摘要：物流行業(yè)飛速發(fā)展，大量的物流分揀機(jī)器人投入使用，其充電方式以接觸式充電為主，存在一定的安全隱患，因此，文中提出對(duì)其采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行無線充電，通過有限元軟件COMSOL對(duì)無線傳能系統(tǒng)線圈進(jìn)行仿真，對(duì)所提出的三種線圈仿真模型進(jìn)行了磁場(chǎng)仿真以及數(shù)值計(jì)算，仿真并分析了三種模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布和距離變化對(duì)傳輸特性的影響。仿真結(jié)果表明，矩形軌道式無線傳能系統(tǒng)傳輸效率與負(fù)載功率相對(duì)穩(wěn)定，更適合對(duì)分揀機(jī)器人進(jìn)行無線充電。

　　關(guān)鍵詞：無線電能傳輸;磁耦合諧振;發(fā)射線圈;接收線圈

　　Abstract: The logistics industry is developing rapidly, and a large number of logistics sorting robots are put into use. Its charging method is mainly based on contact charging, and there are certain safety hazards. Therefore, this paper proposes to adopt the magnetic coupling resonant wireless power transmission technology for wireless charging. The finite elementsoftware COMSOL is utilized to simulate the coils of the wireless power transmission system. The magnetic simulation andnumerical calculation of the proposed three coil simulation models are carried out. The simulations and analysis of the.

　　three models are carried out to analyze the effect of magnetic field strength distribution and distance variation on transmission characteristics. The simulation results show that the transmission efficiency and load power of the rectangular orbit wireless power transmission system are relatively stable, which is more suitable for wireless charging of the sorting robot.

　　Keywords: wireless power transmission, magnetic coupling resonance, transmitting coil, receiving coii

　　0引言

　　傳統(tǒng)的快遞分揀方式是依靠人工的，長(zhǎng)時(shí)間工作之后，無論是在效率，準(zhǔn)確性，還是分揀速度上都會(huì)大大降低，鑒于此，分揀機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。浙江義烏某快遞公司的350個(gè)物流分揀機(jī)器人同時(shí)工作，每小時(shí)可分揀約18000件快遞，分揀工作更加的快捷、高效、準(zhǔn)確。提升了工作效率的同時(shí)，大大節(jié)約了人力資源。

　　目前，分揀機(jī)器人是使用蓄電池進(jìn)行供電的。其充電方式基本以接觸式充電為主。這種充電方式簡(jiǎn)單可行，但是接觸式充電存在易磨損、可靠性低、接觸不良和具有一定的安全隱患等缺點(diǎn)。

　　無線電能傳輸技術(shù)可以有效地解決這一問題。無線電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)技術(shù)是-

　　種借助于空間無線軟質(zhì)(如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、微波等)實(shí)現(xiàn)將電能由電源傳遞至用電設(shè)備的一種傳輸模式[1]。 實(shí)現(xiàn)了電能的無物理連接傳輸。 將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到分揀機(jī)器人充電過程中，降低了設(shè)備的損耗，節(jié)約了資源，方便靈活，可以進(jìn)一步提升分揀機(jī)器人的安全性與可靠性。

　　傳輸特性是衡量無線電能傳輸系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

　　文獻(xiàn)[2]通過改變?cè)验g距，匝數(shù)，半徑等因素對(duì)平面螺旋線圖磁場(chǎng)分布和傳輸特性進(jìn)行仿真計(jì)算和數(shù)值分析。但是磁場(chǎng)仿真分析只是針對(duì)單個(gè)平面螺旋線圈，沒有對(duì)整個(gè)線圈的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[3]分析了線圈類型，線圈半徑，匝間距等因素對(duì)傳輸效率的影響。但是沒有對(duì)線圈縱向，橫向距離變化對(duì)系統(tǒng)傳輸特性的影響進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[4]通過電路分析與參數(shù)計(jì)算詳細(xì)研究了無線電能傳輸，但是沒有通過磁場(chǎng)對(duì)線圈無線能量傳輸進(jìn)行分析與研究。文獻(xiàn)[5]分析了兩線陶耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系，但是沒有研究功率與傳輸距離的變化關(guān)系。

　　因此，文中通過有限元軟件COMSOL對(duì)線圈進(jìn)行仿真，針對(duì)分揀機(jī)器人的工作方式建立了三種線圈仿真模型，并對(duì)所提出的三種線圈仿真模型的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真與分析，同時(shí)分析研究了距離變化對(duì)系統(tǒng)傳輸特性的影響。

　　1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)因分揀機(jī)器人功率較小，并且長(zhǎng)期處于移動(dòng)工作狀態(tài)下，線圈位置偏移較大，所以更適合采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)對(duì)分揀機(jī)器人進(jìn)行供電68]

　　基本磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)由整流電路，逆變電路，穩(wěn)壓電路，能量耦合機(jī)構(gòu)等部分組成，整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　低頻交流電源經(jīng)整流逆變電路變換為線圈所需要的高頻交流電，通過耦合諧振作用，將能量從發(fā)射線圈傳遞給接收線圈。經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路變換后，對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。文中重點(diǎn)對(duì)耦合諧振線圈進(jìn)行研究與分析。

　　限元軟件 COMSOL 進(jìn)行仿真，利用 AC / DC 模塊中的磁場(chǎng)與電路進(jìn)行三維建模和激勵(lì)的添加，激勵(lì)采用如圖 2所示的外加電路。 在頻域下進(jìn)行研究分析。

　　在圖2中，u，為理想交流電壓源，C，C，為串聯(lián)諧振電容，R，為負(fù)載電阻，R，R分別為發(fā)射線圈和接收線圈電阻。L，，12分別為發(fā)射線圈和接收線圈的自感。

　　M為兩線圈之間的互感。i，i2分別為發(fā)射線圈與接收線圈中的電流910為避免較高頻率所產(chǎn)生的高頻損耗，以及提高線圈的品質(zhì)因數(shù)來提高系統(tǒng)的傳輸特性。線圈仿真模型中諧振頻率設(shè)定為1 MHz，由于工作場(chǎng)地以及分揀機(jī)器人高度的限制，垂直距離設(shè)定為10cm負(fù)載功率穩(wěn)定在25W 左右。 在此基礎(chǔ)上建立以下三種線圈模型，并分別進(jìn)行分析。 三種線圈模型如圖 3 所示。

　　2. 1　 靜態(tài)系統(tǒng)模型

　　靜態(tài)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)耦合諧振線圈三維仿真圖如圖 3(a)所示，下方的平面螺旋線圈為

　　發(fā)射線圈，上方的平面螺旋線圈為接收線圈。 線圈參數(shù)如表 1 所示。 主要元件參數(shù)如表 2 所示。

　　2.2 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型

　　分揀機(jī)器人長(zhǎng)期處于移動(dòng)的工作環(huán)境下，因此，在系統(tǒng)靜態(tài)模型建立的基礎(chǔ)上，建立了兩種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。

　　2.2.1 多發(fā)射單接收系統(tǒng)模型在圖3(a)仿真模型的基礎(chǔ)上，建立多發(fā)射單接收系統(tǒng)模型。如圖3(b)所示，下方的兩個(gè)平面螺旋線圈為發(fā)射線圈，上方的平面螺旋線圈為接收線圈。接收線圈沿著發(fā)射線圖排列的方向移動(dòng)。發(fā)射線圈圓心之間的距離為16cm，外加電路與靜態(tài)系統(tǒng)模型相同，每個(gè)發(fā)射線圈單獨(dú)供電，電壓為11 V，線圈參數(shù)見表1其它元件參數(shù)見表22.2.2 矩形軌道式系統(tǒng)模型圖3(c)為矩形軌道式系統(tǒng)模型，下方的矩形軌道線圈為發(fā)射線圈，內(nèi)部長(zhǎng)48cm，寬18cm。上方的平面螺旋圈為接收線圈，線圈內(nèi)半徑為6cm。接收線圈沿著軌道的排列方向移動(dòng)(即圖中x的方向)。線圈參數(shù)如表3所示。主要元件參數(shù)如表4所示。

　　3仿真結(jié)果分析

　　為了更進(jìn)一步的了解系統(tǒng)的傳輸特性，采用有限元軟件COMSOL對(duì)以上三種線圈模型進(jìn)行磁場(chǎng)仿真以及數(shù)值計(jì)算，仿真了三種模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度，分析了仿真中橫向及縱向距離變化對(duì)負(fù)載功率，傳輸效率的影響。

　　3.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真

　　對(duì)以上三種線圈模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真，三種模型的仿真切面圖如圖4所示。圖4(a)、圖4(c)、圖4(e)為橫向磁場(chǎng)切面圖(即xy平面)，圖4(b)、圖4

　　(d)、圖4(f)為縱向磁場(chǎng)切面圖(即yz平面)。通過顏色和箭頭的大小反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，箭頭的方向反映磁力線的方向。

　　由磁場(chǎng)切面圖可知，靜態(tài)線圈模型中平面螺旋線圈的內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，在xy 平面內(nèi)呈環(huán)形分布，磁場(chǎng)由內(nèi)向外呈逐漸減弱的趨勢(shì)。 隨著離發(fā)射線圈縱向距離的增大，磁場(chǎng)逐漸減弱，有一部分磁場(chǎng)未與接收線圈發(fā)生耦合。

　　在多發(fā)射單接收線圈模型中，發(fā)射線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與靜態(tài)模型中產(chǎn)生的磁場(chǎng)相似，每個(gè)發(fā)射線圈強(qiáng)度在xy平面內(nèi)呈環(huán)形分布，磁場(chǎng)由內(nèi)向外呈逐漸減弱的趨勢(shì)。隨著離發(fā)射線圈縱向距離的增大，磁場(chǎng)逐漸減弱，兩個(gè)發(fā)射線圈都參與了磁場(chǎng)耦合。

　　矩形軌道式線圈模型中，xy平面內(nèi)磁場(chǎng)分布均勻，與接收線圈正對(duì)的圓形面積磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，磁場(chǎng)強(qiáng)度大致呈矩形向四周逐漸減弱。隨著縱向距離的增大而磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，矩形發(fā)射線圈只有一部分與接收線圈發(fā)生耦合，大部分磁場(chǎng)未參與能量的無線傳輸。

　　3.2靜態(tài)系統(tǒng)仿真

　　靜態(tài)磁耦合諧振線圈的外半徑約為8cm，在橫向偏移距離0cm-8 cm范圍內(nèi)進(jìn)行仿真，傳輸效率如圖5所示。

　　在兩線圈完全對(duì)稱情況下，傳輸效率最高為93.75%，隨著橫向距離的增加，傳輸效率逐漸減小，在橫向偏移距離0-4 cm變化范圍內(nèi)，傳輸效率下降速度較慢，下降的最大幅度為2.11%，當(dāng)橫向偏移距離超過線圈半徑的1/2時(shí)，傳輸效率下降速度逐漸加快。靜態(tài)磁耦合諧振系統(tǒng)在較小的橫向偏移的情況下，傳輸效率較高。

　　保持橫向偏移距離為0cm，縱向距離在5cm ~30

　　cm間變化，其他參數(shù)不變。傳輸效率和負(fù)載功率變化曲線如圖6所示。

　　由仿真結(jié)果可知，傳輸效率隨著距離的增大逐漸減小，在5cm ~10 cm范圍內(nèi)降低較小，隨著距離的逐漸增加，傳輸效率迅速減小。傳輸功率隨著傳輸距離的增加先增大后減小，在20cm附近功率達(dá)到最大值。

　　3. 3　 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真

　　針對(duì)所提出的兩種動(dòng)態(tài)模型，仿真了接收線圈沿軌道移動(dòng)過程中，傳輸功率與傳輸效率的變化情況。

　　3. 3. 1　 多發(fā)射單接收系統(tǒng)仿真

　　兩發(fā)射線圈之間的距離約為 0 cm，接收線圈從與發(fā)射線圈 1 完全對(duì)稱的位置，移動(dòng)到與接收線圈 2 完全對(duì)稱的位置(即移動(dòng)距離范圍為 0 ～ 16 cm)。 傳輸效率和負(fù)載功率變化情況如圖 7 所示。

　　由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)傳輸效率先增大后減小，在接收線圈移動(dòng)到兩發(fā)射線圈中間位置時(shí)，傳輸效率達(dá)到最高88.58%，之后，隨傳輸距離進(jìn)一步增大，傳輸效率逐漸減小。 傳輸功率在移動(dòng)過程中變化相對(duì)平穩(wěn)，在接收線圈與發(fā)射線圈 1 或發(fā)射線圈 2 完全對(duì)稱的情況下，傳輸功率最高分別為 27. 21 W 和 27. 51 W。 在接收線圈移動(dòng)到兩發(fā)射線圈中間位置時(shí)，負(fù)載功率最小為 23.70 W。

　　3. 3. 2　 矩形軌道式系統(tǒng)仿真

　　矩形軌道式發(fā)射線圈內(nèi)部長(zhǎng) 48 cm，寬 16 cm。 接收線圈起始位置位于矩形軌道中間位置，線圈移動(dòng)距離為 - 24 cm ～ 24 cm。 傳輸效率和負(fù)載功率變化情況如圖 8 所示。

　　由仿真結(jié)果可知，當(dāng)接收線圖完全處于發(fā)射線圈內(nèi)部時(shí)(移動(dòng)范圍為-12 cm-12cm)。系統(tǒng)傳輸效率和負(fù)載功率相對(duì)平穩(wěn)，沒有較大的波動(dòng)。負(fù)載功率維持在25 w左右，最大波動(dòng)差為0.84 w，傳輸效率維持在92%左右，最大波動(dòng)差為1.1%。當(dāng)接收線圖的外側(cè)接近發(fā)射線圈的邊緣時(shí)(移動(dòng)范圍為-16cm

　　-12cm，12 cm-16 cm)，傳輸效率逐漸下降，負(fù)載功率逐漸的上升，但傳輸效率和負(fù)載功率整體變化趨勢(shì)相對(duì)緩慢。隨著移動(dòng)距離的繼續(xù)增大，接收線圈的一部分偏離出矩形線圈的區(qū)域，傳輸功率迅速增大，傳輸效率迅速減小。

　　4結(jié)束語

　　文中通過有限元軟件COMSOIL對(duì)分揀機(jī)器人磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)線圖進(jìn)行仿真，針對(duì)分揀機(jī)器人的工作方式，提出三種線圖模型，通過所建立的三種線圈模型，仿真了磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布切面圖，仿真并分析計(jì)算了縱向移動(dòng)距離、橫向移動(dòng)距離對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。得出的結(jié)論如下：

　　(1)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)在橫向偏移距離較小時(shí)，傳輸效率下降幅度較小，對(duì)系統(tǒng)性能影響較小;

　　(2)最大功率點(diǎn)與最大傳輸效率點(diǎn)不重合，往往需要犧牲一方來提高另一方;

　　(3)平面螺旋線圖所組成的多發(fā)射單接收系統(tǒng)，由于線圈與線圈之間互相耦合的影響，使整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于偏諧振狀態(tài)之下，需要解決發(fā)射線圖之間相互耦合對(duì)系統(tǒng)性能的影響問題。

　　矩形軌道式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與多發(fā)射單接收系統(tǒng)相比，傳輸效率與傳輸功率相對(duì)穩(wěn)定，所需的材料相對(duì)較少，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，更適合對(duì)分揀機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電。

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文章名稱： 分揀機(jī)器人無線傳能系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)的仿真

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