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在感应功率传输系统中使用错位传感线圈

减少侧向位置误差

ivan cortesand won-jong kim, 高级会员, ieee

抽象—感应功率传输(ipt)仍然是实现无线电功率传输的最常见方式之一, 其工作原理与电力变压器相同, 但它安装的是空气核心而不是铁芯。如今ipt 已在许多应用中实施,包括智能手机和电动汽车等消费类产品的无线充电。然而,使用ipt仍存在挑战，即确保系统的主线圈和次线圈之间的精确对准,以便实现最大功率传输。本文在ipt 系统中利用错位传感线圈对横向错位进行了检测和校正。传感线圈利用磁场对称法进行误差方向和大小的非线性测量。使用这种传感线圈的实验在应用于商用智能手机无线充电器时, 具有超过1mm的错位传感分辨率。当传感线圈的电压读数用于实验二维线圈定位器的闭环控制,可将高达35毫米的横向错位减少到1.4毫米以下,从而实现有效的功率传输。类似的传感线圈概念可用于减少横向错位的规模 ipt 系统, 如电动汽车无线充电器。

关键字—电气传感装置、磁传感器、运动检测、无线电动力传输。

产品介绍

M

obile 设备越来越需要方便、高效的供电方式。无线功率传输是特别令人感兴趣的, 因为它消除了电源和终端设备之间的物理接触的需要。无线功率传输的优点包括消除电气接触磨损、提高设备移动性、提供与环境隔离以及降低操作所需的电池容量 [1]。

2017年6月1日收到的手稿;2017年11月9日修订;2018年1月3日接受。2018年2月2日出版;当前版本的日期2018年4月16日。这项工作得到了国家科学基金会 hrd-1502335 奖 '德克萨斯 a amp; m 大学系统 louis stokes 少数民族参与联盟 (tamus lsamp) 博士级 (btd) 十一号 (2015-2017年) 方案的支持'。技术编辑孙先生推荐。(记者:伊万·科尔特斯)作者在德克萨斯 a amp;M University, College Station, TX 77843-3123 USA (e-mail: icorteso@tamu.edu;) 的机械工程系工作。

数字对象标识符10.1109/TMECH.2018.2801250感应功率传输(ipt)是最常见的无线功率传输方法。正如它的名字所暗示的，ipt利用线圈在彼此接近的感应连接来传递能量 [2]。特斯拉被广泛认为是 ipt 的先驱, 因为他在19世纪后期尝试通过空气为电气设备供电[3]。几十年前,法拉第和亨利发现了电磁感应, 1885年斯坦利创造了第一个实用的电力变压器--ipt [4], [5] 的一个主要例子。ipt已在手机、电动汽车、医疗植入物等设备的无线充电中实现 [1], [6]。

在电力变压器中,感应线圈使用铁芯紧密耦合, 使功率传输效率轻松大于95%。在用于无线充电的 ipt 中, 电源和终端设备线圈通过空气芯松散耦合。设备移动性为 ipt无线充电系统带来了挑战, 因为线圈错位会削弱感应链路, 导致功率传输减少 [7]–[9]。在文献中,至少从以下三种方式解决了ipt 错位不容忍问题:

1. 利用谐振调谐改进线圈电路;
2. 改变线圈的数量、几何形状或方向;
3. 检测和纠正线圈之间的错位。

在基于谐振的调谐补偿电路中, 增加了串联或并联电容器, 使发射线圈和接收线圈之间的谐振频率匹配 [10]。在某些情况下,例如在广泛采用的 qi 无线充电标准中, 使用闭环控制实时调节充电器的工作频率或功率水平 [11], [12]。基于共振的调谐增加了ipt传输范围, 可用于减少磁场对异物的影响。引入其他ipt线圈或更改其几何形状也被用来解决错位不耐受问题。例如, 电源可能连接到传输线圈阵列,而不仅仅是一个,从而有效地增加了磁通密度分布 [13]。一个类似的概念用于在笼子里跟踪啮齿动物 [14]。在另一项研究中, 在出现角错位时, 采用正交接收线圈来增加功率传递 [15]。

解决错位不容忍问题的第三种方法是发现错位并纠正错位。在许多商业产品中,视觉标记或指示灯可帮助用户将其设备与 ipt 发射器对齐。在更复杂的系统中

图1。ipt系统的基本设置。关键的工作原理是由于一次线圈产生的时变磁通而导致二次线圈的感应电压。

标准为错位检测提供了一些建议,包括使用电容、电阻或电感传感网格 。检测错位带来了实时自动纠正的可能性。例如,一个研究小组使用传感线圈来检测车辆和行驶中无线充电器移动时的错位 [17]。在 [18] 和 [19] 中, 辅助线圈被添加到 ipt 系统中, 以感知横向错位。

本文对传感线圈在ipt系统中的应用进行了建模和测试。重点是两个ipt线圈之间的横向错位,它们彼此平行,距离固定,这与电动汽车、家用电器和其他移动设备的无线充电等应用一致。使用传感线圈成功检测错位,可以对二维 (二维)线圈定位器进行闭环控制实验,这种变化可以在充电应用中实现,以确保最大的功率传输发生。ipt的自动对齐特别适用于最近引起兴趣的自动充电应用 [20], [21]。

本文由七个部分组成。第二部分结合圆线圈的几何形状, 对ipt系统的基本工作原理进行了回顾和分析。第三节介绍了为检测ipt系统中的横向错位而提出的传感线圈。本节介绍传感线圈信号输出的模拟结果。第四节介绍了由传感线圈组件和二维定位器组成的实验装置。第五部分介绍了一种使用二维定位器进行自动对准的闭环控制器。第六部分给出了三次传感线圈实验的结果。实验测量了不同错位条件下传感线圈的电压输出以及对齐系统的1-d 和二维自动对准性能。第七节介绍了这些实验的结论。

二、IPT A纳利西斯

利用电磁原理建立了一个简单的ipt系统模型。在基本的ipt系统中 (请参见图1),有一个一次主线圈连接到交流电源, 一个二次线圈连接到终端设备。利用bioosavart定律计算载流原事线圈所产生的磁通密度, 以及

图2。磁通量密度的Z组件作为水平距离远离主线圈中心的函数, 高度为1、-、(2、) 和1米. 所显示的结果是1米的圆形一次线圈, 电流为1-a 电流。的大小B_Z是最大的直接以上的原线线圈。

二次线圈中的感应电压可以使用法拉第的磁感应定律来计算。最重要的是, 磁通穿透二次线圈的时间导数在二次线圈中产生电压。假设正弦交流电源, 二次线圈中的感应电压可以用以下形式表示:

v诱导 (2)

n: 二次线圈中的转弯次数;omega;:交流电源的工作频率 [雷达];B_z:磁通密度Z组件 [t];的:无穷小线圈面积元素 [m²].方程 (1) 预测了 ipt 系统的许多已知特征。例如, 增加工作频率或二次线圈转动的次数通常会增加功率传输。此外,为了最大限度地将功率传递到二次线圈, 应最大限度地利用磁通密度穿透该线圈。ipt 系统的错位不耐受是空间相关磁磁-磁密度分布的结果,因为错位往往会减少渗透二次圈的磁通量。在(1)中,线圈运动的影响被忽略,因为线圈运动的时变流量贡献预计与高频交替场相比是微不足道的。

a. 磁-----------------------------

磁通密度的空间分布是了解偏差对ipt影响的关键。对于一个圆形的一次线圈,这是ipt系统中常见的几何形状,磁通密度是轴对称的。图2显示径向和Z依赖的B_Z由于 1 m 半径和1m电流的归一化原线圈。最大的规模B_Z发生在原线线圈上方,更高的高度有一个较低的B_Z到处。在较低的高度 (相对于主线圈半径, 如半米图2), 磁通量密度最初

图3。建议的传感线圈对称地连接到二次线圈上。当二次线圈在x-方向, 传感线圈可用于测量二次线圈周围磁通密度的不平衡。

随着水平距离的增加而增加。这是因为这些位置靠近一次线圈线,其中磁通量密度最大。空间中每个位置的磁通密度由每个无穷小的线段贡献,其大小与与相应线段的距离的逆平方成比例。

根据图2,与一次线圈平行的二次线圈应保持同心,并靠近一次线圈,以便进行可观的功率转移。这是因为磁通穿透二次线圈是一个表面集成B_Z在二次线圈区域。如果二次线圈的尺寸与一次线圈接近,那么即使是小的侧向错位也会减少穿透二次线圈的磁通量,功率传递也会减少。许多研究已经表明, 错位如何影响电力传输效率 [6], [7]。

为了检测ipt系统中的横向错位,可以监测二次线圈内的磁通密度。根据 (1), 感应电压可作为磁通量的测量。然而, 二次线圈中的感应电压可能会由于错位以外的因素而发生变化,并研究了检测错位的替代方法[16]。此外,仅从二次线圈的感应电压中确定错位方向可能也很困难。

三. Misaligent-senensingC油

介绍了专用的错位传感线圈,而不是监测二次线圈的感应电压来检测 ipt 错位。

a. 工作原理

传感线圈的使用是基于图2磁密度分布是轴对称和那就是B_Z是最大的高于原线圈。两个小线圈对称地连接到二次线圈上,并与该线圈一起移动图3.当nalateralal偏同时,由于来自一次线圈的对称磁密度分布,左右传感线圈经历相同的感应电压。然而,当二次线圈在x方向,不同的感应电压发生在左右感应线圈。感应电压的差异可用于检测X失调。来自二级的磁通量

图4。可由传感线圈检测到的侧向错位场景。以原点为中心的圆表示传感线圈必须保持的区域,才能承受感应电压,估计大约是原线圈的大小。圈子在传感卷附近代表次要卷, 移动与传感卷。

线圈对两个传感线圈的影响相等,因此在任何时候都不会影响电压差。传感线圈的位置和大小将决定可以检测到的错位量的范围。由于中显示的分布图2,据预测,感应线圈只要保持在磁通密度最大的一次线圈之上,就会遇到感应电压。中的传感线圈配置图3可用于检测x方向错位,但可以引入额外的传感线圈,以感知任何径向方向远离z轴。在本文中,简单的情况下,其中两个传感线圈添加到x方向和两个为y方向被考虑。这两个正交方向上的错位检测和校正允许在Xy与原线圈平行的平面。这种平面上的错位被称为横向错位。本文通过对横向错位的处理,实现了横向错位的传感和校正。x和y使用闭环控制单独方向。

预测独立的影响x-和y-使用闭环控制的方向错位减少, 请考虑中提出的三种情况。图4.这些方案表示可能发生的三种不同类型的侧向错位,以及使用独立的传感线圈采取纠正措施的预期结果X和和控制循环。黑圈是传感线圈, 以原点为中心的圆圈代表传感线圈经历感应电压的区域。回想一下,这个圆圈的大小预计大约是一次线圈的大小。指向原点的箭头表示对齐的合理轨迹。在方案 (a) 中, 错位位于x仅方向和可以检测到的最大错位距离约为一个一次线圈直径。在方案 (b) 中, 错位是相等的在这两个x-和y-方向,并且可以检测到的最大错位小于主线圈直径。在 (a)中,只有X控制器是需要的对齐,并在(b)X和和控制器可以同时工作,以提供对齐的轨迹。在方案(c)中,对齐方式为二维,但在y的方向。x方向,这样只有底部和传感线圈保持在最大检测区域内。在这种情况下,x最初无法检测到方向错位,因为X传感线圈在检测区域内。但是,由于y方向错位正在被纠正,X传感线圈将进入探测区域和x方向错位最终将是

图5。当传感线圈从主线圈中心水平移动时,它们之间的模拟电压差。包括各种传感线圈直径的结果。一次线圈半径为1米,电流为1a。传感线圈的高度为1米,并有间距,因此适合1米半径圆内。电压指示灯指示不对中方向。

纠正。在这种情况下, 对齐的轨迹不会是直线的。

中所述的方案图4建议四个传感线圈和独立的控制回路的安排。x和y方向可用于在有限范围内为各种横向错位提供自动ipt对齐。最小的范围发生在方案(b)中,其中错位在两个x和y方向,最大范围发生在方案(a)中,其中不对中只在一个方向上。这些范围的差异取决于线圈的几何形状。三角估计是(b)中的范围将小于(a)中的范围的70%。另一个预期的后果是使用单独的x和y方向控制在某些情况下是要对齐的非直线轨迹。每个方向上不同的对齐速度也会导致非直线对齐轨迹。

b. 模拟结果

使用法拉第定律的有限元近似, 感应线圈的感应电压, 如图3被模拟。图5将仿真结果显示为两个传感不同直径的线圈沿x方向。对于每个绘制的曲线,传感线圈的高度为1米,并且间隔,因此它们正好适合在1米半径的圆圈内。根据图2,这种间距确保了两个传感线圈在没有错位时都在强大的磁磁流体密度区域内,并且其中一个传感线圈在出现错位时的通量会减少。正如所建议的,绘制的是左右传感线圈之间的电压差。结果表明,电压差可以用来检测错位方向,但

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资料编号：[2778]