變電站巡檢機(jī)器人無線電能傳輸系統(tǒng)的研究

馬騰 劉志龍 陳波 閆俊峰

摘 要：變電站巡檢機(jī)器人無線電能傳輸問題是近年研究的新型方向。文章詳細(xì)介紹了機(jī)器人磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)的工作原理，論述了磁耦合及耦合模相關(guān)理論。利用ANSYS有限元軟件仿真分析了線圈耦合的磁場強(qiáng)度，從而驗證了機(jī)器人無線傳輸?shù)目尚行裕瑫r研究了系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和傳輸距離之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人；無線電能傳輸；磁耦合諧振

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

近年來隨著智能機(jī)器人的快速發(fā)展，越來越多的變電站利用智能機(jī)器人進(jìn)行巡檢。目前變電站巡檢機(jī)器人主要依靠導(dǎo)線連接的方式進(jìn)行電能傳輸，通過各種傳感設(shè)備，結(jié)合規(guī)劃行駛的路徑和控制算法找到充電樁，然后通過插頭和導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的充電。但是這種接觸式的充電方式需要機(jī)器人與充電樁精準(zhǔn)對接，不能出現(xiàn)毫厘誤差，這就增加了它的控制成本和復(fù)雜性。同時，有線充電存在易磨損、易產(chǎn)生火花、不夠靈活、不易維護(hù)等缺陷[1]。

無線電能傳輸技術(shù)通過非接觸式傳輸電能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直接接觸充電方式的缺陷，具有很多優(yōu)點(diǎn)。磁耦合諧振式無線電能傳輸利用近場電磁波進(jìn)行能量交換，是一種高效、非輻射性、支持中距離、較大功率輸電的新型技術(shù)。因此本文針對變電站巡檢機(jī)器人的無線傳輸特性，設(shè)計了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

1 巡檢機(jī)器人無線電能傳輸模型

變電站巡檢機(jī)器人磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)采用220V/50Hz市電進(jìn)行供電，經(jīng)過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后通過直流斬波電路提高直流電壓，利用高頻逆變電路轉(zhuǎn)化為與諧振線圈相同頻率的高頻交流電，變化的高頻電流在發(fā)射線圈的周圍產(chǎn)生交變磁場，在高頻交變磁場中接收線圈感生出相同頻率的電壓，最后經(jīng)過整流濾波電路供給巡檢機(jī)器人充電電池使用，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的無線電能的傳輸。

2 磁耦合現(xiàn)象及耦合模理論

磁耦合是一種出現(xiàn)在載流線圈中的物理現(xiàn)象，通過相互之間的磁場進(jìn)行相互影響。空間中諧振頻率相等的兩諧振線圈，對其中一個線圈施加高頻交流電，則由電磁感應(yīng)原理可知線圈會產(chǎn)生交變磁場，而另一線圈將會通過交變磁場與之聯(lián)系在一起。磁耦合的聯(lián)系緊密程度主要由兩線圈的形狀、距離及空間相對位置等因素決定[30]。系統(tǒng)能量傳輸效率主要由線圈耦合度決定，耦合程度越強(qiáng)，能量傳輸效率越高。空間相互耦合的兩線圈電感分別是L1和L2，取兩電感方向關(guān)聯(lián)，互感為M。假定電感L1和L2上的電壓電流分別是u1、i1與u2、i2，則耦合電感電壓與電流之間可表示為：

（1）

從式（1）和（2）可知，線圈耦合電感電壓由自感電壓與互感電壓兩部分疊加而成。通常可定義耦合因數(shù)k定量描述耦合緊疏程度，其表達(dá)式如下：

（3）

耦合系數(shù)k主要受兩線圈空間相對位置、結(jié)構(gòu)、周圍磁介質(zhì)等的影響。耦合系數(shù)過小，系統(tǒng)能量得不到有效的傳輸。隨著磁耦合諧振技術(shù)的出現(xiàn)，磁諧振方式主要工作在近場區(qū)，因而能有效解決由于遠(yuǎn)距離時耦合系數(shù)較小而導(dǎo)致能量不能有效傳輸?shù)膯栴}。

耦合模理論廣泛應(yīng)用于物理上各種諧振系統(tǒng)的描述[2]。同樣，可用耦合模理論解釋電磁耦合諧振無線能量傳輸原理。當(dāng)兩諧振線圈之間通過恰當(dāng)?shù)鸟詈希纯臻g載流線圈通過各自的電磁場互相聯(lián)系，在某一確定頻率下線圈將產(chǎn)生諧振，能量在兩個或多個本征頻率相等的線圈之間轉(zhuǎn)移，從而能量獲得高效率傳輸，而與偏離諧振頻率的物體之間的基本沒有能量傳輸，對能量傳遞影響較小。耦合模型理論可用通過以下微分方程描述能量在系統(tǒng)之間的傳輸。

（4）

（5）

式中：？琢i（t）為線圈i的時域場幅值，且是線圈包含能量的平方根。？棕i為線圈i的諧振角頻率，當(dāng)兩線圈發(fā)生共振，傳遞能量時有？棕1=？棕2=？棕。？祝i是線圈i的固有衰減率，線圈吸收和輻射損耗引起能量的衰減。？祝L為負(fù)載固有衰減率。K12=K21，表示2個諧振線圈之間的耦合率，與耦合系數(shù)k12之間的關(guān)系為k12=？棕k12/2=？棕M/（2）。當(dāng)電源信號是正弦信號時，？琢i（t）可表示為？琢i（t）=Aie-j？棕t。線圈i和負(fù)載消耗的功率分別是Pi=2？祝i|Ai|2，PL=2？祝L|AL|2。則系統(tǒng)傳輸能量的傳輸效率為：

（6）

化簡微分方程（4）可得：

將式（7）代入式（6）可得簡化傳輸效率？濁為：

（8）

定義 ，？孜為諧振系統(tǒng)能量傳遞的品質(zhì)因數(shù)，其值大小與距離有關(guān)。

3 巡檢機(jī)器人無線傳輸系統(tǒng)電磁場仿真

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)可用ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行電磁場分析計算。系統(tǒng)工作時流過耦合線圈的交變電流會在與導(dǎo)體垂直平面內(nèi)產(chǎn)生交變的電磁場，會在導(dǎo)體周圍內(nèi)感應(yīng)出渦流，可用2-D諧波磁場場分析計算[3]。由于兩個線圈為結(jié)構(gòu)對稱，所以線圈任一豎直截面內(nèi)生成的電磁場都是相同的，因此只需分析線圈一側(cè)的電磁場即可。

兩線圈磁場強(qiáng)度分布如圖2所示。兩線圈仿真參數(shù)是：線圈匝數(shù)10匝，直徑80mm，導(dǎo)線直徑1mm，對發(fā)射線圈施加正弦高頻交流激勵源，電壓幅值為50V，頻率為10MHz。由磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖可知線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度最大0.152E-03T，從磁力線分布圖中可看出線圈內(nèi)側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于線圈外側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。

在相同參數(shù)條件下，改變耦合兩線圈之間的距離，分別進(jìn)行仿真分析，得到不同距離時線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。兩線圈的距離分別為4cm，8cm，12cm和16cm，仿真可知不同距離的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別是0.824E-03T，0.164E-03T，0.149E-03T和0.147E-03T，即隨著線圈傳輸距離的增大，線圈之間的耦合強(qiáng)度逐漸減小。

4 結(jié)束語

本文主要對變電站巡檢機(jī)器人電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了磁場仿真。首先介紹了變電站巡檢機(jī)器人無線電能傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，其次探討了巡檢機(jī)器人磁耦合諧振式無線電能傳輸模型，并分析了其工作原理及耦合模理論，得出機(jī)器人無線電能傳輸?shù)目赡苄浴Ｗ詈蠡贏NSYS有限元軟件對諧振系統(tǒng)的兩線圈模型進(jìn)行了耦合磁場仿真分析，得出了耦合線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，并仿真分析了線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈距離的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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