CN106549507A

CN106549507A - 一种非接触供电拾电器

Info

Publication number: CN106549507A
Application number: CN201610950828.2A
Authority: CN
Inventors: 钱晓明; 楼佩煌; 孟凯; 陈峰雷; 屠嘉晨; 罗家文
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2017-03-29

Abstract

本发明实施例公开了一种非接触供电拾电器，涉及工业自动化领域，能够提供一种效率高、损耗小、使用方便、且拾电输出性能稳定的非接触拾电器，本发明包括：拾电模块、电能变换模块、辅助模块、拾电器壳体，其特征在于，所述电能变换模块采用功率密度高、开关损耗小的单管ZVS‑ZCS软开关电路，用于将得到的电能变换成各电压等级负载所需的稳定可用的直流电；所述拾电模块采用阵列式的磁芯分布，本发明适用于工业自动化领域的自动引导小车的供电。

Description

一种非接触供电拾电器

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及一种非接触供电拾电器。

背景技术

目前工业自动化领域广泛应用的自动引导小车（Automatic Guided Vehicle,AGV），绝大部分都是通过蓄电池进行供电。当蓄电池电压低于预定电压值时，需要用户在工作间隔使用充电器对其充电。由于这种充电过程是接触式的，充电设备和蓄电池的连接端子在长期的工作中会因磨损、氧化导致接触不良，具有安全隐患。为了解决上述问题，非接触式供电技术得以广泛研究与使用。

非接触供电技术可以用来实现电能的非接触传输，其核心部分是原边的功率变换装置和副边拾电器。加载高频正弦交流电的原边电缆和副边拾电器发生松耦合电磁感应，副边拾电器获取高频电压，处理后给设备供电。

现有技术采用了类似于E型结构的拾电结构，需要通过初级、次级之间紧密配合，限制了运动自由度，导致其结构复杂、安装使用不便、适应性较差；同时，由于次级绕组每通过初级绕组固定支架时电磁铁吸合装置均需要呈非闭合结构，不同程度地导致电磁泄漏，降低装置的电磁兼容性能。

发明内容

本发明的实施例提供一种非接触供电拾电器，能够提供一种效率高、损耗小、使用方便、且拾电输出性能稳定的非接触供电拾电器。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

包括：拾电模块、电能变换模块、辅助模块、拾电器壳体，其特征在于，所述电能变换模块采用单管ZVS-ZCS 软开关电路，用于将得到的电能变换成各电压等级负载所需的稳定可用的直流电；所述拾电模块采用阵列式的磁芯分布。

进一步地，所述拾电模块主要由磁芯和线圈绕组组成，所述磁芯为条块状，所述线圈绕组均匀的缠绕在所述磁芯上，用于在高频耦合电磁场中拾取电能；所述电能变换模块依次连接谐振电路、整流滤波电路、DC-DC电路；所述辅助模块主要包括安装板、磁芯、走线槽、散热片、电路板座、风扇座。

进一步地，所述谐振电路采用LCLC谐振补偿、电感和电容串并联结合的方式。

本发明的有益效果在于：（1）、本发明拾电器耦合效果好，供电线缆安装方式多样，可以方便地安装在AGV、EMS等各类用电设备上，提高了拾电器的适应性；（2）、本发明采用了ZVS-ZCS软开关电路，功率密度高，开关损耗小，减少了多余的外围器件；（3）输出电能的电压、功率均可变，适应了各类设备的需要；（4）、阵列式的磁芯分布相比整体式磁芯而言增大了耦合面积，提高了耦合效率且拆装方便；（5）、多级并联的输出方式容错率高，在低功率下的铜损、铁损等无功损耗较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明非接触拾电器的结构示意图；

图2为本发明新型单管ZVS-ZCS软开关电路结构示意图；

图3为本发明磁芯绕组的排列示意图；

图4为本发明线圈的电路接线示意图；

图5为本发明辅助模块安装示意图；

图6.1为本发明供电线缆掩埋式安装示意图；

图6.2为本发明供电线缆平行式安装示意图；

图6.3为本发明供电线缆悬挂式安装示意图；

图7为本发明谐振电路示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供一种非接触供电拾电器，如图1所示，由平板式拾电模块和与其电能变换模块、辅助模块、拾电器壳体组成，电能变换模块由谐振电路、整流滤波、DC-DC电路，输出各种电压等级。平板式拾电模块通过与原边供电线缆进行电磁场耦合，拾取得到电磁能，产生了高频的正弦波电流。电流流经变换模块中的谐振电路，进行了谐振补偿;再经过滤波、整流电路去除了干扰信号；经过DC-DC电路后得到各种电压等级的稳定直流输出。

电能变换模块采用新型单管ZVS-ZCS软开关。DC-DC电路可根据需要选取，如选取反激式结构,需要多个不同匝数的次级，以输出不同大小的电压。相对应地ZVS-ZCS软开关电路。

如图2所示，其中增加了5个无源器件：Lr为谐振电感、Cr为谐振电容，电感La与Lr互相紧密耦合，D2、D3为辅助二极管。反激变换器工作在CCM模式，输入电源为Vs，直流输出为Vo，负载电流Io基本维持恒定。变压器匝比N2/N1 =n，Is为原边励磁电流直流分量。

(1)功率开关管S可以实现ZCS导通，ZVS关断，且不需要辅助开关，控制简便。

(2)Cr的作用是使S在无辅助开关下ZVS关断，必须在S关断之前使Cr电压下降为0，可以通过Cr和Lr的并联谐振实现。二极管D2反并联钳位，使谐振只持续1/4个周期，此后多余电流便经D2续流。

(3) Lr作用是实现ZCS导通。耦合电感Ls的存在，在S关断后为Lr提供了放电通道，电流通过Ls、D3放电至零，为下个周期的ZCS导通提供了条件。因为La与Cr的谐振，限制了电感中的电压上升率，关断时Lr的电压不会急剧增大，开关管电压u_DS平缓增长,可实现了S的ZVS关断。

如图3所示，磁芯不是整体式的长方体形状，而是由n行*m列个磁芯阵组成。n行磁芯每行的排列都完全一样，每行的m个磁芯沿着行进轴线对称分布。之间的每个磁芯大小相同，为底面是正方体的长方体，高较长以便增加线圈匝数（如20*40*40mm）。为增大磁通量，靠近轴线磁芯分布较密，远离轴线缆磁芯分布稀疏。如两线缆间距d=170m,m=6，可取磁芯轴线分别到轴线的距离为15mm.15mm,40mm,40mm，70mm,70mm。

线圈绕组的绕向均一致，轴线一侧的磁芯的线圈相互串联，一个线圈的上端引出端接下一个线圈的下端引出端，轴线两侧的线圈构成了两组，两组间相互并联，增加了容错率。如图4所示，行与行的线圈互相并联，由档位开关选择是否接入电路。接入的行数越多，带负载能力越强，输出功率越大。如每行线圈组的最大输出功率为150w，n=3，则输出功率就有150w、300w、450w三种档位可选。（安装示意图中均以线圈行数n=3为例）

如图5所示，辅助模块中的安装板采用了拼接式结构，主要元件均安装在矩形的安装板上，有磁芯、走线槽、散热片、电路板座、风扇座等。每个磁芯底面的4个边角均开有螺纹孔，安装板的相应位置也开有螺纹孔，在底部拧上螺钉固定。每排的磁芯后面都有一道走线槽，后级的电路板安置在电路板座中。走线槽、散热条、电路板座、风扇座与安装板也均通过螺钉连接。

辅助模块中，散热片与风扇都具有散热的作用，是风冷与自然冷却相结合的冷却方式。因磁芯线圈，谐振电路发热量较大，在电路板槽和导线槽的下方均安装了散热条，在磁芯阵列和电路板槽周围放置了风扇座。线槽中的导线输出作为电能变换模块中电路板的输入，电路板最终还需提供风扇的辅助电源。拾电器壳体外部是平板式长方体，内部型腔开有凹槽，安装板与凹槽同样采用螺纹连接，具有方便拆卸的特点。

如图6.1-图6.3所示，配套的供电线缆有三种安装方式：（1）图6.1所示掩埋式：两根供电线缆沿运动轨道轴线对称，在地面一下开槽，横截面是圆形，并用混凝土浇筑，此时拾电器的拾电面向下安装，可以用于AGV等设备；（2）图6.2所示平行式：线缆沿轨道侧面布置，沿着轨道安装若干个支架，每个支架都开有两个圆孔，固定并支撑线缆管，此时拾电器的拾电面侧向安装；（3）图6.3所示悬挂式：线缆在设备上方对称分布，同样需要若干支架，支架悬挂安装。此时拾电器的拾电面朝上安装。方式（2）容易拆装，布置方便，可应用于EMS供电；方式（3）适合多种悬挂式供电设备（如汽车悬挂输送线）。

如图7所示，谐振电路中，绕组线圈自身电感和电容、电感、电容组成LCLC补偿电路。LCLC补偿使后级电压输出恒定，不受载荷的影响。相比单LC串联谐振补偿，能更大程度减小电感的无功损耗。因串联谐振的电压应力大，为降低电感和电压上的电压应力，采用了串并联的组合形式，电感和电容串联的次数较多，因此每个电感电容的电压均有效降低。因磁芯线圈有n行，故LCLC亦有n组，组与组之间互相并联。可取每行的L=mL₀/2，C=2/ω²mL₀，ω为感应交流电的频率，L₀为每个单独磁芯线圈的电感。

整流滤波电路与通常一样，可采用二极管全桥整流和二阶滤波器，去除高频干扰信号。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种非接触供电拾电器，包括：拾电模块、电能变换模块、辅助模块、拾电器壳体，其特征在于，所述电能变换模块采用单管ZVS-ZCS 软开关电路，用于将得到的电能变换成各电压等级负载所需的稳定可用的直流电；所述拾电模块采用阵列式的磁芯分布。

2.根据权利要求1所述的非接触供电拾电器，其特征在于，所述拾电模块主要由磁芯和线圈绕组组成，所述磁芯为条块状，所述线圈绕组均匀的缠绕在所述磁芯上，用于在高频耦合电磁场中拾取电能；所述电能变换模块依次连接谐振电路、整流滤波电路、DC-DC电路；所述辅助模块主要包括安装板、磁芯、走线槽、散热片、电路板座、风扇座。

3.根据权利要求2所述的非接触供电拾电器，其特征在于，所述谐振电路采用LCLC谐振补偿、电感和电容串并联结合的方式。