CN111181255B - 一种u型结构的ipt取电器及其设计方法、系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种U型结构的IPT取电器及其设计方法、系统，属于非接触能量传输技术领域。一种U型结构的IPT取电器，所述取电器为U型结构，U型取电器的两侧磁臂的厚度为a、宽度为b，所述U型取电器的磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度为c、两侧磁臂的间距为d、磁芯底部的高度为e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度为f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2，所述a、b、c、d、e、f、μ、N2通过IPT需要的输出功率确定。结合一定的电路结构，通过优化以上设计参数，提高了IPT系统效率。

Description

一种U型结构的IPT取电器及其设计方法、系统
技术领域
本发明涉及非接触能量传输技术领域，尤其是涉及一种U型结构的IPT取电器及其设计方法、系统。
背景技术
随着工业4.0的发展，自动导向车(AGV，Automated Guided Vehicle)在工业中的应用逐渐广泛。传统AGV小车供电方式主要有滑触线供电或蓄电池供电，滑触线供电方式容易引起电火花，同时在复杂的路径规划中极不方便；蓄电池供电方式需要定期对蓄电池进行充放电维护，且蓄电池寿命有限。
感应电能传输(Inductive Power Transfer，IPT)技术是一种新型的电能传输技术，能实现电能的非接触传输，其采用电力电子技术与电磁感应耦合技术相结合，通过初次级两侧绕组相互耦合，实现了非接触电能传输，克服了传统的电能传输方式带来的电击、发火花、磨损等一系列缺点和不足，可逐渐替代传统供电方式。现有技术中IPT系统效率较低，亟需一种提高IPT系统效率的方案。
发明内容
本发明的目的在于至少克服上述一种技术不足，提出一种U型结构的IPT取电器及其设计方法、系统。
一方面，本发明提供了一种U型结构的IPT取电器，所述取电器为U型结构，U型取电器的两侧磁臂的厚度为a、宽度为b，所述U型取电器的磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度为c、两侧磁臂的间距为d、磁芯底部的高度为e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度为f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2，所述a、b、c、d、e、f、μ、N2通过IPT需要的输出功率确定。
另一方面，本发明还提供了一种U型结构的IPT取电器的设计方法，根据IPT的输出功率，确定U型取电器参数，其中，所述U型取电器参数包括两侧磁臂的厚度a、宽度b、磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度c、两侧磁臂的间距d、磁芯底部的高度e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2。
进一步地，所述根据IPT的输出功率，确定U型取电器参数，具体包括，根据IPT需要的输出功率，并通过公式
Figure BDA0002366408550000021
确定U型取电器参数，其中，
Figure BDA0002366408550000022
N臂、N底为U型取电器的磁臂线圈匝数和底部线圈匝数，N1、N2、Lp、Ls、M、Uin、ω、
Figure BDA0002366408550000023
R分别供电轨道电缆匝数、取电线圈匝数、轨道侧电感、副边感应取电线圈电感、U型取电器的互感系数、输入电压、谐振频率、U型取电器磁芯的总磁阻及负载等效电阻。
另一方面，本发明还提供了一种U型结构的IPT取电器的系统，包括单相整流电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、U型取电器；
所述单相整流电路用于将输入交流电整流成直流电；所述全桥逆变电路，用于将直流电逆变成高频交流电，并向U型取电器的提供感应电能；所述串联谐振电路，用于在轨道回路形成高频电流；所述U型取电器为U型结构，用于从轨道侧感应获取电能，并将获取的电能通过功率变换器提供给负载。
进一步地，所述单相整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4，所述全桥逆变电路包括场效应晶体管V1、V2、V3、V4、轨道侧电感Lp、原边谐振电容Cp；所述D1、D3同向串联，所述D2、D4同向串联，所述V1的源极与V2漏极连接，所述V3的源极与V4漏极连接，所述D1、D2的负极与V1、V3的漏极连接，所述D3、D4的正极与V2、V4的源极连接；所述Lp的一端通过Cp连接V1的源极，另一端连接V4的漏极。
进一步地，所述U型结构的IPT取电器的系统还包括U型取电器参数确定模块，所述U型取电器参数确定模块，用于通过IPT的输出功率，确定U型取电器参数，其中，所述U型取电器参数包括两侧磁臂的厚度a、宽度b、磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度c、两侧磁臂的间距d、磁芯底部的高度e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过将所述取电器为设置为U型结构，U型取电器的两侧磁臂的厚度为a、宽度为b，所述U型取电器的磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度为c、两侧磁臂的间距为d、磁芯底部的高度为e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度为f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2，所述a、b、c、d、e、f、μ、N2通过IPT需要的输出功率确定；结合一定的电路结构，通过优化以上设计参数提高了IPT系统效率。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的U型取电器磁芯结构示意图；
图2是本发明实施例1所述的磁臂结构示意图；
图3是本发明实施例1所述的磁芯底部结构示意图；
图4是本发明实施例3所述的U型结构的IPT取电器的系统的拓扑结构；
图5是本发明实施例3所述的U型取电器的等效磁路；
图6是本发明实施例3所述的串联-串联简化模型；
图7是本发明实施例3所述的初级电路等效模型；
图8是本发明实施例3所述的次级电路等效模型；
图9是本发明实施例3所述的U型磁芯的仿真磁力线分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供了一种U型结构的IPT取电器，所述取电器为U型结构，U型结构取电器的两侧磁臂的厚度为a、宽度为b，所述U型取电器的磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度为c、两侧磁臂的间距为d、磁芯底部的高度为e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度为f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2，所述a、b、c、d、e、f、μ、N2通过IPT需要的输出功率确定。
需要说明的是，在工业输送应用场合，输出功率决定了AGV的带载能力。针对采用的串联谐振拓扑结构，可解耦输出功率Pout和与Pin有关；根据对IPT系统分析，输出功率Pout与输入功率Pin相关，而输入功率Pin和取电器的尺寸结构及取电的效率有关；
U型取电器磁芯结构示意图，如图1所示；系统初级线圈为供电轨道电缆，Ip是电缆高频电流，Is是次级取电线圈电流，N1为供电轨道电缆匝数，N2为取电线圈匝数，磁芯尺寸及绕线参数如图中a,b,c,d,e,f所示，磁芯导磁率为μ；
由于U型磁场感应与其总磁阻关系较大；首先可求出磁芯内部磁阻，然后再求出周围空气的磁阻，两者相加之和即为U型取电器的总磁阻；采用较为实用的分割法，即将整个磁场分割为几个简单的几何形状的磁通管；
U磁芯分为其左右两侧的两个磁臂和磁芯底部三个部分，如图2、3分别为磁臂、磁芯底部结构示意图；
左侧臂饶有激励线圈N左，右侧臂饶有激励线圈N右，忽略散磁通，则在左右侧整个截面上的磁通密度是均匀的，磁通的平均路径与磁芯截面正交；因此左右臂磁阻
Figure BDA0002366408550000041
同理可求得底部磁阻
Figure BDA0002366408550000042
同理由分割法可求得U型磁芯周围空气磁芯的磁导
Figure BDA0002366408550000043
其空气磁阻为
Figure BDA0002366408550000044
整个磁芯的磁阻定义为
Figure BDA0002366408550000045
实施例2
本发明实施例还提供一种U型结构的IPT取电器的设计方法，根据IPT的输出功率，确定U型取电器参数，其中，所述U型取电器参数包括两侧磁臂的厚度a、宽度b、磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度c、两侧磁臂的间距d、磁芯底部的高度e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2。
优选的，所述根据IPT的输出功率，确定U型取电器参数，具体包括，根据IPT需要的输出功率，并通过公式
Figure BDA0002366408550000046
确定U型取电器参数，其中，
Figure BDA0002366408550000047
N臂、N底为U型取电器的磁臂线圈匝数和底部线圈匝数，N1、N2、Lp、Ls、M、Uin、ω、
Figure BDA0002366408550000051
R分别供电轨道电缆匝数、取电线圈匝数、轨道侧电感、副边感应取电线圈电感、U型取电器的互感系数、输入电压、谐振频率、U型取电器磁芯的总磁阻及负载等效电阻。
实施例3
本发明实施例还提供了一种U型结构的IPT取电器的系统，其特征在于，包括单相整流电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、U型取电器；
所述单相整流电路用于将输入交流电整流成直流电；所述全桥逆变电路，用于将直流电逆变成高频交流电，并向U型取电器的提供感应电能；所述串联谐振电路，用于在轨道回路形成高频电流；所述U型取电器为U型结构，用于从轨道侧感应获取电能，并将获取的电能通过功率变换器提供给负载。
优选的，所述单相整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4，所述全桥逆变电路包括场效应晶体管V1、V2、V3、V4、轨道侧电感Lp、原边谐振电容Cp；所述D1、D3同向串联，所述D2、D4同向串联，所述V1的源极与V2漏极连接，所述V3的源极与V4漏极连接，所述D1、D2的负极与V1、V3的漏极连接，所述D3、D4的正极与V2、V4的源极连接；所述串联谐振电路Lp的一端通过Cp连接V1的源极，另一端连接V4的漏极。
具体实施时，所述U型结构的IPT取电器的系统的拓扑结构，如图4所示；电源通过保险装置Fuse输入，初级采用全桥逆变电路和串联谐振电路；次级采用串联谐振电路感应取电，Ls为副边感应取电线圈等效电感，Cs为副边谐振电容，Rs为副边串联等效内阻，R为等效负载阻抗；
根据磁路定理，可得到U型取电器的等效磁路，如图5所示；图5中FP和FS分别为初级和次级的磁动势，φm12(t)、φm21(t)分别为初次级绕组在磁芯引起的等效磁通；由等效磁路可得初次级磁动势方程
Figure BDA0002366408550000052
根据电磁感应原理，初级在次级的感应电压可求得
Figure BDA0002366408550000053
由于初次级线圈在耦合传输过程中会有功率损耗，为提升传输功率，实现功率最大化，通常初次级绕组的电感都有补偿装置；
针对本实施案例S-S(串联-串联)补偿方式结合系统磁路进行分析，串联-串联补偿方式简化模型如图6所示；
可求得此时次级对初级的反映阻抗为
Figure BDA0002366408550000061
图7为初级电路等效模型，由图7可求得初级电路的总阻抗为
Figure BDA0002366408550000062
初级串联谐振条件感抗和容抗相互抵消，电路呈纯阻性，即
Figure BDA0002366408550000063
求得初级谐振频率为
Figure BDA0002366408550000064
由次级电路等效模型图8可得次级电路的阻抗为
Figure BDA0002366408550000065
同理求得次级串联补偿条件下的谐振频率
Figure BDA0002366408550000066
由于副边串联等效内阻RS相对于负载电阻R很小，可以忽略不计；在整个系统全谐振状态下系统功率最大输出ω＝ωp＝ωs；
若系统输入补偿机构的电压为Uin(jω)，由图7和公式9可求得Lp电压
Figure BDA0002366408550000067
由
Figure BDA0002366408550000068
可求得次级感应电压为
Figure BDA0002366408550000069
由式(6)、(7)求得初级电路电流为
Figure BDA00023664085500000610
所以次级Ls电流为
Figure BDA00023664085500000611
结合式(8)、(14)进一步可得出次级电流为
Figure BDA0002366408550000071
由图8，次级串联结构模型，根据式(17)可求知负载电流为
Figure BDA0002366408550000072
分析互感系数M与取电器磁芯参数的的关系，U型取电器磁芯总匝数N2＝N左臂+N底部+N右臂，其中N左臂＝N右臂，令
Figure BDA0002366408550000073
所以
Figure BDA0002366408550000074
进一步可求得左侧臂互感系数
Figure BDA0002366408550000075
同理求得底部互感系数
Figure BDA0002366408550000076
因此
Figure BDA0002366408550000077
分析N2与Ls的关系：
磁臂
Figure BDA0002366408550000078
底部
Figure BDA0002366408550000079
Figure BDA00023664085500000710
将式(22)、(23)代入式(18)，由于原边串联等效内阻Rp和副边串联等效内阻Rs相对于负载R比较小，对整个系统的功率传输影响较小，故可以忽略不记。因此化简之后，可得次级取电线圈电流Is有效值为
Figure BDA00023664085500000711
系统的输出功率为Pout＝Is 2R，因此
Figure BDA00023664085500000712
由上式可以判断，系统输出功率与N1，N2，Lp，Ls，M，Uin，ω，
Figure BDA00023664085500000713
R参数有关；可以通过提升系统谐振频率、输入电压以及初级电流可以提升系统的输出功率；还可以得知，磁芯的总磁阻对系统的传输功率有较大的影响，表现为初级线圈与次级U型线圈的相对位置等参数；
优选的，所述U型结构的IPT取电器的系统，还包括U型取电器参数确定模块，所述U型取电器参数确定模块，用于通过IPT的输出功率，确定U型取电器参数，其中，所述U型取电器参数包括两侧磁臂的厚度a、宽度b、磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度c、两侧磁臂的间距d、磁芯底部的高度e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2。
优选的，所述U型取电器参数确定模块，通过IPT的输出功率，确定U型取电器参数，具体包括，根据IPT需要的输出功率，并通过公式
Figure BDA0002366408550000081
确定U型取电器参数，其中，
Figure BDA0002366408550000082
N臂、N底为U型取电器的磁臂线圈匝数和底部线圈匝数，N1、N2、Lp、Ls、M、Uin、ω、
Figure BDA0002366408550000083
R分别供电轨道电缆匝数、取电线圈匝数、轨道侧电感、副边感应取电线圈电感、U型取电器的互感系数、输入电压、谐振频率、U型取电器磁芯的总磁阻及负载等效电阻。
具体实施时，根据应用场合，确定U型取电器的几何尺寸，即：磁芯尺寸及绕线参数如图1中a，b，c，d，e，f及磁芯导磁率μ；在满足要求的情况下应尽量轻量化和小型化；IPT系统原边参数一定时，谐振功率最优点主要与U型尺寸a，b，c，d，e，f及磁芯导磁率μ，N2等参数有关，这些参数主要与线圈设计相关，线圈设计完成，各参数基本确定；
由式(15)求得输入功率Pin＝Is2 Zr，然后联合式(25)，求得系统传输效率
Figure BDA0002366408550000084
基于U型磁芯结构搭建IPT系统Maxwell仿真模型，令初级电缆位于U型取电器的中心部位，通过激励电流之后，图9为U型磁芯的仿真磁力线分布图；由图9可以看出初级电缆通电以后，U型磁芯及其周围的磁场分布；靠近U型取电线圈的磁场强度较大，增加次级线圈可提升感应电压，从而提升输出功率；
需要说明的是，实施例1-实施例3未重复描述之处可相互借鉴。
本发明公开了一种U型结构的IPT取电器及其设计方法、系统，通过将所述取电器为U型结构，U型取电器的两侧磁臂的厚度为a、宽度为b，所述U型取电器的磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度为c、两侧磁臂的间距为d、磁芯底部的高度为e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度为f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2，所述a、b、c、d、e、f、μ、N2通过IPT需要的输出功率确定；提高了IPT系统效率。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种U型结构的IPT取电器，其特征在于，所述取电器为U型结构，U型结构取电器的两侧磁臂的厚度为a、宽度为b，所述U型结构取电器的磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度为c、两侧磁臂的间距为d、磁芯底部的高度为e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度为f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2，所述a、b、c、d、e、f、μ、N2通过IPT需要的输出功率确定；
根据IPT的输出功率，确定U型取电器参数，具体包括，根据IPT需要的输出功率，并通过公式
Figure FDA0003519465240000011
确定U型取电器参数，其中，
Figure FDA0003519465240000012
N臂、N底为U型取电器的磁臂线圈匝数和底部线圈匝数，N1、N2、Lp、Ls、M、Uin、ω、
Figure FDA0003519465240000013
R分别供电轨道电缆匝数、取电线圈匝数、轨道侧电感、副边感应取电线圈电感、U型取电器的互感系数、输入电压、谐振频率、U型取电器磁芯的总磁阻及负载等效电阻。
2.一种应用权利要求1所述的U型结构的IPT取电器的系统，其特征在于，包括单相整流电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、U型取电器；
所述单相整流电路用于将输入交流电整流成直流电；所述全桥逆变电路，用于将直流电逆变成高频交流电，并向U型取电器的提供感应电能；所述串联谐振电路，用于在轨道回路形成高频电流；所述U型取电器为U型结构，用于从轨道侧感应获取电能，并将获取的电能通过功率变换器提供给负载。
3.根据权利要求2所述的U型结构的IPT取电器的系统，其特征在于，所述单相整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4，所述全桥逆变电路包括场效应晶体管V1、V2、V3、V4、轨道侧电感Lp、原边谐振电容Cp；所述D1、D3同向串联，所述D2、D4同向串联，所述V1的源极与V2漏极连接，所述V3的源极与V4漏极连接，所述D1、D2的负极与V1、V3的漏极连接，所述D3、D4的正极与V2、V4的源极连接；所述Lp的一端通过Cp连接V1的源极，另一端连接V4的漏极。
4.根据权利要求3所述的U型结构的IPT取电器的系统，其特征在于，还包括U型取电器参数确定模块，所述U型取电器参数确定模块，用于通过IPT的输出功率，确定U型取电器参数，其中，所述U型取电器参数包括两侧磁臂的厚度a、宽度b、磁臂顶部到磁芯底部上表面之间的高度c、两侧磁臂的间距d、磁芯底部的高度e、磁臂顶部到磁芯底部之间下表面之间的高度f、磁芯导磁率为μ、取电线圈匝数为N2。
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