变电站巡检机器人充电系统电磁特性及优化设计

来源 :山东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sh_duoduo
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近年来,无线充电技术凭借自身的优势在电动汽车、医疗和通讯等行业推广应用。巡检机器人作为变电站日常巡检设备之一,其充电方式也采用无线充电来实现。然而,变电站内电磁场强度高,无线充电系统与外界电磁环境的电磁兼容问题逐渐显现出来。此外,巡检机器人无线充电技术基于磁场共振原理实现能量传输,需要合适的屏蔽结构限制系统产生的高频磁场,而传统铝板屏蔽结构严重影响无线充电系统的电参数,并导致传输效率下降,因此,通常采用具有高导磁的特性的铁氧体材料与金属结构结合的方式,减少传统金属屏蔽材料对无线充电系统的影响。基于此,本文研究了500k V变电站复杂电磁环境下巡检机器人无线充电系统特性及巡检机器人无线充电电磁辐射特性,结合理论分析和仿真计算提出一种“盒式”铝板-铁氧体复合屏蔽方案并通过实验室模拟实验验证其有效性,具体工作如下:(1)基于磁耦合谐振式无线充电原理搭建巡检机器人无线充电系统场路耦合模型,计算分析500k V变电站复杂电磁环境对巡检机器人无线充电系统传输功率的影响。计算结果表明:变电站工频磁场对于无线充电系统的影响可以忽略不计,而100k Hz的磁场对系统影响严重,导致传输效率下降,并且不同的磁场方向对系统影响不同;电场对系统安全性的影响忽略不计。(2)分析了金属屏蔽结构对无线充电系统电磁特性及电参数的影响规律,并搭建金属屏蔽模型,研究其对无线充电系统磁屏蔽和电参数的影响,计算分析铝板厚度、位置和几何结构等因素对金属屏蔽结构的磁屏蔽特性及对系统电参数的影响,并将平板金属结构优化为盒式结构。仿真结果表明:金属结构能有效将漏磁场限制在规定的安全限值以内;但是,由于金属板内会出现涡流,且附近磁场强度与涡流成正比关系,金属结构会导致发射端电压和电流明显增加,传输效率明显下降。(3)计算分析铝板-铁氧体复合屏蔽结构对无线充电系统磁屏蔽特性及电参数的影响。计算结果表明:增加铁氧体后,发射端电压及电流恢复至正常水平,并且金属板内电流密度下降了57.9%;然后优化铁氧体结构,减少铁氧体60%的使用量;最后计算采用复合屏蔽结构时,无线充电系统处于外界不同方向的100k Hz磁场环境时,传输效率由75.2%和58.4%提升至93.54%。(4)开展巡检机器人无线充电系统磁屏蔽模拟实验,研究不同金属屏蔽结构及铁氧体对无线充电系统磁屏蔽特性及电参数的影响。实验结果表明:铝板会严重影响无线充电系统电气参数,尤其是底部屏蔽板影响较大,增加铁氧体结构有效缓解铝板的影响,验证了铁氧体结构对缓解金属屏蔽结构对无线充电系统电参数影响的有效性。
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