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无线电传输技术WiressPowerTransfer

[ 作者:5分彩 日期:2020-05-09 17:33 ]

  无线传输电源的想法已经存在了很长一段时间。早在20世纪80年代,NikolaTesla和其他先驱就开始使用电磁波进行无线功率传输试验。表1显示了一些具有代表性的无线电传输系统。

  无线功率传输可分为无线电波(微波)或激光传输能量辐射类型,以及电场或磁场传输能量的非辐射类型。辐射类型具有长期传输的优点,但由于环境条件等能量损失大,传输效率低。与此相比,非辐射类型基本上被设计成尽量减少能量损失,从而产生比辐射类型更好的转移效率,但缺点是传输距离有限。

  有两种类型的非辐射无线电传输系统,即磁场耦合和电场耦合。20世纪90年代以来无线电传输的磁场耦合电磁感应广泛应用于无绳电话、电动剃须刀、电动牙刷等电池充电。采用电磁传感器运行的电动客车对其电池进行了无线充电。此外,电磁感应方法(如QI和PMA标准)可用于各种充电垫和充电座,如智能电话。

  2006年和2007年在麻省理工学院(麻省理工学院)提交的研究论文引起了人们的兴趣。随着越来越多的关注,概念验证实验已经开始在世界各地开发产品。

  开关电源中使用的变压器的原理解释了电磁感应方法与磁共振方法的区别(图1)。变压器是初级绕组和二次绕组的结构。主绕组和二次绕组是电隔离,但流过主绕组的电流产生的磁通量变化(激励电流)通过核心传递到二次绕组。并且由于电磁感应引起的电势效应导致电流到二次绕组(感应电流)。

  无线功率传输的电磁感应方法由放大器单元功率传输线圈和功率接收单元组成。功率传输线圈单元和功率接收线圈单元类似于变压器芯分离以产生空间或空隙的结构。由于系统的简单无线功率传输具有成本低、成本低的优点,功率传输线圈与功率接收线圈之间的距离增加。随着磁耦合的降低,传输效率急剧下降。当线圈之间的距离增加时,部分磁通变为漏磁,从而削弱线圈之间的磁耦合。

  无线功率传输的磁共振方法是解决功率传输线圈与功率接收线圈之间距离引起的效率下降的问题。磁共振是磁性的一个特例。

  功率传输侧与功率接收侧之间的磁耦合程度称为耦合系数值。如果功率传输线圈和功率接收线圈的电感为L1和L2,互感为M,耦合系数(因素)为以下方式。

  耦合系数小于0k≤1,理想相当于1≤=100%的传输效率,无泄漏。然而,随着线圈之间的距离增加,随着线圈中心之间的距离增加,耦合系数下降。

  在磁共振方法中,将电容器插入电力传输侧和功率接收侧,形成LC(电感器)和电容器谐振电路,并通过匹配两侧的谐振频率传输功率。它的优点是,即使耦合系数较低,也可以达到0.5≤图2的高传输效率。

  在电磁感应和磁共振方法中,功率传输线圈与功率接收线圈之间的距离和传输效率如图3所示。这是两个40×40厘米线圈的比较。彼此面对面,改变他们的姿势。当线圈之间的距离(沿Z轴)逐渐增加时,电磁感应方法中的传输效率从线圈直径的一半降低到大约40%,但在磁共振方法中。传输效率保持在90%或更高。

  如果线圈之间的距离保持在10cm,两者之间的对准变化(沿x轴),当线圈中心之间的距离为20cm时。传输效率从电磁降低到40%。感应方法但传输效率保持在90%。

  电磁感应和磁共振方法均采用磁耦合无线电传输系统。并利用高频电源将高频磁场的变化从功率传输线圈传递到功率接收线圈。虽然它是一个高频磁场,但它不是一个电磁波。磁场的变化是远距离距离1/2π(约1/6)的电磁波释放。它表明,近场磁场更接近源头,其强度与距离平方形成反比。这就是为什么功率传递距离小的原因。

  磁共振方法中的电路创新,即使线圈之间的距离是线圈直径的一半或更多,也能有效地传递电源。而由于磁共振方法支持宽功率范围内的传输,从低于1W到高于10kW。因此,预计它将成为工业应用中无线功率传输的主流方法之一。

  磁共振方法中最大的传输效率是耦合系数(K)和线圈质量因数(Q)(kq)乘积函数)。即使耦合系数较低,也可以通过增加线圈Q获得较高的传输效率。这是它与磁传感器最大的区别。然而,有必要克服几个问题,以实现无线功率传输的磁共振。

  线圈的Q值表示为Q=2πL/R,其中f为谐振频率L,线圈电感R为线圈交流电阻..根据该公式,如果增加线圈直径以增加电感或增加线圈的匝数,理论上将增加Q。然而,由于在这种情况下阻力的增加,必须优化线圈的形状和尺寸,以平衡线圈的设计。

  另一个要求是它应该支持共振频率的变化。在磁共振方法中,当功率传输线圈与功率接收线圈之间的最佳距离为最佳距离时,可以达到最大的传输效率。不同于电磁感应方法,这一距离可能导致传输效率下降而不是增加。这是因为当存在最佳距离偏差时,互感M变化导致耦合系数和谐振频率的变化。此外,线圈周围物体的分散电容也会影响谐振频率,导致未调整的非优化系统。

  因此,在磁共振方法中,通常需要特殊电路自动跟踪和调谐电路,使系统比电磁感应方法更加复杂。有许多技术来补偿谐振频率的波动,但这是磁共振方法中最重要的技术考虑和线圈设计技术。

  提高安全性和可靠性:消除电极劣化和磨损等缺陷,因为没有连接电极。无线功率传输可以通过玻璃和水下进行。

  计算机在自动生产线和仓库中控制的自动指导车辆(AGV)用于货物运输。有各种各样的类型,如手推车类型和改进,但由于它们都是电池供电,它们需要经常更换电池(或收费)。

  携带100公斤载荷的自动引导车辆可连续使用8小时..除了更换电池所需的劳动力和时间外,还必须承担更换电池的费用。此外,在清洁室更换手动电池可能会对其清洁产生负面影响。

  这些问题的解决方案是利用自动充电无线电传输,具有节省劳动力和时间的优点。当AGV静止以装载或卸载货物时,安装相对较小的电池可以大大降低成本。

  用于自动引导和物流机器人的1kW系统的基本配置如图5所示。电力传输系统由放大器单元和TX线圈单元组成,电力接收系统由RX线圈单元和电源接收组成。单位。TX线圈与RX线圈之间的传输距离为20~40mm,公差为±30mm,可实现高效无线功率传输。电源接收系统的特点是非常紧凑,使其成为小型自动引导车辆的理想选择。

  200W系统已经开发了在移动过程中工作的工业机器人的应用。地板上的电缆破坏了工作环境,造成电缆损坏。电力电缆的使用也限制了移动距离。

  如图8所示,在电力电缆的连接中存在扭曲或缠绕轴的风险。旋转角度也是有限的。这些问题可以通过使用滑环来解决,但它将导致刷子的退化和磨损,将电源传递到旋转元件。

  这些问题的解决方案之一是将无线电功率传输到旋转元件,但传统的方法(图8)引起了其他问题。由于高频磁场传递功率的使用,如果轴为金属,则涡电流和热量的产生导致效率下降。

  其内部结构如图10所示。该结构由容纳在圆柱形外壳内的电力传输线圈单元组成,并在较大的圆柱形外壳中密封。所述功率传输线圈和所述功率接收线圈放置在所述各自壳体的内壁上。因此,旋转部件可以在不限制旋转角度的情况下传输无线功率,而不需要缠绕电缆。

  此外,安装在功率传送侧壳内侧和功率接收侧壳外,以容纳线圈的磁通量。线圈产生的磁通量不会泄漏,因为它在铁氧气体盘内的闭合磁体回路中间。因此,即使轴是金属或附近有金属物体,它们也不会导致涡流引起的加热或效率下降。此外,电路板的设计简单紧凑(外径75毫米)为45毫米),因为它集成在线圈中。因此,它是旋转部件的最佳无线电传输系统,如机器人手臂和监控摄像头。

  即使在工业设备领域引入无线电传输系统,如自动引导车辆和机器人,也会带来方便、安全和可靠性的改善。并且由于自动充电而节省劳动力和降低成本。

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