CN113746215B - 一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，包括以下步骤：输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析步骤，根据适应性分析方法分析输电线路高压电场环境，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告。巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告及耦合机构设计方法，设计出高功率密度和抗偏移容忍度的耦合机构；电磁屏蔽设计步骤，通过电磁屏蔽方法，提升耦合机构的电磁屏蔽效果。本发明提升耦合机构的功率密度及抗偏移性能，优化设计磁屏蔽结构，降低系统非工作区域电磁辐射。

Description

一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法
技术领域
本发明涉及输电线路巡检机器人的技术领域，更具体地，涉及一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法。
背景技术
输电线路巡检机器人能够实现自主充电是实现无人值守输电线路的重要基础。国内外科研院所及相关单位相继展开了巡检机器人自主充电的研究。国外包括日本筑基大学、加利福尼亚大学、特斯拉等已取得相应技术的突破，目前已能实现在无人干预的前提下完成充电。目前，国内已研制输电线路巡检机器人应用于输电线路运维检修中。
输电线路巡检机器的无线充电系统的能量传输依赖于电能发射侧与电能接收侧间的高频磁场。而机器人本体中的电子元器件处于高频磁场中时，往往会受到影响。因此，设计可靠的电磁屏蔽，使得高频磁场对机器人本体干扰最小，并且对电能传输特性影响最小，是目前亟需要解决的问题。本发明围绕磁耦合机构的几何参数、电气化参数建立优化模型，对所建立模型进行全局寻优求解，提升耦合机构的功率密度及抗偏移性能；本发明还优化设计磁屏蔽结构，降低系统非工作区域电磁辐射。
发明内容
本发明提供一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，提升耦合机构的功率密度及抗偏移性能，优化设计磁屏蔽结构，降低系统非工作区域电磁辐射。
为解决上述问题，提供一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，包括以下步骤：
输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析步骤，根据适应性分析方法分析输电线路高压电场环境，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告；
巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告及耦合机构设计方法，设计出高功率密度和抗偏移容忍度的耦合机构；
电磁屏蔽设计步骤，通过电磁屏蔽方法，提升耦合机构的电磁屏蔽效果。
特别的，所述巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤的适应性分析方法，包括以下子步骤：
现场测量步骤，结合输电线路的电磁场参数的统计和实验，获得不同电压等级输电线路的电磁环境参数典型值，归纳分析输电线路的电磁环境特性及分布规律；
建模仿真步骤，在SolidWorks平台上搭建输电线路模型，采用COMSOL软件平台进行仿真计算，仿真获得磁场及电场分布；
校准仿真模型步骤，依据现场测量步骤获得的电磁环境特性及分布规律，校准输电线路模型，获得准确的磁场及电场分布；
输出结果步骤，结合磁场及电场分布，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告；所述输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告包括机器人无线充电系统应用环境数据、巡检机器人无线充电系统抗电磁干扰的应对措施和基于输电线路巡检机器人的巡检路线提出无线充电地点的选取建议。
特别的，所述巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计的耦合机构设计方法包括以下子步骤：
耦合机构设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告，确定应用环境限制，包括机器人内部环境限制和电力器件限制；
耦合机构建模步骤，对无线充电系统建立数学模型并推导传输能效的表达式，提炼出传输效率、输出功率的解析表达式，得出传输能效和各个关键参数之间的联系和目标传输能效与参数之间的变化规律；建立不同线圈下的耦合机构模型，依据耦合机构设计步骤中获得的机器人内部环境限制以及电力器件应力限制选定耦合机构确定耦合机构的形状、线圈绕制方式和磁芯分布；
高功率密度、强偏移容忍度设计，进一步优化耦合机构功率密度和抗偏移容忍度，包括电路设计和耦合线圈设计；所述电路设计包括电磁兼容角度设计和电路拓扑设计；所述耦合线圈设计包括线圈结构排布设计和线圈发热角度设计。
特别的，所述电磁兼容角度设计包括调整元件空间位置、增加导线距离、选择符合设计要求的高抗电磁干扰性元器件。
特别的，所述电路拓扑设计包括选择SS型基本拓扑或选择LCC-S型拓扑。
特别的，所述线圈结构排布设计包括选择合适的铁芯形状、材料及绕制方式；还包括发射线圈与接收线圈平行同时避免平面旋转角度。
特别的，所述线圈发热角度设计包括选择导热性较好的线圈材料、选择在线圈上涂抹散热材料、在充电房内保持通风散热。
特别的，所述电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法包括以下子步骤：在耦合机构的线圈结构上，采用外围大线圈缠绕方式，然后通过在发射线圈中央增加额外激励线圈。
本发明的有益效果：
本发明通过输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析步骤、巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤和电磁屏蔽设计步骤，通过获得机器人内部环境限制以及电力器件应力限制选定耦合机构确定耦合机构的形状、线圈绕制方式和磁芯分布，最后再采用电磁屏蔽设计步骤提升耦合机构的电磁屏蔽效果。本发明针对巡检机器人内部安装空间受限问题，通过电磁屏蔽方法，提升耦合机构的电磁屏蔽效果。本发明围绕磁耦合机构的几何参数、电气化参数建立优化模型，对所建立模型进行全局寻优求解，提升耦合机构的功率密度及抗偏移性能；本发明还优化设计磁屏蔽结构，降低系统非工作区域电磁辐射。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。
图1为本发明实施例的设计方法的整体流程图；
图2为本发明实施例的巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤的适应性分析方法的流程图。
图3为本发明实施例的输电线路地面处整体磁场云图。
图4为本发明实施例的输电线路地面处整体电场云图。
图5为本发明实施例的巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计的耦合机构设计方法。
图6为本发明实施例的带铝制材料巡检机器人底盘的仿真建模模型。
图7为本发明实施例的带铝制材料巡检机器人底盘的磁场云图，其中，图(a)为未进行电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法的带铝制材料巡检机器人底盘的磁场云图，图（b）为进行电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法后的带铝制材料巡检机器人底盘的磁场云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例的一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，包括以下步骤：
输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析步骤，根据适应性分析方法分析输电线路高压电场环境，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告。
巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告及耦合机构设计方法，设计出高功率密度和抗偏移容忍度的耦合机构；
电磁屏蔽设计步骤，通过电磁屏蔽方法，提升耦合机构的电磁屏蔽效果。
输电线路内密集排布大量运行中的电力设备，会产生复杂电磁场。如图2所示，巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤的适应性分析方法，包括以下子步骤：
现场测量步骤，结合输电线路的电磁场参数的统计和实验，获得不同电压等级输电线路的电磁环境参数典型值，归纳分析输电线路的电磁环境特性及分布规律；比如：时间、空间的分布规律：统一典型地点的不同时段、同一时段的不同典型地点，考虑到本项目研究巡检机器人的无线充电技术，可将空间分布规律缩小为输电线路地面不同点的分布规律研究。
建模仿真步骤，在SolidWorks平台上搭建输电线路模型，采用COMSOL软件平台进行仿真计算，仿真获得磁场及电场分布。初步仿真出来的输电线路地面处整体磁场分布图如图3所示，及输电线路地面处整体电场分布图如图4所示。
校准仿真模型步骤，依据现场测量步骤获得的电磁环境特性及分布规律，校准输电线路模型，获得准确的磁场及电场分布。
输出结果步骤，结合磁场及电场分布，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告。输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告包括机器人无线充电系统应用环境数据、巡检机器人无线充电系统抗电磁干扰的应对措施和基于输电线路巡检机器人的巡检路线提出无线充电地点的选取建议。
如图5所示，巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计的耦合机构设计方法包括以下子步骤：
耦合机构设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告，确定应用环境限制，包括机器人内部环境限制和电力器件限制；
耦合机构建模步骤，对无线充电系统建立数学模型并推导传输能效的表达式，提炼出传输效率、输出功率的解析表达式，得出传输能效和各个关键参数之间的联系和目标传输能效与参数之间的变化规律；建立不同线圈下的耦合机构模型，依据耦合机构设计步骤中获得的机器人内部环境限制以及电力器件应力限制选定耦合机构确定耦合机构的形状、线圈绕制方式和磁芯分布。
高功率密度、强偏移容忍度设计，进一步优化耦合机构功率密度和抗偏移容忍度，包括电路设计和耦合线圈设计。电路设计包括电磁兼容角度设计和电路拓扑设计。耦合线圈设计包括线圈结构排布设计和线圈发热角度设计。电磁兼容角度设计包括调整元件空间位置、增加导线距离、选择符合设计要求的高抗电磁干扰性元器件。电路拓扑设计包括选择SS型基本拓扑或选择LCC-S型拓扑。本发明实施例中，首先采用SS型基本拓扑，在输电线路巡检机器人进行充电先恒流再交流时，采用LCC-S型拓扑。线圈结构排布设计包括选择合适的铁芯形状、材料及绕制方式；还包括发射线圈与接收线圈平行同时避免平面旋转角度。线圈发热角度设计包括选择导热性较好的线圈材料、选择在线圈上涂抹散热材料、在充电房内保持通风散热。本发明实施例围绕磁耦合机构的几何参数、电气化参数建立优化模型，对所建立模型进行全局寻优求解，提升耦合机构的功率密度及抗偏移性能。
本发明实施例采用有限元分析软件对输电线路巡检机器人系统进行仿真建模，考虑到巡检机器人的底盘为铝材料，这会影响原有的发射线圈磁场分布，同时也起到了电磁屏蔽的部分作用，如图6所示，为带铝制材料巡检机器人底盘的仿真建模模型。电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法包括以下子步骤：在耦合机构的线圈结构上，采用外围大线圈缠绕方式，然后通过在发射线圈中央增加额外激励线圈。采用这种方法能够达到互感平稳的效果，如图7所示，其中，图(a)为未进行电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法的带铝制材料巡检机器人底盘的磁场云图，图（b）为进行电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法后的带铝制材料巡检机器人底盘的磁场云图。说明本发明实施例能够优化设计磁屏蔽结构，降低系统非工作区域电磁辐射。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析步骤，根据适应性分析方法分析输电线路高压电场环境，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告；
巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告及耦合机构设计方法，设计出高功率密度和抗偏移容忍度的耦合机构；
电磁屏蔽设计步骤，通过电磁屏蔽方法，提升耦合机构的电磁屏蔽效果；
所述巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计步骤的适应性分析方法，包括以下子步骤：
现场测量步骤，结合输电线路的电磁场参数的统计和实验，获得不同电压等级输电线路的电磁环境参数典型值，归纳分析输电线路的电磁环境特性及分布规律；
建模仿真步骤，在SolidWorks平台上搭建输电线路模型，采用COMSOL软件平台进行仿真计算，仿真获得磁场及电场分布；
校准仿真模型步骤，依据现场测量步骤获得的电磁环境特性及分布规律，校准输电线路模型，获得准确的磁场及电场分布；
输出结果步骤，结合磁场及电场分布，获得输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告；所述输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告包括机器人无线充电系统应用环境数据、巡检机器人无线充电系统抗电磁干扰的应对措施和基于输电线路巡检机器人的巡检路线提出无线充电地点的选取建议；
所述巡检机器人无线充电系统磁耦合谐振系统设计的耦合机构设计方法包括以下子步骤：
耦合机构设计步骤，根据输电线路高压电场环境下巡检机器人无线充电系统适应性分析报告，确定应用环境限制，包括机器人内部环境限制和电力器件限制；
耦合机构建模步骤，对无线充电系统建立数学模型并推导传输能效的表达式，提炼出传输效率、输出功率的解析表达式，得出传输能效和各个关键参数之间的联系和目标传输能效与参数之间的变化规律；建立不同线圈下的耦合机构模型，依据耦合机构设计步骤中获得的机器人内部环境限制以及电力器件应力限制选定耦合机构确定耦合机构的形状、线圈绕制方式和磁芯分布；
高功率密度、强偏移容忍度设计，进一步优化耦合机构功率密度和抗偏移容忍度，包括电路设计和耦合线圈设计；所述电路设计包括电磁兼容角度设计和电路拓扑设计；所述耦合线圈设计包括线圈结构排布设计和线圈发热角度设计。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，其特征在于：所述电磁兼容角度设计包括调整元件空间位置、增加导线距离、选择符合设计要求的高抗电磁干扰性元器件。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，其特征在于：所述电路拓扑设计包括选择SS型基本拓扑或选择LCC-S型拓扑。
4.根据权利要求1所述的一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，其特征在于：所述线圈结构排布设计包括选择合适的铁芯形状、材料及绕制方式；还包括发射线圈与接收线圈平行同时避免平面旋转角度。
5.根据权利要求1所述的一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，其特征在于：所述线圈发热角度设计包括选择导热性较好的线圈材料、选择在线圈上涂抹散热材料、在充电房内保持通风散热。
6.根据权利要求1所述的一种高功率密度强偏移容忍度磁耦合机构的设计方法，其特征在于：所述电磁屏蔽设计步骤的电磁屏蔽方法包括以下子步骤：在耦合机构的线圈结构上，采用外围大线圈缠绕方式，然后在发射线圈中央增加额外激励线圈。
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