交错U型磁芯以及导轨式交错U型耦合结构无线供电系统的制作方法

交错u型磁芯以及导轨式交错u型耦合结构无线供电系统
技术领域
1.涉及有轨道限制的无线供电系统的耦合机构设计领域，具体涉及交错u型磁芯以及导轨式交错u型耦合结构无线供电系统。


背景技术：

2.绿色智慧矿山的规划建设对处于高瓦斯粉尘的矿井下用电设备的安全用电性提出了更高的要求。目前矿井下用电设备的供能方式主要有三类，即受电弓架线接触性供电、柴油机供能和蓄电池供电。单轨吊车以其牵引能力强、工作效率高的优势已经被广泛应用于国内外的煤矿开采运输系统中。采用接触性供电方式会因电线的接触而产生火花，甚至爆炸现象；采用柴油机供能方式易污染环境，且柴油不可再生，非绿色环保；采用蓄电池供电方式受电池容量的限制，需要不定时返回井上进行充电，无法进行远距离的施工操作。而采用动态无线电能传输技术的单轨吊车系统，既避免了受电弓架线接触性供电带来的安全性问题和柴机油供能造成的井下环境污染问题，又可以降低车载电池容量需求，增加续驶里程，提高电能补给的便捷性。
3.对于采用动态无线电能传输技术的单轨吊车系统，由于有轨道限制，属于导轨式无线电能传输系统。耦合机构作为实现无线电能传输的桥梁，是系统设计中最重要的一环，耦合机构包括能量发射机构和能量拾取机构。在导轨式无线电能传输技术中的发射机构多为长导轨式，而拾取机构的结构却是变化多样。早期的研究中有e型、u型、s型等拾取机构。此后，陆续有文献提出了双环形拾取机构、y型拾取机构。其中e型、u型、s型等拾取机构造型简单，制作方便，但耦合性能不高，双环形及y型拾取机构耦合性能较高，但在传输大功率时磁芯易于饱和。
4.对于井下单轨吊车供电系统的发射导轨，需要将其悬挂在空中，因此对拾取机构的磁芯形状也有所要求，即耦合机构要能顺利地通过发射导轨的过渡节点处。基于这一限制，s型、双环形及y型等拾取机构不能在单轨吊车的供电系统中得到应用。


技术实现要素：

5.针对现有的无线电能传输技术中，e型、u型、s型等拾取机构造型简单，制作方便，但耦合性能不高，双环形及y型拾取机构耦合性能较高，但在传输大功率时磁芯易于饱和，并且s型、双环形及y型等拾取机构不能在单轨吊车的供电系统中得到应用的问题，本技术采用的技术方案为：
6.本技术提供了交错u型磁芯，所述的磁芯由三部分组成，第一部分为u型结构，所述的u型结构的凹槽宽度为l；第二部分与第一部分形状一致，第三部分为两个长条形结构；所述的第一和第二部分采用交错式固定连接，所述的第一部分和所述的第二部分分别通过自身侧壁的侧面相连，开口朝向同一方向，其中所述的第一部分和第二部分的侧壁相连组成的平板定义为平板q；所述的两个长条形结构分别固定在所述的平板q上，具体位置为靠近所述u型结构开口处的边缘的两侧，所述的长条形结构沿所述的u型结构的凹槽宽度方向的
宽度小于0.7l。
7.进一步，所述的长条形结构的长度与所述的平板q的长度一致。
8.进一步，所述的长条形结构的长度比所述的平板q的长度长5mm。
9.基于同一发明构思，本技术还提供导轨式交错u型耦合结构无线供电系统，包括：导轨；所述系统包括：发射导轨、接收线圈、磁芯和供电装置；所述的发射导轨至少一段，每一段包括：两段直线导线和用于将所述两段直线导线首尾相连形成闭环的两段连接导线，所述的两段直线导线互相平行且中间留有空隙，所述的连接又连接供电装置；所述至少一段的发射导轨呈一字型排列；所述的供电装置用于给所述发射导轨供电；所述的磁芯为所述的交错u型磁芯，所述的接收线圈缠绕在所述的平板q上；所述的发射导轨的两根直线导线分别穿过所述的磁芯的两个凹槽。
10.进一步，所述的连接导线为固拱形结构。
11.进一步，所述的两段连接导线具体为：两段折线型导线；所述的折线型导线为为固定折线型结构，由两根直线导线相连组成，且两根直线导线之间的角度小于120
°
。
12.进一步，所述的折线型的夹角为45
°
。
13.进一步，所述的折线型的夹角为60
°
。
14.进一步，所述的发射导轨每一段的长度为1.25m。。
15.进一步，所述的发射导轨每一段的长度为1m。
16.本发明的有益之处在于：
17.本发明提供的交错u型磁芯的有益之处在于：
18.克服了现有技术偏见,首先，本发明所述的磁芯与现有磁芯的设计原理完全不同，现有磁芯结构都是镜像对称结构，而本发明所述的磁芯不是镜像对称结构，且工作原理也有较大的差异，交错u型的结构不是镜像对称型结构，可以起到在相同的磁芯用量的基础上，通过结构交错，有效地延长接收端线圈在行车方向的整体长度，使耦合机构在行车方向上与发射导轨达到更好的耦合作用。其次，在现有的单轨吊车动态无线电能传输技术中,因为要在节约电能的前提下设计发射导轨,所以本领域技术人员通常采用分段式设计的发射导轨,而顶部封闭式的磁芯无法在相应的导轨中自由移动,所以本领域技术人员只采用在现有磁芯形状不变的情况下,通过增加磁芯的体积以达到向吊车传输更多的电能的目的,而没有考虑采用在原有结构的基础上增加新的特征,来达到向吊车传输更多的电能的目的；本技术提供的交错u型磁芯通过将磁芯的顶部替换为一个没有将开口封闭的平板结构,增加了互感系数,同时又不会妨碍磁芯在相应的导轨中自由移动。
19.1.交错u型磁芯较现有的e型磁芯在中间的立柱的顶端有行车方向上的延长，使该磁芯在行车方向捕获更多的磁场；同时交错u型磁芯在与行车方向水平垂直的方向上有延长，减少耦合机构主磁路部分的磁阻。
20.在传输相同功率时使用交错u型耦合机构可以使得系统的整体设计更轻量化，降低了成本并且具有更高的功率密度。
21.相同的磁芯质量情况下，交错u型耦合机构的互感及耦合系数明显大于e型耦合机构，其中：互感系数超过同质量e型耦合机构1.5倍，耦合系数超过同质量e型耦合机构1.2倍。
22.本发明提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的有益之处在于：
23.相较于矿井下单轨吊车的实际应用环境，交错u型磁芯易于通过实际拱形悬挂机构，且采用第一主题提供的磁芯使得本技术提供的耦合机构较传统的e型耦合机构具有更好的耦合性能。
24.适合应用于采用动态无线电能传输技术的单轨吊车系统中。
附图说明
25.图1为实施方式一中提到的交错u型磁芯的主体示意图；
26.图2为实施方式四中提到的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的主体示意图；
27.图3为实施方式四中提到的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的主视图；
28.图4为实施方式四中提到的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的侧视图；
29.图5为实施方式四中提到的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的俯视图；
30.其中，1为发射导轨，2为磁芯，3为接收线圈。
具体实施方式
31.为使本发明的技术方案和优点表述更清晰，现结合附图对本发明的几个较优实施方式做进一步说明，但以下所述实施方式仅仅为本发明的几个较优实施方式而已，并不用于做为对发明的限制。
32.实施方式一、参见图1说明本实施方式，本实施方式提供了交错u型磁芯，所述的磁芯由三部分组成，第一部分为u型结构，第二部分与第一部分形状一致，另一部分为两个长条形结构；所述的第一和第二部分采用交错式固定连接，所述的第一部分和所述的第二部分分别通过自身侧壁的侧面相连，开口朝向同一方向，所述的两个长条形结构分别固定在所述的第一部分和第二部分连接后的两个侧壁形成的平面上，具体位置为靠近所述u型结构开口处的边缘的两侧，所述的长条形结构向所述的u型结构的侧壁方向的宽度小于所述的u型结构的开口的宽度至少10mm。
33.其中，磁芯的尺寸可根据磁场有限元仿真软件进行优化设计。
34.实施方式二、参见图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的用于导轨式无线供电系统的交错u磁芯的进一步限定，所述的长条形结构的长度与所述的平面长度一致。
35.实施方式三、参见图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的用于导轨式无线供电系统的交错u磁芯的进一步限定，所述的长条形结构的长度比所述的平面长度长5mm。
36.实施方式四、参见图2-5说明本实施方式，本实施方式提供了导轨式交错u型耦合结构无线供电系统，包括：导轨；所述系统包括：发射导轨、接收线圈、磁芯和供电装置；所述的发射导轨至少一段，每一段包括：两段直线导线和用于将所述两段直线导线首尾相连形成闭环的两段连接导线，所述的两段直线导线互相平行且中间留有空隙，所述的连接导线又连接在所述的导轨上；所述至少一段的发射导轨呈一字型排列；所述的供电装置用于给所述发射导轨供电；所述的磁芯为实施方式一中提供的用于导轨式无线供电系统的交错u型磁芯，所述的接收线圈缠绕在所述的第一部分和第二部分连接后的两个侧壁形成的平面上；所述的磁芯与所述的发射导轨耦合，所述的发射导轨的两根直线导线分别位于所述的
磁芯的两个凹槽内。
37.其中，发射导轨1的长度可以根据实际的传电线路进行设计，由于发射导轨1越长，对应的线圈的交流内阻越大，线圈损耗也越大；设系统正常工作时，接收端的功率为p
out
,电源输入的功率为p
in
，p
in
可由下式计算：
38.p
in
＝p
out
p
loss
pe39.其中pe是系统电力电子部分对应的损耗，p
loss
对应着线圈部分的损耗，在耦合机构结构和线圈匝数确定的情况下，线圈损耗与发射导轨1长度呈正向关系，即发射导轨1越长，对应的线圈的交流内阻越大，线圈部分的损耗也越大，系统的效率越低。线圈损耗与发射导轨1长度l关系可表达为：
40.p
loss
∝
l
41.系统的效率为：
[0042][0043]
若此时系统的效率小于系统设计预期的效率，则可以减小l，提升系统效率；若此时的效率大于系统设计预期的效率，则可以加长l,直至系统的效率为预期设计的效率。
[0044]
当实际传输线路距离较远时，可以降低能量发射导轨1的匝数，来减少能量发射导轨1的损耗。能量接收发射线圈的匝数可根据实际互感的需求来进行设计，线圈匝数和互感之间的关系可以根据以下公式进行计算：
[0045][0046]
其中l
p0
、l
s0
、m0为能量发射导轨1和能量接收线圈3单匝时，各自的自感及两者之间的互感；l
p
、ls、m为能量发射导轨1和能量接收线圈3匝数为n
p
、ns时，各自的自感及两者之间的互感。
[0047]
上述能量发射导轨1和能量接收线圈3均采用利兹线绕制，以减少线圈之间的临近效应和线圈自身的集肤效应，磁芯2材料采用pc95材质的铁氧体。
[0048]
本实施方式的有益之处在于：发射导轨1采用悬挂形式，该耦合机构能够顺利地通过各段发射导轨1的节点。
[0049]
实施方式五、参见图2-5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的两段连接导线具体为：两段拱形导线；所述的两段拱形导线为固定拱形结构。
[0050]
实施方式六、参见图2-5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的两段连接导线具体为：两段折线型导线；所述的折线型导线为为固定折线型结构，由两根直线导线相连组成，且两根直线导线之间的角度小于180
°
。
[0051]
实施方式七、参见图2-5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式六提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的进一步限定，其特征在于，所述的两根直线导线之间的角度为45
°
。
[0052]
实施方式八、本实施方式是对实施方式六提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的两根直线导线之间的角度为60
°
。
[0053]
实施方式九、参见图2-5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的发射导轨每一组的长度为1.25m。。
[0054]
实施方式十、参见图2-5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的发射导轨每一组的长度为1m。
[0055]
实施方式十一、本实施方式是对本技术提供的导轨式交错u型耦合结构无线供电系统提供一个具体的实施例，作为对本技术效果的进步一解释说明，具体为：
[0056]
本发明的耦合机构较传统的e型耦合机构，在相同的磁芯用量下，具有更好的耦合性能。举例说明，当发射导轨为2匝，接收线圈为6匝时，e型耦合机构和交错u型耦合机构的对比如表1所示。
[0057]
表1耦合机构性能对比
[0058][0059]
可以看到在相同的磁芯用量情况下，交错u型耦合机构的互感及耦合系数明显大于e型耦合机构。
[0060]
以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用于限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所做的任何修改、实施方式的组合、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。