分拣机器人无线传能系统耦合机构的仿真

　　摘要：物流行业飞速发展，大量的物流分拣机器人投入使用，其充电方式以接触式充电为主，存在一定的安全隐患，因此，文中提出对其采用磁耦合谐振式无线电能传输技术进行无线充电，通过有限元软件COMSOL对无线传能系统线圈进行仿真，对所提出的三种线圈仿真模型进行了磁场仿真以及数值计算，仿真并分析了三种模型的磁场强度分布和距离变化对传输特性的影响。仿真结果表明，矩形轨道式无线传能系统传输效率与负载功率相对稳定，更适合对分拣机器人进行无线充电。

　　关键词：无线电能传输;磁耦合谐振;发射线圈;接收线圈

　　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

　　传统的快递分拣方式是依靠人工的，长时间工作之后，无论是在效率，准确性，还是分拣速度上都会大大降低，鉴于此，分拣机器人应运而生。浙江义乌某快递公司的350个物流分拣机器人同时工作，每小时可分拣约18000件快递，分拣工作更加的快捷、高效、准确。提升了工作效率的同时，大大节约了人力资源。

　　目前，分拣机器人是使用蓄电池进行供电的。其充电方式基本以接触式充电为主。这种充电方式简单可行，但是接触式充电存在易磨损、可靠性低、接触不良和具有一定的安全隐患等缺点。

　　无线电能传输技术可以有效地解决这一问题。无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术是-

　　种借助于空间无线软质(如电场、磁场、微波等)实现将电能由电源传递至用电设备的一种传输模式[1]。 实现了电能的无物理连接传输。 将无线电能传输技术应用到分拣机器人充电过程中，降低了设备的损耗，节约了资源，方便灵活，可以进一步提升分拣机器人的安全性与可靠性。

　　传输特性是衡量无线电能传输系统的重要指标。

　　文献[2]通过改变匝间距，匝数，半径等因素对平面螺旋线图磁场分布和传输特性进行仿真计算和数值分析。但是磁场仿真分析只是针对单个平面螺旋线圈，没有对整个线圈的磁场进行仿真。文献[3]分析了线圈类型，线圈半径，匝间距等因素对传输效率的影响。但是没有对线圈纵向，横向距离变化对系统传输特性的影响进行分析。文献[4]通过电路分析与参数计算详细研究了无线电能传输，但是没有通过磁场对线圈无线能量传输进行分析与研究。文献[5]分析了两线陶耦合机构传输效率与传输距离的关系，但是没有研究功率与传输距离的变化关系。

　　因此，文中通过有限元软件COMSOL对线圈进行仿真，针对分拣机器人的工作方式建立了三种线圈仿真模型，并对所提出的三种线圈仿真模型的磁场进行仿真与分析，同时分析研究了距离变化对系统传输特性的影响。

　　1 磁耦合谐振式无线电能传输系统因分拣机器人功率较小，并且长期处于移动工作状态下，线圈位置偏移较大，所以更适合采用磁耦合谐振式无线电能传输技术对分拣机器人进行供电68]

　　基本磁耦合谐振式无线电能传输系统由整流电路，逆变电路，稳压电路，能量耦合机构等部分组成，整体的系统结构如图1所示。

　　低频交流电源经整流逆变电路变换为线圈所需要的高频交流电，通过耦合谐振作用，将能量从发射线圈传递给接收线圈。经过整流稳压电路变换后，对负载进行供电。文中重点对耦合谐振线圈进行研究与分析。

　　限元软件 COMSOL 进行仿真，利用 AC / DC 模块中的磁场与电路进行三维建模和激励的添加，激励采用如图 2所示的外加电路。 在频域下进行研究分析。

　　在图2中，u，为理想交流电压源，C，C，为串联谐振电容，R，为负载电阻，R，R分别为发射线圈和接收线圈电阻。L，，12分别为发射线圈和接收线圈的自感。

　　M为两线圈之间的互感。i，i2分别为发射线圈与接收线圈中的电流910为避免较高频率所产生的高频损耗，以及提高线圈的品质因数来提高系统的传输特性。线圈仿真模型中谐振频率设定为1 MHz，由于工作场地以及分拣机器人高度的限制，垂直距离设定为10cm负载功率稳定在25W 左右。 在此基础上建立以下三种线圈模型，并分别进行分析。 三种线圈模型如图 3 所示。

　　2. 1　 静态系统模型

　　静态磁耦合谐振式无线电能传输系统耦合谐振线圈三维仿真图如图 3(a)所示，下方的平面螺旋线圈为

　　发射线圈，上方的平面螺旋线圈为接收线圈。 线圈参数如表 1 所示。 主要元件参数如表 2 所示。

　　2.2 动态系统模型

　　分拣机器人长期处于移动的工作环境下，因此，在系统静态模型建立的基础上，建立了两种动态系统模型。

　　2.2.1 多发射单接收系统模型在图3(a)仿真模型的基础上，建立多发射单接收系统模型。如图3(b)所示，下方的两个平面螺旋线圈为发射线圈，上方的平面螺旋线圈为接收线圈。接收线圈沿着发射线图排列的方向移动。发射线圈圆心之间的距离为16cm，外加电路与静态系统模型相同，每个发射线圈单独供电，电压为11 V，线圈参数见表1其它元件参数见表22.2.2 矩形轨道式系统模型图3(c)为矩形轨道式系统模型，下方的矩形轨道线圈为发射线圈，内部长48cm，宽18cm。上方的平面螺旋圈为接收线圈，线圈内半径为6cm。接收线圈沿着轨道的排列方向移动(即图中x的方向)。线圈参数如表3所示。主要元件参数如表4所示。

　　3仿真结果分析

　　为了更进一步的了解系统的传输特性，采用有限元软件COMSOL对以上三种线圈模型进行磁场仿真以及数值计算，仿真了三种模型的磁场强度，分析了仿真中横向及纵向距离变化对负载功率，传输效率的影响。

　　3.1 磁场强度仿真

　　对以上三种线圈模型的磁场强度进行仿真，三种模型的仿真切面图如图4所示。图4(a)、图4(c)、图4(e)为横向磁场切面图(即xy平面)，图4(b)、图4

　　(d)、图4(f)为纵向磁场切面图(即yz平面)。通过颜色和箭头的大小反映磁场的强弱，箭头的方向反映磁力线的方向。

　　由磁场切面图可知，静态线圈模型中平面螺旋线圈的内部磁场强度较大，在xy 平面内呈环形分布，磁场由内向外呈逐渐减弱的趋势。 随着离发射线圈纵向距离的增大，磁场逐渐减弱，有一部分磁场未与接收线圈发生耦合。

　　在多发射单接收线圈模型中，发射线圈所产生的磁场与静态模型中产生的磁场相似，每个发射线圈强度在xy平面内呈环形分布，磁场由内向外呈逐渐减弱的趋势。随着离发射线圈纵向距离的增大，磁场逐渐减弱，两个发射线圈都参与了磁场耦合。

　　矩形轨道式线圈模型中，xy平面内磁场分布均匀，与接收线圈正对的圆形面积磁场强度最大，磁场强度大致呈矩形向四周逐渐减弱。随着纵向距离的增大而磁场强度逐渐减小，矩形发射线圈只有一部分与接收线圈发生耦合，大部分磁场未参与能量的无线传输。

　　3.2静态系统仿真

　　静态磁耦合谐振线圈的外半径约为8cm，在横向偏移距离0cm-8 cm范围内进行仿真，传输效率如图5所示。

　　在两线圈完全对称情况下，传输效率最高为93.75%，随着横向距离的增加，传输效率逐渐减小，在横向偏移距离0-4 cm变化范围内，传输效率下降速度较慢，下降的最大幅度为2.11%，当横向偏移距离超过线圈半径的1/2时，传输效率下降速度逐渐加快。静态磁耦合谐振系统在较小的横向偏移的情况下，传输效率较高。

　　保持横向偏移距离为0cm，纵向距离在5cm ~30

　　cm间变化，其他参数不变。传输效率和负载功率变化曲线如图6所示。

　　由仿真结果可知，传输效率随着距离的增大逐渐减小，在5cm ~10 cm范围内降低较小，随着距离的逐渐增加，传输效率迅速减小。传输功率随着传输距离的增加先增大后减小，在20cm附近功率达到最大值。

　　3. 3　 动态系统仿真

　　针对所提出的两种动态模型，仿真了接收线圈沿轨道移动过程中，传输功率与传输效率的变化情况。

　　3. 3. 1　 多发射单接收系统仿真

　　两发射线圈之间的距离约为 0 cm，接收线圈从与发射线圈 1 完全对称的位置，移动到与接收线圈 2 完全对称的位置(即移动距离范围为 0 ～ 16 cm)。 传输效率和负载功率变化情况如图 7 所示。

　　由仿真结果可知，系统传输效率先增大后减小，在接收线圈移动到两发射线圈中间位置时，传输效率达到最高88.58%，之后，随传输距离进一步增大，传输效率逐渐减小。 传输功率在移动过程中变化相对平稳，在接收线圈与发射线圈 1 或发射线圈 2 完全对称的情况下，传输功率最高分别为 27. 21 W 和 27. 51 W。 在接收线圈移动到两发射线圈中间位置时，负载功率最小为 23.70 W。

　　3. 3. 2　 矩形轨道式系统仿真

　　矩形轨道式发射线圈内部长 48 cm，宽 16 cm。 接收线圈起始位置位于矩形轨道中间位置，线圈移动距离为 - 24 cm ～ 24 cm。 传输效率和负载功率变化情况如图 8 所示。

　　由仿真结果可知，当接收线图完全处于发射线圈内部时(移动范围为-12 cm-12cm)。系统传输效率和负载功率相对平稳，没有较大的波动。负载功率维持在25 w左右，最大波动差为0.84 w，传输效率维持在92%左右，最大波动差为1.1%。当接收线图的外侧接近发射线圈的边缘时(移动范围为-16cm

　　-12cm，12 cm-16 cm)，传输效率逐渐下降，负载功率逐渐的上升，但传输效率和负载功率整体变化趋势相对缓慢。随着移动距离的继续增大，接收线圈的一部分偏离出矩形线圈的区域，传输功率迅速增大，传输效率迅速减小。

　　4结束语

　　文中通过有限元软件COMSOIL对分拣机器人磁耦合谐振式无线电能传输系统线图进行仿真，针对分拣机器人的工作方式，提出三种线图模型，通过所建立的三种线圈模型，仿真了磁场强度的分布切面图，仿真并分析计算了纵向移动距离、横向移动距离对系统传输性能的影响。得出的结论如下：

　　(1)磁耦合谐振式无线电能传输系统在横向偏移距离较小时，传输效率下降幅度较小，对系统性能影响较小;

　　(2)最大功率点与最大传输效率点不重合，往往需要牺牲一方来提高另一方;

　　(3)平面螺旋线图所组成的多发射单接收系统，由于线圈与线圈之间互相耦合的影响，使整个系统长期处于偏谐振状态之下，需要解决发射线图之间相互耦合对系统性能的影响问题。

　　矩形轨道式动态系统与多发射单接收系统相比，传输效率与传输功率相对稳定，所需的材料相对较少，控制相对简单，更适合对分拣机器人进行动态充电。

　　参考文献

　　[1]杨庆新，张献，李阳，无线电能传输技术及其应用[M].北京：机

　　械工业出版社，2014.

　　[2]黄云霄，张强，牛天林，等，磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈

　　优化研究[J].计算机，2017，34(10)：172-176，304.

　　[3]肖思宇，马殿光，张汉花，等，耦合谐振式无线电能传输系统的线

　　圈优化「J].电工技术学报，2015，30(S1)：221-225.

　　Xiao Siyu.Ma Dianguang，Zhang Hanhua，et al.The Coil Model of Coup led Magnetic Resonance Wireless Power Transmission System[J].

　　Transactions of China Electrotechnical Society.2015，30(SI)：

　　221-225

　　[4]Wang Y，Song J，Lin L，et al.Parameters caleulation and simulation of magnetic coupling resonance wireless power transfer system[C]//2016

　　Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility APEMC).IEEE

　　.2016.1：587-590.

　　[5]Wang Y，Song J，Lin L，et al.Research on magnetic coupling resonance wireless power transfer system with variable coil structure[ C] / /2017 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies： Wireless Power

　　Transfer (WoW). IEEE， 2017： 1⁃6.

　　[6]杨庆新，章鹏程，祝丽花，等，无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题[J].电工技术学报，2015，30(5)：1-8.

　　[7]Strassner B，Chang Kai.Microwave power transmission historical milestones Proceedings of the IEEE and system components[J]，2013，101(6)：1379-1396.

　　[8]范兴明，莫小勇，张鑫，无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报，2015，35(10)：2584-2600.

　　[9]黄学良，王维，谭林林，磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化，2017，41(2)：2-14，141.

　　[10]谭林林，黄学良，赵俊锋，等，一种无线电能传输系统的盘式谐振器优化设计[J].电工技术学报，2013，28(8)：16，33.

　　[11]邓其军，范惠子，罗圭，接收端的电磁超材料对无线电能传输系统的影响[J].电测与仪表，2019，56(7)：16.

　　[12]仲崇德，朱武，张乐，谐振耦合式无线电能传输系统谐振线圈的优化设计[J].电测与仪表，2017，54(21)：116-121.

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 分拣机器人无线传能系统耦合机构的仿真

文章地址： http://www.qikanvip.com/mianfeiwx/57333.html