移动式无线供电系统电磁耦合机构研究

白新雷,白佳航,冯 剑,张瑞芯

(1.国网河北省电力有限公司营销服务中心,石家庄 050035;2.国网天津检修公司,天津 300130;3.国网河北省电力有限公司,石家庄 050021;4.华北电力大学,河北 保定 071003)

移动式无线供电系统[1]接收侧与发射侧之间存在相对运动。在运动过程中接收侧与发射侧线圈之间相对位置会发生变化,极易导致系统中关键参数耦合系数波动[2],进而导致系统输出功率失稳、效率过低,而无法满足用电设备正常工作的要求。因此,合理设计发射线圈的尺寸参数与合理规划发射线圈与接收线圈的相对位置就显得尤为重要。由于受工作环境的要求,发射线圈与接收线圈有一定的距离,改变耦合机构参数相对较易实现,所以对耦合机构的合理设计成为降低耦合系数波动对系统传输性能不利影响的关键方法之一[3]。但对移动式无线供电系统电磁耦合机构的研究大都集中在接收侧接收线圈的设计,对发射线圈的参数设计研究较少。结合上述问题,以下对发射线圈的参数设计进行研究,将较为全面的研究不同发射线圈参数对耦合机构耦合系数的影响。分析得出发射线圈相应的设计规律,为移动式无线供电系统电磁耦合机构发射线圈设计提供依据。

1 耦合机构磁路分析

无线电能传输系统中耦合机构的耦合程度较低,一般用松耦合变压器的模型来替代分析[4]。在分析松耦合变压器等效模型时,不能忽略磁路中励磁支路及漏感支路。由于耦合机构之间距离较远导致磁阻和漏磁都较大,当忽略励磁支路和漏感支路时,模型误差较大计算将失去意义[5]。图1(a)为松耦合变压器磁路示意,图1(b)(c)为松耦合变压器磁路等效示意。

图1 松耦合变压器磁路示意及等效电路

模型中设定原边与副边在材料及绕线匝数相同,则副边电感L1与副边电感的L2相等,耦合系数计算方法如式(1)

令副边的绕组电流i2=0,此时图1(b)可以化简为图1(c),其中Φm为原边匝链副边的主磁通,Φσ1为原边的漏磁通。根据互感定义,它是原边绕组产生的并且与副边绕组相交链的磁链Φ21与原边绕组电流i1的比值,

自感即为磁链和电流的比值,则图1中自感计算为原边磁链与原边电流i1,

耦合系数可表示为:

由式(4)知,漏磁Φσ1的大小将直接影响耦合机构的耦合系数,漏磁Φσ1越大相应的耦合系数将越小,因此在设计耦合机构时应注意减小漏磁Φσ1。由图1(c),分析的总磁通为

磁动势

耦合系数可表示为

式中:Rσ1为漏磁阻;Rm为匝链原副边绕组磁路的总磁阻;Rc为磁心磁阻;Rσ为气隙磁阻。

根据基本定义有,磁心磁阻Rc=Lc/μcSc,气隙磁阻Rσ=Lσ/μ0Sσ。其中,Lc、Lσ分别为效磁心长度和气隙长度;Sc、Sσ为磁心截面积和气隙截面积;μc为磁心磁导率;μ0为真空磁导率,通常认为μ0《μc。

Rσ+Rc的值决定了耦合变压器的耦合程度,当Rσ+Rc《Rσ1时,此时磁通大部分都能匝链副边漏磁较少,由式(7)得出此时耦合系数接近1。当耦合机构的原边与副边之间距离较远时,此时总磁路磁阻Rm与漏磁阻Rσ1将会相近,此时漏感就不可忽略。根据式(7),减小气隙磁阻Rσ和增加漏磁阻Rσ1都是提高耦合系数的有效方法。

2 耦合机构材料及磁心形状的选择

2.1 接收端磁心材料的选择

磁心材料是影响磁心损耗的重要因素[6],所以在磁心材料的选择上应十分重视。硅钢片、铁氧体和非晶合金3种磁心材料在无线电能传输系统中应用最多,其中以铁氧体居多,硅钢片性能较差一般不考虑选用。虽然非晶合金性能参数是三者中最为优秀的,但其价格较为昂贵。选择性能较为折中的铁氧体,以下分析中将采用6000导磁率的铁氧体进行分析。

2.2 耦合线圈线径的选择

耦合线圈的线径选择将会影响线圈在工作状态下的交流电阻和集肤效应[7]。线径选择不好将直接影响系统的传输功率及效率。线径选择要结合系统的工作频率,以获得自感值较为稳定,交流电阻较小的特性。在选型时,应首先确定线圈所用导线的线径,然后在通过相应的查询手册查询截面积、电阻和电流等参数,最后根据系统导线需要流过电流的大小来确定励磁线的股数。

2.3 磁心形状选择

耦合系数的大小与耦合机构的几何形状、材料和相对位置等有直接关系。当发射线圈和接收线圈的形状、尺寸、材料等确定后,增加耦合系数最有效的办法是减少漏磁,根据磁路分析,磁心可以影响磁场的分布状态,降低系统的漏磁,增大系统的耦合程度。所以磁心形状成为改善耦合机构耦合系数的关键因素。合理的磁心布局可使磁力线沿着磁心流动,形成闭合回路,既可以有效降低漏磁,又可以降低对周围环境的电磁辐射强度,并且大大提高能量传输的功率和效率。移动式无线供电系数发展尚不成熟,迄今都没有统一的标准,磁心结构的各项参数指标仍在研究改善之中。目前移动式无线供电系统的基本常用磁心结构有4种,分别为E型结构、U 型结构、L 型结构和S型结构[8]。根据已取得拾取机构的设计结果,本文选取耦合系数较大的平板E型磁心。

3 耦合机构仿真分析

3.1 发射线圈与接收线圈之间间距对耦合系数的影响

当接收端参数不变时,通过改变发射线圈与接收线圈之间间距,研究不同间距下对耦合机构耦合程度的影响。图2为发射线圈与接收侧间距示意。图3所示为发射线圈与接收线圈间距变化时对耦合机构耦合程度影响关系示意。为了形成很好的对照,不改变结构中其他参数,仿真过程中接收侧始终与发射线圈正向对称,设定发射线圈的长度为2 000 mm。

图2 发射线圈与接收侧间距示意(单位:mm)

图3 发射线圈与接收线圈间距变化时对耦合机构耦合程度影响关系示意

由图3可知,接收侧固定,随着发射线圈与接收侧之间间距越大耦合系数及互感越小。当间距较大时,耦合系数的变化率将会有所下降。耦合系数随间距的增大而减小,可以根据耦合机构磁路分析理论中,耦合机构的原边与副边之间距离较远,漏磁阻Rσ1和气隙磁阻Rσ将会越大,根据式(7)可知耦合系数将会降低。当间距增大时,漏磁会越来越大,导致2个线圈之间的互感降低,耦合程度随之下降。

根据上述分析结果,当耦合机构耦合程度达不到移动式无线供电系统的要求时,可以通过减小发射侧与接收侧之间的间距来增大耦合,但并非距离越小越对系统有利。从实际工程应用出发,发射侧与接收侧间距变小会影响接收侧运动的灵活性。并且当间距较小时,间距较小的变化易引起耦合系数的较大波动,这对系统的稳定有较大不利影响。所以选择间距应综合考虑,当满足系统对耦合机构耦合程度的要求时,应尽量增加之间的间距。

3.2 发射线圈长度对耦合系数的影响

当接收端参数不变时,通过改变发射线圈长度,研究不同发射线圈长度对耦合机构耦合程度的影响。图4发射线圈长度变化时对耦合机构耦合程度的影响关系示意。仿真过程中接收侧始终处在发射线圈正向中心对称位置,设定其纵向间距为15 mm。

图4 发射线圈长度变化时对耦合机构耦合程度关系示意影响

由图4可知,接收侧固定不变,随着发射线圈长度的增加耦合系数逐渐减小,发射线圈与接收线圈之间的互感变化较为微小。由图4可看出发射线圈长度达到一定长度后两者之间的互感基本稳定。

根据上述分析结果,发射线圈的线圈长度不宜过长。发射线圈的长度对应系统的供电范围,在选择发射线圈长度时,应权衡供电范围和系统耦合系数之间的矛盾。

3.3 发射线圈宽度对耦合系数的影响

当接收端参数不变时,通过改变发射线圈宽度,研究不同发射线圈宽度下对耦合机构耦合系数的影响。图5 为接收线圈宽度示意。图6所示为发射线圈宽度变化时对耦合机构耦合程度的影响关系示意。为了形成很好的对照,不改变其他参数,仿真过程中接收侧始终处于发射线圈正向中心对称,设定发射线圈的长度为2 000 mm,纵向间距15 mm。

图5 发射线圈宽度示意(单位:mm)

由图6可得,当发射线圈与接收线圈中心宽度相同时,耦合系数及互感较高;当发射线圈宽度大于接收线圈宽度时,随着宽度的增加,耦合系数和互感逐渐降低;当发射线圈宽度小于接收线圈宽度时随着宽度的减小,耦合系数随之逐渐降低。

根据上述的分析结果,在实际的工程应用时,发射线圈的中心宽度应与接收线圈的中心宽度相同。当接收侧已确定时,发射侧线圈中心宽度应和接收侧相适应。在接收侧要根据发射侧确定时,对于发射侧线圈宽度应适中选择,宽度越宽相应的磁心的宽度也相应增加,这会导致接收侧设备体积过大,一般移动式无线供电系统的发射侧取80 mm 左右。

4 结束语

通过仿真手段,研究了不同发射线圈的宽度、长度、与接收线圈之间间距对耦合机构耦合系数的关系。发射线圈间距越小耦合系数越高;发射线圈宽度与接收线圈宽度相同时,耦合系数最高;发射线圈越长耦合系数越低一系列设计规律。根据仿真分析得出的规律,可为发射线圈的参数设计提供一定的指导作用。