白新雷,白佳航,馮 劍,張瑞芯

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心,石家莊 050035;2.國網(wǎng)天津檢修公司,天津 300130;3.國網(wǎng)河北省電力有限公司,石家莊 050021;4.華北電力大學(xué),河北 保定 071003)

移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)[1]接收側(cè)與發(fā)射側(cè)之間存在相對運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中接收側(cè)與發(fā)射側(cè)線圈之間相對位置會(huì)發(fā)生變化,極易導(dǎo)致系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)耦合系數(shù)波動(dòng)[2],進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率失穩(wěn)、效率過低,而無法滿足用電設(shè)備正常工作的要求。因此,合理設(shè)計(jì)發(fā)射線圈的尺寸參數(shù)與合理規(guī)劃發(fā)射線圈與接收線圈的相對位置就顯得尤為重要。由于受工作環(huán)境的要求,發(fā)射線圈與接收線圈有一定的距離,改變耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)相對較易實(shí)現(xiàn),所以對耦合機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)成為降低耦合系數(shù)波動(dòng)對系統(tǒng)傳輸性能不利影響的關(guān)鍵方法之一[3]。但對移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)電磁耦合機(jī)構(gòu)的研究大都集中在接收側(cè)接收線圈的設(shè)計(jì),對發(fā)射線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)研究較少。結(jié)合上述問題,以下對發(fā)射線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,將較為全面的研究不同發(fā)射線圈參數(shù)對耦合機(jī)構(gòu)耦合系數(shù)的影響。分析得出發(fā)射線圈相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)律,為移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)電磁耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射線圈設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 耦合機(jī)構(gòu)磁路分析

無線電能傳輸系統(tǒng)中耦合機(jī)構(gòu)的耦合程度較低,一般用松耦合變壓器的模型來替代分析[4]。在分析松耦合變壓器等效模型時(shí),不能忽略磁路中勵(lì)磁支路及漏感支路。由于耦合機(jī)構(gòu)之間距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致磁阻和漏磁都較大,當(dāng)忽略勵(lì)磁支路和漏感支路時(shí),模型誤差較大計(jì)算將失去意義[5]。圖1(a)為松耦合變壓器磁路示意,圖1(b)(c)為松耦合變壓器磁路等效示意。

圖1 松耦合變壓器磁路示意及等效電路

模型中設(shè)定原邊與副邊在材料及繞線匝數(shù)相同,則副邊電感L1與副邊電感的L2相等,耦合系數(shù)計(jì)算方法如式(1)

令副邊的繞組電流i2=0,此時(shí)圖1(b)可以化簡為圖1(c),其中Φm為原邊匝鏈副邊的主磁通,Φσ1為原邊的漏磁通。根據(jù)互感定義,它是原邊繞組產(chǎn)生的并且與副邊繞組相交鏈的磁鏈Φ21與原邊繞組電流i1的比值,

自感即為磁鏈和電流的比值,則圖1中自感計(jì)算為原邊磁鏈與原邊電流i1,

耦合系數(shù)可表示為:

由式(4)知,漏磁Φσ1的大小將直接影響耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù),漏磁Φσ1越大相應(yīng)的耦合系數(shù)將越小,因此在設(shè)計(jì)耦合機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意減小漏磁Φσ1。由圖1(c),分析的總磁通為

磁動(dòng)勢

耦合系數(shù)可表示為

式中:Rσ1為漏磁阻;Rm為匝鏈原副邊繞組磁路的總磁阻;Rc為磁心磁阻;Rσ為氣隙磁阻。

根據(jù)基本定義有,磁心磁阻Rc=Lc/μcSc,氣隙磁阻Rσ=Lσ/μ0Sσ。其中,Lc、Lσ分別為效磁心長度和氣隙長度;Sc、Sσ為磁心截面積和氣隙截面積;μc為磁心磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率,通常認(rèn)為μ0《μc。

Rσ+Rc的值決定了耦合變壓器的耦合程度,當(dāng)Rσ+Rc《Rσ1時(shí),此時(shí)磁通大部分都能匝鏈副邊漏磁較少,由式(7)得出此時(shí)耦合系數(shù)接近1。當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)的原邊與副邊之間距離較遠(yuǎn)時(shí),此時(shí)總磁路磁阻Rm與漏磁阻Rσ1將會(huì)相近,此時(shí)漏感就不可忽略。根據(jù)式(7),減小氣隙磁阻Rσ和增加漏磁阻Rσ1都是提高耦合系數(shù)的有效方法。

2 耦合機(jī)構(gòu)材料及磁心形狀的選擇

2.1 接收端磁心材料的選擇

磁心材料是影響磁心損耗的重要因素[6],所以在磁心材料的選擇上應(yīng)十分重視。硅鋼片、鐵氧體和非晶合金3種磁心材料在無線電能傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用最多,其中以鐵氧體居多,硅鋼片性能較差一般不考慮選用。雖然非晶合金性能參數(shù)是三者中最為優(yōu)秀的,但其價(jià)格較為昂貴。選擇性能較為折中的鐵氧體,以下分析中將采用6000導(dǎo)磁率的鐵氧體進(jìn)行分析。

2.2 耦合線圈線徑的選擇

耦合線圈的線徑選擇將會(huì)影響線圈在工作狀態(tài)下的交流電阻和集膚效應(yīng)[7]。線徑選擇不好將直接影響系統(tǒng)的傳輸功率及效率。線徑選擇要結(jié)合系統(tǒng)的工作頻率,以獲得自感值較為穩(wěn)定,交流電阻較小的特性。在選型時(shí),應(yīng)首先確定線圈所用導(dǎo)線的線徑,然后在通過相應(yīng)的查詢手冊查詢截面積、電阻和電流等參數(shù),最后根據(jù)系統(tǒng)導(dǎo)線需要流過電流的大小來確定勵(lì)磁線的股數(shù)。

2.3 磁心形狀選擇

耦合系數(shù)的大小與耦合機(jī)構(gòu)的幾何形狀、材料和相對位置等有直接關(guān)系。當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈的形狀、尺寸、材料等確定后,增加耦合系數(shù)最有效的辦法是減少漏磁,根據(jù)磁路分析,磁心可以影響磁場的分布狀態(tài),降低系統(tǒng)的漏磁,增大系統(tǒng)的耦合程度。所以磁心形狀成為改善耦合機(jī)構(gòu)耦合系數(shù)的關(guān)鍵因素。合理的磁心布局可使磁力線沿著磁心流動(dòng),形成閉合回路,既可以有效降低漏磁,又可以降低對周圍環(huán)境的電磁輻射強(qiáng)度,并且大大提高能量傳輸?shù)墓β屎托省Ｒ苿?dòng)式無線供電系數(shù)發(fā)展尚不成熟,迄今都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),磁心結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)仍在研究改善之中。目前移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)的基本常用磁心結(jié)構(gòu)有4種,分別為E型結(jié)構(gòu)、U 型結(jié)構(gòu)、L 型結(jié)構(gòu)和S型結(jié)構(gòu)[8]。根據(jù)已取得拾取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果,本文選取耦合系數(shù)較大的平板E型磁心。

3 耦合機(jī)構(gòu)仿真分析

3.1 發(fā)射線圈與接收線圈之間間距對耦合系數(shù)的影響

當(dāng)接收端參數(shù)不變時(shí),通過改變發(fā)射線圈與接收線圈之間間距,研究不同間距下對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度的影響。圖2為發(fā)射線圈與接收側(cè)間距示意。圖3所示為發(fā)射線圈與接收線圈間距變化時(shí)對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度影響關(guān)系示意。為了形成很好的對照,不改變結(jié)構(gòu)中其他參數(shù),仿真過程中接收側(cè)始終與發(fā)射線圈正向?qū)ΨQ,設(shè)定發(fā)射線圈的長度為2 000 mm。

圖2 發(fā)射線圈與接收側(cè)間距示意(單位:mm)

圖3 發(fā)射線圈與接收線圈間距變化時(shí)對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度影響關(guān)系示意

由圖3可知,接收側(cè)固定,隨著發(fā)射線圈與接收側(cè)之間間距越大耦合系數(shù)及互感越小。當(dāng)間距較大時(shí),耦合系數(shù)的變化率將會(huì)有所下降。耦合系數(shù)隨間距的增大而減小,可以根據(jù)耦合機(jī)構(gòu)磁路分析理論中,耦合機(jī)構(gòu)的原邊與副邊之間距離較遠(yuǎn),漏磁阻Rσ1和氣隙磁阻Rσ將會(huì)越大,根據(jù)式(7)可知耦合系數(shù)將會(huì)降低。當(dāng)間距增大時(shí),漏磁會(huì)越來越大,導(dǎo)致2個(gè)線圈之間的互感降低,耦合程度隨之下降。

根據(jù)上述分析結(jié)果,當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)耦合程度達(dá)不到移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)的要求時(shí),可以通過減小發(fā)射側(cè)與接收側(cè)之間的間距來增大耦合,但并非距離越小越對系統(tǒng)有利。從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā),發(fā)射側(cè)與接收側(cè)間距變小會(huì)影響接收側(cè)運(yùn)動(dòng)的靈活性。并且當(dāng)間距較小時(shí),間距較小的變化易引起耦合系數(shù)的較大波動(dòng),這對系統(tǒng)的穩(wěn)定有較大不利影響。所以選擇間距應(yīng)綜合考慮,當(dāng)滿足系統(tǒng)對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度的要求時(shí),應(yīng)盡量增加之間的間距。

3.2 發(fā)射線圈長度對耦合系數(shù)的影響

當(dāng)接收端參數(shù)不變時(shí),通過改變發(fā)射線圈長度,研究不同發(fā)射線圈長度對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度的影響。圖4發(fā)射線圈長度變化時(shí)對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度的影響關(guān)系示意。仿真過程中接收側(cè)始終處在發(fā)射線圈正向中心對稱位置,設(shè)定其縱向間距為15 mm。

圖4 發(fā)射線圈長度變化時(shí)對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度關(guān)系示意影響

由圖4可知,接收側(cè)固定不變,隨著發(fā)射線圈長度的增加耦合系數(shù)逐漸減小,發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感變化較為微小。由圖4可看出發(fā)射線圈長度達(dá)到一定長度后兩者之間的互感基本穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析結(jié)果,發(fā)射線圈的線圈長度不宜過長。發(fā)射線圈的長度對應(yīng)系統(tǒng)的供電范圍,在選擇發(fā)射線圈長度時(shí),應(yīng)權(quán)衡供電范圍和系統(tǒng)耦合系數(shù)之間的矛盾。

3.3 發(fā)射線圈寬度對耦合系數(shù)的影響

當(dāng)接收端參數(shù)不變時(shí),通過改變發(fā)射線圈寬度,研究不同發(fā)射線圈寬度下對耦合機(jī)構(gòu)耦合系數(shù)的影響。圖5 為接收線圈寬度示意。圖6所示為發(fā)射線圈寬度變化時(shí)對耦合機(jī)構(gòu)耦合程度的影響關(guān)系示意。為了形成很好的對照,不改變其他參數(shù),仿真過程中接收側(cè)始終處于發(fā)射線圈正向中心對稱,設(shè)定發(fā)射線圈的長度為2 000 mm,縱向間距15 mm。

圖5 發(fā)射線圈寬度示意(單位:mm)

由圖6可得,當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈中心寬度相同時(shí),耦合系數(shù)及互感較高;當(dāng)發(fā)射線圈寬度大于接收線圈寬度時(shí),隨著寬度的增加,耦合系數(shù)和互感逐漸降低;當(dāng)發(fā)射線圈寬度小于接收線圈寬度時(shí)隨著寬度的減小,耦合系數(shù)隨之逐漸降低。

根據(jù)上述的分析結(jié)果,在實(shí)際的工程應(yīng)用時(shí),發(fā)射線圈的中心寬度應(yīng)與接收線圈的中心寬度相同。當(dāng)接收側(cè)已確定時(shí),發(fā)射側(cè)線圈中心寬度應(yīng)和接收側(cè)相適應(yīng)。在接收側(cè)要根據(jù)發(fā)射側(cè)確定時(shí),對于發(fā)射側(cè)線圈寬度應(yīng)適中選擇,寬度越寬相應(yīng)的磁心的寬度也相應(yīng)增加,這會(huì)導(dǎo)致接收側(cè)設(shè)備體積過大,一般移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)的發(fā)射側(cè)取80 mm 左右。

4 結(jié)束語

通過仿真手段,研究了不同發(fā)射線圈的寬度、長度、與接收線圈之間間距對耦合機(jī)構(gòu)耦合系數(shù)的關(guān)系。發(fā)射線圈間距越小耦合系數(shù)越高;發(fā)射線圈寬度與接收線圈寬度相同時(shí),耦合系數(shù)最高;發(fā)射線圈越長耦合系數(shù)越低一系列設(shè)計(jì)規(guī)律。根據(jù)仿真分析得出的規(guī)律,可為發(fā)射線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。