无线充电式分拣机器人的磁耦合机构设计*

黄文聪, 张凤顺, 朱禛浩, 常雨芳, 吴 锋, 谭海东

(湖北工业大学 太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室,湖北 武汉 430068)

0 引 言

近年来,无线电能传输(wireless power transmission,WPT)技术被广泛应用于电动汽车、工业机器人、水下作业、植入式医疗器件等方面,大大改善了人们的生活质量[1～4]。传统的快递分拣方式是通过人工进行分拣,经过长时间工作之后,分拣的效率和准确率都会大幅度降低。相比之下,分拣机器人是一种具备了物镜、传感器和电子光学系统的机器人,拥有更加高效、快捷、准确的优点,从而节约了人力资源[5]。

目前,大部分的分拣机器人采用蓄电池进行供电,该种充电方式以接触式充电为主,充电方式简单常规,但是接触式充电存在接触不良、易磨损、可靠性低和具有一定的安全隐患等缺点。WPT技术可以有效解决这一问题。WPT技术主要分为磁耦合谐振式、感应式、微波式。其中,磁耦合谐振式WPT是通过相同谐振频率的线圈之间发生共振,使得发射端线圈与接收端线圈之间发生强烈的能量交换,从而实现电能远距离、高效率传输。因分拣机器人功率较小,并且长期处于移动工作状态下,线圈位置偏移较大,所以，更适合采用磁耦合谐振式WPT对分拣机器人进行供电[6,7]。

针对如何提升WPT的效率，学者们已进行了大量的研究。文献[8]分析了线圈的传输效率与偏移角度之间的关系,但没有研究多线圈的偏移角度对WPT效率的影响。文献[9]采用双负载系统模拟同时对多个传感器进行传输的情况,研究偏移角度、最佳距离和双负载无线电能传输系统功率、效率的变化规律,但没有分析和研究“多对一”的磁耦合结构对线圈之间传输效率的影响。文献[10]分析了单发射线圈和三接收线圈耦合机构横向偏移、纵向偏移、激励频率对传输效率的影响,但没有研究传输效率与传输距离的变化关系。文献[11]通过磁耦合机构的参数计算与电路分析详细研究了电能的无线传输,但没用通过磁场对耦合线圈电能的无线传输进行分析与研究。

对于多个发射端线圈,线圈与线圈之间角度的变化和距离的偏移,将对WPT系统产生很大的影响。因此,本文基于S-S型电路拓扑结构,建立数学模型来分析影响传输效率的主要因素；使用COMSOL有限元仿真软件对Halbach阵列线圈与平面圆形线圈进行仿真与分析；最后通过搭建试验平台来验证所设计的磁耦合机构能够实现较高的传输效率和较强的横向抗偏移能力。

1 WPT效率分析

基本的磁耦合谐振式WPT系统由电源、整流电路、逆变电路、谐振补偿、负载、磁耦合机构部分组成。由低频交流电源经整流逆变电路,通过磁耦合谐振作用,将能量从发射端线圈传递到接收端线圈,再经整流电路变换后对负载进行供电。本文重点对磁耦合谐振线圈进行研究和分析。

系统的谐振补偿网络采用S—S型电路拓扑结构,使得系统在发射端线圈发生串联谐振,相比于并联补偿电路,发射端线圈能够获得较大的电流,从而产生较强的交变磁场,使接收端线圈获得更多的能量。S—S型磁耦合机构等效电路如图1所示。

图1 S—S型磁耦合机构等效电路

图1中,U1,I1,C1,R1,L1分别为一次侧的输入电压、输入电流、谐振补偿电容、电感的等效电阻、线圈自感；I0,C2,R2,L2,RL分别为二次侧的输出电流、谐振补偿电容、电感的等效电阻、线圈自感、负载电阻；M为一次侧线圈和二次侧线圈的互感。

设ω0和ω分别为系统运行角频率和谐振角频率,且ω=2πf,则由图1可知,一次侧的等效总阻抗为

Z1=1/jω0C1+R1+jω0L1

(1)

二次侧等效总阻抗为

Z0=1/jω0C2+R2+RL+jω0L2

(2)

根据互感耦合理论,系统状态方程可表示为

(3)

当系统工作在谐振状态下时,有

(4)

由于R2远小于RL和ωM,得到系统的效率η可以表示为

η=(ωM)2/[RLR1+(ωM)2]

(5)

互感M与整个线圈到的磁感应强度B和整个线圈的面积S之间的关系为

M=N0BS/I0

(6)

式中N0为接收端线圈匝数,因此系统的效率η也可以表示为

(7)

由式(7)可知,当接收端线圈接收的磁通量Φ越多时,线圈之间的传输效率也随之提高。

由上述分析可知：当线圈在任意位置都接收到较大的磁感应强度B时,系统具有较高的传输效率。因此,为了研究线圈之间的能量传输效率与抗偏移能力,构建了具有上述特性的阵列线圈结构。

2 WPT耦合结构设计

Halbach阵列是由美国劳伦斯伯克利国家实验室Halbach K教授提出的,已经成功应用于粒子加速器、自由电子激光装置、电机等领域。1998年,美国科学家Post R F等人设计出基于永磁Halbach阵列磁场的Inductrack电动悬浮系统,利用Halbach阵列磁场一侧增强,一侧削弱的特性,可以为列车提供足够悬浮力的同时大大减少对车载乘客的磁场辐射[12～14]。

利用Halbach阵列的该种特性,本文使用COMSOL仿真软件设计直线型Halbach阵列线圈模型。直线型Halbach阵列如图2所示,箭头方向表示永磁铁的磁场方向。阵列线圈XOZ面磁场分布云图如图3所示。

图2 直线型Halbach阵列示意

图3 直线型Halbach阵列线圈XOZ面磁场分布云图

图3中,下方为直线型Halbach阵列线圈组,上方为接收线圈和铁氧体。当仿真中给定的输入电压为220 V时,如图3所示,所提出的直线型Halbach阵列线圈大大增加了接收端中间线圈的磁通密度,最大值达到4×104μT,趋势随着向两边移动而逐渐减弱。

为了增强该种阵列线圈的特性,对上述直线型Halbach阵列线圈进行优化改进：截取对接收端线圈磁通密度最强的5个发射端线圈(即从左数第三个线圈至第七个线圈),并对第三个线圈和第四个线圈取相反的电流方向,构成Halbach阵列线圈。这样优化的优点是可以减少了线圈数量,节约了绕制线圈的材料,同时能更大程度增加接收端线圈的磁通量。

由于现阶段WPT系统中的磁路机构主要使用的是平面型圆形线圈,为了验证Halbach阵列线圈能提高系统传输效率的优点,所以与传统的平面圆形线圈进行比较分析。为了控制线圈数量对系统传输效率的影响,选取与Halbach阵列线圈数量相同的线圈进行比较分析。

圆形线圈和Halbach阵列线圈的仿真模型图分别如图4(a)和图4(b)所示,通入电流后所产生的磁感应方向分别如图5(a)和图5(b)所示。

图4 两种线圈仿真模型

图5 两种线圈磁感应方向

仿真模型中,保持圆形线圈和Halbach阵列线圈的建模参数相同：线圈匝数为10匝,线圈个数为5个,线圈外半径为4 cm,线圈内半径为2 cm,线圈边间距为0.5 cm,输入电流为1 A。Halbach阵列线圈的线圈中心间距为6.5 cm,圆形线圈的线圈中心间距为8.5 cm。

接收端线圈外半径为12 cm,内半径为10 cm,线圈匝数为10匝,铁氧体与接收端线圈间距为0.2 cm。在无线充电系统中,当耦合距离不断增加时,系统的传输效率将降低。为了保证接收端线圈与发射端线圈的间距,选取耦合距离为4 cm作为以下仿真数据。

3 耦合线圈结构的仿真分析

按照上述仿真参数对耦合结构进行设计,利用COMSOL仿真软件对所设计的模型进行仿真分析,联合COMSOL内置接口将所设计的S—S型电路接入耦合结构中。

3.1 Halbach阵列线圈与圆形线圈磁场分布对比分析

线圈磁力线的疏密程度可以反映磁感应强度的大小。在保持线圈规格、匝数、输入电流相同的情况下,通过COMSOL仿真分析,在XOZ面和YOZ面截取圆形截面,两种线圈添加铁氧体和不添加铁氧体的磁力线分布如图6和图7所示。

图6 XOZ面和YOZ面两种线圈不加铁氧体的磁力线分布

图7 XOZ面和YOZ面两种线圈加铁氧体的磁力线分布

图6为在图4模型图下XOZ面和YOZ面的磁力线分布图。Halbach阵列线圈在空间中的磁感应强度整体最大,有利于能量的传输,但同时会产生一定的漏磁。所以，选择和接收端线圈吻合尺寸的铁氧体作为磁芯材料添加到接收端线圈上方。与图6进行对比,可以看出图7添加磁芯后,接收端与发射端之间的磁感应强度增加,接收端线圈上方的磁感应强度减小,说明磁芯具有增大能量传输能力、屏蔽磁力线及减小漏磁的作用。另外,添加磁芯后,Halbach线圈与接收端线圈的磁感应强度仍然高于圆形线圈,且磁芯的屏蔽效果更佳。

相比于发射端采用圆形线圈结构,Halbach阵列线圈结构可以产生较大的磁感应强度,在相同传输距离的条件下可以使WPT系统达到更高的传输效率,有利于系统在横向偏移条件下仍维持较高的耦合水平,从而增强系统在正对以及偏移情况下的功率传输能力。

3.2 Halbach阵列线圈与圆形线圈三维截线的磁通密度模对比分析

磁耦合机构在正对条件下,发射端线圈产生的主磁通向上穿过接收端线圈,此时接收端线圈接收的磁通量最多。随着接收端线圈的偏移,接收端线圈接收的磁通量逐渐减少。图8(a)和图8(b)分别为XOZ面和YOZ面发射端线圈正上方截线的磁通密度模。可见,Halbach阵列线圈大大增强了正上方中心的磁场强度。耦合结构正对时,能量大部分通过Halbach阵列线圈传输给接收端线圈,并给整个接收端电路供电,因此接收端电流较大,接收端线圈产生的磁场也更强。由于最开始Halbach阵列线圈的前两个线圈之间产生了少部分的磁抵消,所以最开始磁通密度模数值呈下降趋势,且由于相邻发射端线圈的电磁影响,所示图中磁通密度出现一定的波峰。圆形线圈的磁通密度模数值远低于Halbach阵列线圈,添加铁氧体后,Halbach阵列线圈的特性更为明显。

图8 XOZ面和YOZ面三维截线磁通密度模

3.3 Halbach阵列线圈与圆形线圈对应的接收端线圈磁通量对比

接收端线圈的磁通量如图9(a)所示,随着接收端线圈横向移动,接收端线圈接收的磁通量逐渐增加,达到最大值后缓慢减小。Halbach阵列线圈所对应的接收端线圈接收到的磁通量多于圆形线圈所对应的接收端线圈。

图9 接收端线圈磁通量和线圈电压

由第1节数学模型的建立可知,当接收端线圈接收的磁通量越大时,线圈的传输效率就越高。同时,当线圈在任意位置都能接收到较大的磁感应强度时,线圈具有较高的传输效率。

3.4 Halbach阵列线圈与圆形线圈对应的接收端线圈电压对比分析

磁耦合机构偏移对接收端负载电压的影响如图9(b)所示,随着接收端线圈横向的移动,接收端电压开始增加,逐渐达到最大值后缓慢减小。Halbach阵列线圈的接收端电压高于圆形线圈,最大电压值提升了14 %,且添加铁氧体后效果更加明显。

4 试验平台搭建

为了验证所提出的Halbach阵列线圈结构的特性,搭建了小功率无线充电试验平台,其输入电压为15 V,负载为10 Ω。其中每两个线圈中心点的间距为6 cm,线圈匝数为15匝。圆形线圈的匝数和长宽规格与Halbach线圈保持一致,试验平台如图10所示。

图10 Halbach阵列线圈系统试验平台

接收线圈的外径和内径分别为4 cm和1.5 cm,发射端线圈与接收端线圈的垂直距离为0.3 cm。发射端电路逆变器频率为67.4 kHz。试验主要参数如下：L1为65.28 μH,C1为100 nF,L2为23.59 μH,C2为330 nF,R为10 Ω。

Halbach阵列线圈电压波形图如图11所示,电压幅值Us为12.4 V。可以看出,Halbach阵列线圈电压波形比较稳定,谐振电压的波形畸变较少。

图11 Halbach阵列线圈电压波形

横向偏移传输效率试验测量值如图12所示,可以看出接收线圈在发生横向偏移后,Halbach阵列线圈加上铁氧体后的系统效率变化幅度较小且数值最高,传输效率达到86.3 %,证明了Halbach阵列线圈能提高系统的传输效率。同时,试验结果也验证了Halbach阵列线圈具有更强的横向抗偏移能力。

图12 横向偏移传输效率试验测量值

5 结 论

针对无线充电式分拣机器人电能传输系统,本文提出了一种Halbach阵列线圈磁耦合机构,并基于COMSOL有限元仿真对结构参数进行了优化设计,通过仿真和试验测试论证了方案的优越性。结果显示本文所设计的Halbach阵列线圈由于摆放方式,与接收端线圈耦合更多的线圈,输入电流的方向不同改变了磁感应方向,较大幅度提升了系统的传输效率,同时也具有更强的横向抗偏移能力。