[发明专利]用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法

说明书

本发明公开了一种用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法，通过建立拾电器等效电路模型，推导出耦合系数与输出功率的关系，分析拾电器耦合系数小的原因，结合E型和U型拾电器副边线圈缠绕的特点，提出正交拾电器，采用第一个线圈绕在E型磁芯的中间芯柱上，第二个线圈垂直于第一个线圈绕在E型磁芯的两侧的结构，最后基于有限元仿真和实验验证了此方法能够提高拾电器的耦合系数和输出功率。提供了一种简单可靠的方法来解决自动导引运输车偏离轨道时引起拾电器耦合系数和输出功率下降的问题。

技术领域

本发明的技术方案涉及无线供电领域，特别是一种用于分析感应耦合电能传输系统内的正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法。

背景技术

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，自动导引运输车因其高柔性、易扩展等优点而得到了迅猛发展和广泛应用。自动导引运输车通常采用蓄电池、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。

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。其中谐振式和感应式无接触供电应用的场合比较多，谐振式无接触供电传输距离中等、效率高，主要应用在电动汽车、家电设备等领域。感应式无接触供电传输功率大、传输距离短，主要应用在交通运输、水下作业等场合。微波辐射式无接触供电传输距离远、效率极低，主要应用在无人机、空间太阳能电站等场合。由于自动导引运输车搬运的货物比较重，系统需要的功率比较大，对比上述几种无接触供电的特点，将感应式耦合电能传输系统应用在自动导引运输车中，避免了传统移动供电带来的弊端。自动导引运输车通常采用电磁导引、GPS导航、激光导航等导引/导航技术，在移动过程中不可避免的会偏离轨道，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了很成熟经验和丰富的研究成果，但对耦合系数以及与功率之间的关系没有深入研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种用于分析正交拾电器中耦合系数与功率之间关系的方法。

实现上述目的本发明的技术方案为，感应耦合电能传输系统正交拾电器理论与实验研究。首先，通过立拾电器等效电路模型，推导出耦合系数与输出功率的关系。分析了拾电器耦合系数小的原因，结合E型和U型拾电器副边线圈缠绕的特点，提出正交拾电器，采用第一个线圈绕在E型磁芯的中间芯柱上，第二个线圈垂直于第一个线圈绕在E型磁芯的两侧的结构。基于Ansoft Maxwell电磁场有限元仿真软件和开发的拾电器，验证当自动导引运输车偏离轨道范围时，改善了耦合系数和输出功率的下降情况，提高了横向偏差容忍度。提供了一种简单可靠的方法来解决自动导引运输车偏离轨道时引起拾电器耦合系数和输出功率下降的问题。

本发明解决自动导引运输车偏离轨道引起耦合系数和输出功率下降的问题是采取以下技术方案实现的：

首先建立拾电器电路模型，采用互感等效理论，原边串联、副边并联补偿拓扑，建立拾电器的松耦合变压器等效电路模型，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，推导出拾电器的输出功率，根据耦合系数公式，带入拾电器输出的公式中，得到输出功率与耦合系数之间的关系式：

其中P_L是输出功率，k是耦合系数，I_P是原边导轨线圈的电流，L_P是原边导轨线圈自感，L_S是副边线圈自感，R_L是负载电阻。

第二步：建立松耦合变压器静磁场，分析松耦合变压器的耦合系数。

建立E型松耦合变压器将磁场，分析E型松耦合变压器耦合系数低的原因。