变电站巡检机器人无线电能传输系统的研究

马腾 刘志龙 陈波 闫俊峰

摘 要：变电站巡检机器人无线电能传输问题是近年研究的新型方向。文章详细介绍了机器人磁耦合谐振式无线能量传输技术的工作原理，论述了磁耦合及耦合模相关理论。利用ANSYS有限元软件仿真分析了线圈耦合的磁场强度，从而验证了机器人无线传输的可行性，同时研究了系统磁感应强度和传输距离之间的关系。

关键词：巡检机器人；无线电能传输；磁耦合谐振

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0033-02

Abstract： The radio energy transmission problem of substation inspection robot is a new research direction in recent years. In this paper， the working principle of the magnetically coupled resonant wireless energy transmission technology for robot is introduced in detail， and the related theories of magnetic coupling and coupling mode are discussed. The ANSYS finite element software is used to simulate and analyze the magnetic field intensity of the coil coupling， so as to verify the feasibility of the robot wireless transmission. At the same time， the relationship between the magnetic induction intensity and the transmission distance of the system is studied.

Keywords： inspection robot； radio energy transmission； magnetic coupling resonance

引言

近年来随着智能机器人的快速发展，越来越多的变电站利用智能机器人进行巡检。目前变电站巡检机器人主要依靠导线连接的方式进行电能传输，通过各种传感设备，结合规划行驶的路径和控制算法找到充电桩，然后通过插头和导线实现机器人的充电。但是这种接触式的充电方式需要机器人与充电桩精准对接，不能出现毫厘误差，这就增加了它的控制成本和复杂性。同时，有线充电存在易磨损、易产生火花、不够灵活、不易维护等缺陷[1]。

无线电能传输技术通过非接触式传输电能，弥补了传统直接接触充电方式的缺陷，具有很多优点。磁耦合谐振式无线电能传输利用近场电磁波进行能量交换，是一种高效、非辐射性、支持中距离、较大功率输电的新型技术。因此本文针对变电站巡检机器人的无线传输特性，设计了磁耦合谐振式无线电能传输系统，并对该系统进行了仿真研究。

1 巡检机器人无线电能传输模型

變电站巡检机器人磁耦合谐振式无线充电系统如图1所示，系统采用220V/50Hz市电进行供电，经过整流滤波电路将交流电转化为直流电，然后通过直流斩波电路提高直流电压，利用高频逆变电路转化为与谐振线圈相同频率的高频交流电，变化的高频电流在发射线圈的周围产生交变磁场，在高频交变磁场中接收线圈感生出相同频率的电压，最后经过整流滤波电路供给巡检机器人充电电池使用，从而实现了机器人的无线电能的传输。

2 磁耦合现象及耦合模理论

磁耦合是一种出现在载流线圈中的物理现象，通过相互之间的磁场进行相互影响。空间中谐振频率相等的两谐振线圈，对其中一个线圈施加高频交流电，则由电磁感应原理可知线圈会产生交变磁场，而另一线圈将会通过交变磁场与之联系在一起。磁耦合的联系紧密程度主要由两线圈的形状、距离及空间相对位置等因素决定[30]。系统能量传输效率主要由线圈耦合度决定，耦合程度越强，能量传输效率越高。空间相互耦合的两线圈电感分别是L1和L2，取两电感方向关联，互感为M。假定电感L1和L2上的电压电流分别是u1、i1与u2、i2，则耦合电感电压与电流之间可表示为：

（1）

从式（1）和（2）可知，线圈耦合电感电压由自感电压与互感电压两部分叠加而成。通常可定义耦合因数k定量描述耦合紧疏程度，其表达式如下：

（3）

耦合系数k主要受两线圈空间相对位置、结构、周围磁介质等的影响。耦合系数过小，系统能量得不到有效的传输。随着磁耦合谐振技术的出现，磁谐振方式主要工作在近场区，因而能有效解决由于远距离时耦合系数较小而导致能量不能有效传输的问题。

耦合模理论广泛应用于物理上各种谐振系统的描述[2]。同样，可用耦合模理论解释电磁耦合谐振无线能量传输原理。当两谐振线圈之间通过恰当的耦合，即空间载流线圈通过各自的电磁场互相联系，在某一确定频率下线圈将产生谐振，能量在两个或多个本征频率相等的线圈之间转移，从而能量获得高效率传输，而与偏离谐振频率的物体之间的基本没有能量传输，对能量传递影响较小。耦合模型理论可用通过以下微分方程描述能量在系统之间的传输。

（4）

（5）

式中：？琢i（t）为线圈i的时域场幅值，且是线圈包含能量的平方根。？棕i为线圈i的谐振角频率，当两线圈发生共振，传递能量时有？棕1=？棕2=？棕。？祝i是线圈i的固有衰减率，线圈吸收和辐射损耗引起能量的衰减。？祝L为负载固有衰减率。K12=K21，表示2个谐振线圈之间的耦合率，与耦合系数k12之间的关系为k12=？棕k12/2=？棕M/（2）。当电源信号是正弦信号时，？琢i（t）可表示为？琢i（t）=Aie-j？棕t。线圈i和负载消耗的功率分别是Pi=2？祝i|Ai|2，PL=2？祝L|AL|2。则系统传输能量的传输效率为：

（6）

化简微分方程（4）可得：

将式（7）代入式（6）可得简化传输效率？浊为：

（8）

定义 ，？孜为谐振系统能量传递的品质因数，其值大小与距离有关。

3 巡检机器人无线传输系统电磁场仿真

磁耦合谐振式无线电能传输系统可用ANSYS有限元仿真软件进行电磁场分析计算。系统工作时流过耦合线圈的交变电流会在与导体垂直平面内产生交变的电磁场，会在导体周围内感应出涡流，可用2-D谐波磁场场分析计算[3]。由于两个线圈为结构对称，所以线圈任一竖直截面内生成的电磁场都是相同的，因此只需分析线圈一侧的电磁场即可。

两线圈磁场强度分布如图2所示。两线圈仿真参数是：线圈匝数10匝，直径80mm，导线直径1mm，对发射线圈施加正弦高频交流激励源，电压幅值为50V，频率为10MHz。由磁感应强度分布图可知线圈磁感应强度最大0.152E-03T，从磁力线分布图中可看出线圈内侧磁感应强度大于线圈外侧磁感应强度。

在相同参数条件下，改变耦合两线圈之间的距离，分别进行仿真分析，得到不同距离时线圈的磁感应强度分布。两线圈的距离分别为4cm，8cm，12cm和16cm，仿真可知不同距离的最大磁感应强度分别是0.824E-03T，0.164E-03T，0.149E-03T和0.147E-03T，即隨着线圈传输距离的增大，线圈之间的耦合强度逐渐减小。

4 结束语

本文主要对变电站巡检机器人电磁耦合谐振式无线电能传输系统进行了磁场仿真。首先介绍了变电站巡检机器人无线电能传输系统的特点，其次探讨了巡检机器人磁耦合谐振式无线电能传输模型，并分析了其工作原理及耦合模理论，得出机器人无线电能传输的可能性。最后基于ANSYS有限元软件对谐振系统的两线圈模型进行了耦合磁场仿真分析，得出了耦合线圈磁感应强度分布，并仿真分析了线圈磁感应强度与线圈距离的关系。

参考文献：

[1]朱春波，于春来，毛银花，等.磁共振无线能量传输系统损耗分析[J].电工技术学报，2012，27（04）：13-17.

[2]翟渊，孙跃，戴欣，等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J].中国电机工程学报，2012，32（12）：155-160.

[3]李阳，杨庆新，闫卓，等.无线电能有效传输距离及其影响因素分析[J].电工技术学报，2013，28（1）：106-112.