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

摘要：

設計了發(fā)射線圈平面纏繞和發(fā)射線圈豎直纏繞這兩種不同的耦合結(jié)構(gòu)，通過分析選擇了一種傳輸功率大的耦合機構(gòu)，并研究了這種耦合機構(gòu)在接收線圈沿軌道運動時非接觸電能傳輸?shù)钠椒€(wěn)性狀況。借用ANSYS有限元仿真工具，得到這兩種耦合結(jié)構(gòu)耦合線圈的自感及互感，再仿真這種耦合機構(gòu)沿軌道相對運動時傳輸功率的變化情況。實驗中制作了這兩種耦合機構(gòu)，最后選用了一種傳輸能力強的耦合機構(gòu)，使其沿軌道水平運動，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠保持良好的平穩(wěn)性。

0 引言

感應耦合式非接觸電能傳輸(Inductive Contactless Power Transfer，ICPT)是一種電源與負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用前景，比如應用在電動汽車的無線充電以及在一些起重運輸?shù)脑O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)

本文以起重運輸設備為背景，為了便于對比，設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。工字鋼相對磁導率μ為4 000，電阻率為20×10-8Ω/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所示耦合線圈感應電動勢的實部，同理，還可得到耦合線圈感應電動勢的虛部及負載電壓。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電動勢及負載電壓。根據(jù)第2部分的理論推導，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：s2≈4.32 nF。由于串聯(lián)補償電容的影響，導致接收側(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=

4.2 耦合機構(gòu)2沿軌道水平運動時測互感的實驗

當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。