感应耦合电能传输系统正交拾电器的设计研究

樊亚超，王景芹，崔玉龙，刘会军

（1.河北工业大学 电气工程学院 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2.北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029；3.河北长孚电气设备有限公司，河北 保定 071051）

0 引 言

随着工业化进程的日益推进，对物料传送设备的自动化水平要求越来越高，自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）因其高柔性、易扩展等优点而得到迅猛发展和广泛应用。AGV 通常采用蓄电池、铰链、滑触线等传统的移动供电方式，但是蓄电池容量有限，需要反复停下来充电，铰链在移动过程中容易缠绕，滑触线需要定期检查，可靠性差。因此环境适应性好、安全可靠、灵活安全的无接触供电方式日益受到人们的青睐[1-3]。

无接触供电方式分为谐振式、感应式和微波辐射式，此外还有电场耦合式、激光方式和超声波方式[4]。将感应式耦合电能传输系统（Inductive Coupled Power Transmission，ICPT）应用在 AGV 中，避免了传统移动供电带来的弊端，这是由于ICPT 传输的功率大。AGV 通常采用电磁导引、GPS 导航、激光导航等导引/导航技术，在移动过程中不可避免地会偏离轨道，引起耦合系数和传输功率下降。针对这个问题奥克兰大学提出采用正交拾取机构，对磁芯的形状、平衡线圈之间的功率输出、提高传输功率等方面有丰富的研究成果[5-7]，但对耦合系数以及与功率之间的关系没有深入研究。因此本文从耦合系数角度出发，找出耦合系数与输出功率的关系，通过改善耦合系数，提高AGV 的横向偏差的容忍度。

1 ICPT拾电器的电路模型分析

ICPT 拾电器通常采用 E 型和 U 型拾取机构[8-9]，本文采用互感模型来分析松耦合变压器，以E 型拾电器为例，如图1所示。

图1 E 型松耦合变压器结构图Fig.1 Structure diagram of E-type loose coupling transformer

应用于AGV 的无接触供电系统属于分布式长导轨系统，存在较大的漏感和分布电容。因此为了提高系统传输功率，降低系统的伏安容量，通常需要对原副边补偿，在原副边串/并联补偿电容，补偿电容与原副边的自感构成谐振回路[10]。本文原边采用串联补偿，副边采用并联补偿，由于线圈内阻相对较小，为了计算方便，可以忽略，建立的ICPT 等效电路模型如图2所示。

图2 ICPT 系统拾电器等效电路型Fig.2 Equivalent circuit type of power pick-up in ICPT system

由图2可得到原副边回路方程：

则负载上的功率为：

式中：UP是正弦电压源；IP，IS分别是导轨线圈和副边线圈的电流；LP，LS分别是导轨线圈和副边线圈的自感；M是导轨线圈和副边线圈之间的互感；RL是负载电阻。

由式（3）可知，要使负载功率PL取得最大值，则1-ω2LPCP=0，即副边线圈的自感LP与并联补偿电容CP发生谐振，则此时负载功率：

当AGV 偏离轨道时，由于副边线圈偏离中心磁场，松耦合变压器的原副边耦合性减弱，导致耦合系数k降低，因此向负载提供的功率会降低，影响AGV 的正常运行；当AGV 偏离轨道时，需要改善耦合系数，向负载提供稳定的功率。

2 松耦合变压器耦合系数分析

耦合系数反映的是原副边之间的耦合程度。传统变压器由于不存在气隙，只存在少量的漏磁通，因此耦合系数比较高，近似为1。松耦合变压器存在较大气隙，原边导轨产生的高频磁通只有一部分与副边线圈交链，如图3所示。

图3 松耦合变压器磁场分布Fig.3 Magnetic field distribution of loose coupling transformer

通过图3可以看出，松耦合变压器漏磁通比较多，因此原副边的耦合性差，耦合系数比较低。本文主要考虑拾电器在横向偏离轨道时造成耦合系数下降问题。

原边导轨在空间产生高频磁场，位于原边导轨上方的E 型拾电器，磁通的垂直分量进入磁芯与线圈交链；对于U 型拾电器，磁通的水平分量进入磁芯与线圈交链，这两种拾电器的线圈结构如图4所示。由于这两种类型的拾电器都不能充分利用磁场，耦合系数均比较低，因此，需要充分利用磁场，减少漏磁，提高线圈和导轨之间的互感，即提高耦合系数。

图4 E 型和U 型拾电器模型Fig.4 E-type and U-type coils of power pickup

根据E 型和U 型拾电器的线圈特点，将两者线圈结合起来形成正交拾电器，即将U 型拾电器线圈绕在E 型拾电器中间的芯柱上，与E 型拾电器线圈垂直，如图5所示。

图5 正交拾电器模型Fig.5 Quadrature power pickup model

3 拾电器性能仿真分析

3.1 传统拾电器性能分析

本文对传统的E 型拾电器模型进行分析。传统E型拾电器模型如图1所示，原边导轨用10 V，20 kHz 的正弦电压源激励，磁芯材料选择普通的铁氧体，相对磁导率为1 000，副边绕组设定为13匝，负载大小设为10 Ω。

当拾电器横向偏移时，由于偏移的位置变化，通过绕组的互感磁通方向也会发生变化，因此为了便于分析，以导轨中心为零点，当拾电器向两边偏移时，均对互感磁通取绝对值，避免了互感磁通因方向变化而产生正负变化，得到的耦合系数均为正数。

3.2 正交拾电器性能分析

E 型拾电器位于两根电缆中间的时候，能够充分利用电缆周围磁场的垂直分量，处于最佳运行位置；而U型拾电器位于单根电缆正上方时，能够充分利用电缆周围磁场的水平分量，处于最佳运行位置。因此为了充分利用电缆周围的磁场，考虑到E 型和U 型两者的最佳运行位置，提出正交拾电器。

由于正交拾电器的副边存在两个线圈：水平线圈和垂直线圈，这两个线圈可以串联或并联形成一个绕组。本文采用并联方式，两个线圈经过各自整流之后向负载供电，如图6所示，负载上获得的功率是水平线圈和垂直线圈的输出功率之和。

式中：LV,LH分别是垂直线圈和水平线圈的自感；kV,LH分别是垂直线圈和水平线圈的耦合系数。当LV和LH大小相同时，式（6）可以改写为：

由于正交拾电器的水平线圈和垂直线圈并联组成一个绕组，因此就整体而言，重新定义耦合系数k=

图6 垂直线圈和水平线圈并联Fig.6 Parallel connection of vertical coil and horizontal coil

正交拾电器的仿真参数与E 型拾电器仿真参数相同，只添加一个13 匝的水平线圈。与传统E 型拾电器进行比较，可得到如图7和图8的耦合系数和负载功率。

图7 耦合系数随横向偏移距离的变化曲线Fig.7 Variation of coupling coefficient with lateral deviation distance

图8 负载功率随横向偏移距离的变化曲线Fig.8 Variation of load power with lateral deviation distance

由图7和图8可得：与传统拾电器相比，在相同的横向偏移距离下，正交拾电器的耦合系数大于传统拾电器。这是由于传统拾电器只能利用磁场的垂直分量，而正交拾电器可以利用磁场的水平和垂直分量，当拾电器发生横向偏移的时候，垂直线圈交链的磁场减弱，而水平线圈交链的磁场增强，正交拾电器比传统拾电器多了一个水平补偿分量。输出功率与耦合系数图形类似，验证了理论分析的正确性。

4 实验验证

本文开发了一个拾电器，原边和副边线圈均采用1 200 股的Litz 线，系统的参数如表1所示。

表1 系统参数Table 1 System parameters

本文采用JK2816C 通用高频数字电桥测量原边和副边线圈的自感和互感，进而得到拾电器的耦合系数。在实验过程中，设置每10 mm 为一个步长，实验结果如图9、图10所示。

图9 耦合系数随横向偏移距离的变化曲线Fig.9 Variation of coupling coefficient with lateral migration distance

图10 负载功率随横向偏移距离的变化曲线Fig.10 Variation of load power with lateral deviation distance

通过图9、图10可知，拾电器偏移过程中，耦合系数和负载功率变化趋势与理论分析相同，由于实验设备存在损耗，因此在数值上略有偏差。实验结果证实了正交拾电器能够增强横向偏差容忍度，改善AGV 运行状况。

5 结 论

本文重点对ICPT 系统的拾电器进行分析。从互感模型角度建立松耦合变压器模型，找到耦合系数与输出功率的关系，分析出拾电器偏离轨道时负载功率下降的原因。在理论分析的基础上，提出采用正交拾电器。从耦合系数角度出发，重新对正交拾电器的耦合系数进行定义，并且通过仿真与实验。结果证实正交拾电器可以提高横向偏移距离，改善功率传输特性和运行稳定性，这对于设计拾电器具有重要的参考价值。