一种UT型磁芯和导轨式UT型耦合结构无线供电系统

一种ut型磁芯和导轨式ut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，具体涉及一种ut型磁芯和导轨式ut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。
6.本技术包括两个主题，分别为：ut型磁芯、导轨式ut型耦合结构无线供电系统，具体方案为：
7.一种ut型磁芯，其特征在于，所述的磁芯由两部分组成，一部分为e型结构，另一部分为平板型结构，所述的平板型结构固定并覆盖在所述的e型结构的中间的立板的顶端、且与e型结构的底面平行，所述e型结构的凹槽的宽度为l，所述平板型结构的侧边与e型结构凹槽的内侧壁之间的距离大于0.3l。
8.进一步，所述的平板型结构具体为：长方形。
9.进一步，所述的平板型结构的厚度与所述的e型结构的底面的厚度相同。
10.导轨式ut型耦合结构无线供电系统，包括：导轨；其特征在于，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，所述的连接导线又连接供电装置；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；所述的磁芯为权利要求1所述的一种ut型磁芯，所述的接收线圈缠绕在所述的e型结构中间的立柱上；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。
11.进一步，所述的连接导线为拱形结构。
12.进一步，所述的连接导线为折线型结构，且所述折线型的夹角小于120
°
.
13.进一步，所述的折线型的夹角为45
°
。
14.进一步，所述的折线型的夹角为60
°
。
15.进一步，所述的发射导轨每一段的长度为1.25m。
16.进一步，所述的发射导轨每一段的长度为1m。
17.本技术的有益之处在于：本技术的第一个主题的有益之处在于：
18.克服了现有技术偏见,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ut型磁芯通过在原有e型磁芯的基础上,在其顶部增加一个没有将e型结构的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。该种磁芯结构与现有磁芯结构差异不是特别大，但结构的改变不是本领域的惯常设计手段，并且，该种结构改变解决了现有磁芯结构解决不了的技术问题、并获得了预料不到的技术结果，具体为：
19.1.ut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ut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。
20.2.在原有e型磁芯的基础上设置平板型磁芯，使得ut型磁芯制作简单。
21.3.在传输相同功率时使用ut型磁芯，与同体积的其它现有磁芯相比较，具有更高的功率密度。
22.4.在传输相同功率时使用ut型磁芯，在保证相同的功率密度前提下，与其他现有磁芯相比，体积更小，降低了成本，同时由于体积小、重量也更轻，更适合应用于悬挂式的无线供电系统等需要轻量化的场景中。
23.本技术的第二个主题的有益之处在于：
24.相较于矿井下单轨吊车的实际应用环境，1、相同功率密度前提下ut型磁芯重量更轻；2、ut型的结构易于通过发射导轨的过渡节点，2、较传统的e型耦合机构，相同体积的ut型磁芯具有更好的耦合性能、更高的功率密度。
25.本发明所述的ut型磁芯适合应用于需要轻质量的环境中。
26.本发明所述的导轨式ut型耦合结构无线供电系统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
27.图1为实施方式一中提到的应用于导轨式无线供电系统的ut型磁芯的主体示意图；
28.图2为实施方式四中提到的导轨式ut型耦合结构无线供电系统的主体示意图；
29.图3为实施方式四中提到的导轨式ut型耦合结构无线供电系统的主视图；
30.图4为实施方式四中提到的导轨式ut型耦合结构无线供电系统的侧视图；
31.图5为实施方式四中提到的导轨式ut型耦合结构无线供电系统的俯视图；
32.图6为实施方式一中提到的ut型耦合磁芯的主视图和其尺寸标记；
33.图中单位为mm；
34.图7为实施方式一中提到的ut型耦合磁芯的侧视图和其尺寸标记；
35.图中单位为mm；
36.图8为实施方式一中提到的ut型耦合磁芯的俯视图和其尺寸标记；
37.图中单位为mm；
38.其中，1为发射导轨，2为磁芯，21为平板型结构，22为e型结构凹槽的侧壁，23为e型结构的凹槽，24为e型结构的底面，25为e型结构的中间的立板，3为接收线圈。
具体实施方式
39.下面参见附图对本技术做进一步解释说明。
40.实施方式一、参见图1和图6-8说明本实施方式，本实施方式提供了一种ut型磁芯，所述的磁芯由两部分组成，一部分为e型结构，另一部分为平板型结构21，所述的平板型结构21固定并覆盖在所述的e型结构的中间的立板25的顶端、且与e型结构的底面24平行，所述e型结构的凹槽23的宽度为l，所述平板型结构21的侧边与e型结构凹槽的内侧壁22之间的距离大于0.25l。
41.其中，l为70mm；
42.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；
43.具体的，因为本技术提供的ut型磁芯是在原有的e型磁芯的基础上增加了平板结构，所以在结构上就可以将其看作u型和t型的结合，故有ut型磁性的命名；
44.参见图6-8，磁芯结构的e型部分，长为300mm，宽为250mm，高为70mm，凹槽的宽为70mm，凹槽的高为50mm，侧壁的厚度为30mm，中间的立板的宽度为50mm，平板部分的长度为450mm，宽为100mm，厚度为10mm。
45.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一种ut型磁芯的进一步限定，所述的平板型结构21为：长方形。
46.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一种ut型磁芯的进一步限定，所述的平板型结构21的厚度与所述的e型结构的底面24的厚度相同。
47.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ut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1、接收线圈3、磁芯2和供电装置；所述
的发射导轨1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，所述的连接导线又连接供电装置；所述至少一段的发射导轨1呈一字型排列；所述的供电装置用于给所述发射导轨1供电；所述的磁芯2为权利要求1所述的一种ut型磁芯，所述的接收线圈3缠绕在所述的e型结构中间的立柱上；所述的发射导轨1的两根直线导线分别穿过所述的磁芯2的两个凹槽。
48.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。
49.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。
50.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ut型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的连接导线为拱形结构。
51.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ut型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的连接导线为折线型结构，且所述折线型的夹角小于120
°
。
52.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ut型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述折线型的的夹角为45
°
。
53.实施方式八、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ut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的夹角为60
°
。
54.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ut型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的发射导轨1每一段的长度为1.25m。
55.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ut型耦合结构无线供电系统的进一步限定，所述的发射导轨1每一段的长度为1m。
56.实施方式十一、本实施方式是对本技术提供的导轨式ut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：
57.当发射导轨1为2匝，接收线圈3为6匝时，e型耦合机构和ut型耦合机构的对比如表1所示。
58.表1耦合机构性能对比
[0059][0060]
将上述两类耦合机构部分参数以e型耦合机构的对应的参数作为参考变量，做归一化处理，做两类耦合机构的综合成本对比，如表2所示。
[0061]
表2两类耦合机构综合成本对比
[0062]
[0063][0064]
从表2可以看到，ut型相较于e型耦合机构无论是在互感还是耦合系数的增长比例均大于在磁芯2方面的增加比例，ut型耦合机构的互感增加比例为1.74，但质量比例仅为1.14，意味着同体积下，ut型耦合机构的互感增加比例近似可达1.52。由于输出功率和互感呈正向关系，因此，在传输相同功率时使用ut型耦合机构可以使得系统的整体设计更轻量化，以及具有更高的功率密度的特性；综上所述，ut型的综合性能大于e型耦合机构的性能。
[0065]
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、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。