條后趨勢變緩,至11 條時到達最大值;輸出功率在7 條前曲線雖有曲折但整體呈上升趨勢且上升較快,7~11條則趨勢接近平穩(wěn)。圖10 中曲線與圖6 中仿真所得曲線變化趨勢近似,與仿真所得結論基本吻合。

        圖10 系統(tǒng)參數變化曲線(實驗)Fig.10 System parameter change diagram(experiment)

        功率偏移特性對比如圖11 所示。當縱向偏移距離從2 cm 增至6 cm,縱向7、縱向11 變化趨勢一致且基本貼合,功率呈快速下降趨勢,最終降至100 W 以下;當橫向偏移距離在1~7 cm 之間,二者曲線存在較小差距,且隨著距離繼續(xù)增加,曲線相交趨向重合。因此,7 條磁條擁有與11 條磁條近似偏移特性。綜合考慮,二者效能積相同的前提下,輸出功率相差較小,且具有相似抗偏移特性,但11 條磁條時系統(tǒng)負重增加50%,因此,7條磁條配比為系統(tǒng)最佳磁條配比。

        圖11 功率偏移特性對比圖(實驗)Fig.11 Offset characteristic comparision diagram(experiment)

        圖12 所示為采用最佳磁條配比7 條時,在阻性負載下副邊輸出電壓、電流及副邊整流橋輸入電壓波形,但因系統(tǒng)諧振參數實際匹配值與理論計算值未能完全一致以及系統(tǒng)雜散參數存在使得波形有一定尖峰與毛刺。

        圖12 副邊電壓、電流輸出曲線Fig.12 Secondary voltage and current output curves

        4 結論

        本文將無線電能傳輸技術應用到機器人充電系統(tǒng)中,同時為降低機器人負重,進而提升機器人機動性與續(xù)航能力,提出了一種新型副邊磁環(huán)條幅型LCT 結構。為了驗證理論分析的正確性,本文針對3~11 條磁環(huán)條幅型磁芯結構展開對比分析,結果表明,在綜合輸出功率、效能積及系統(tǒng)負重綜合參數條件下,該磁芯結構最佳磁條配比為7 條,相比于其他磁條配比數,具有較高的效能積,約為0.59,且輸出功率與11 條配比時相當。電磁仿真結果表明,7 條磁環(huán)條幅型結構相比于無磁環(huán)條幅型結構,平均磁密顯著增強,減少漏磁,進而使耦合系數由0.51 提升至0.58。仿真與實驗結果一致,具有一定的理論與工程應用價值。

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