动态电容补偿在微机器人胶囊无线供能系统中的应用

微机器人胶囊采用电磁耦合无线能量传输时,为获得较高传输效率及功率,需使发射端和接收端在同一频率下达到理想谐振耦合状态。由于高频下线圈的分布电容、寄生电容以及等效电容的波动等因素影响,系统容易偏离原有的理想谐振状态,严重影响系统传输性能。分析了系统频率失谐的原因,提出一种动态电容补偿方法,通过反向补偿变化的电容值,使得系统重新恢复谐振状态,从而改善了系统的传输性能。实验结果表明该动态电容补偿方法是有效的。     

三线圈无线输能主回路研究与仿真分析

针对采用耦合模理论或二端口网络分析多线圈的无线输能系统,不能从理论上很好地揭示补偿电容与电感如何谐振的缺点,提出了变压器等效模型分析。对于三线圈输能系统,首先分析了主电路的基本结构,其次根据变压器等效原理将主电路进行等效,并基于谐振原则从理论上确定了补偿电容的值,最后理论推导了线圈间互感在设计值附近变化对系统特性的影响。仿真研究了负载、互感变化对系统性能的影响。研究结论为大功率无线输能系统设计提供了参考。     

一种磁耦合式谐振式无线电能传输系统的研究

在传统的无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统中,系统的发射线圈上的电流随负载变化会引起传输功率和效率的变化。针对该问题,我们采用集成式LCC补偿拓扑。采用二端口网络分析法对系统进行建模和分析,得出不同负载情况下,系统的输出电流和输入电压的增益、输入阻抗实部、系统效率的曲线。为了对系统参数的选择提供参考,我们通过分析负载和耦合系数对谐振元件的电压电流应力的影响,提出了谐振元件参数优化的方法。最后,搭建了集成式LCC补偿拓扑的WPT系统样机,实验结果证明了理论分析的正确性。     

旋转超声振动加工中非接触电能传输特性研究

针对旋转超声振动加工中接触式电能传输方式存在的弊端,提出了一种非接触电能传输系统。建立了非接触电能传输松耦合感应模型,理论分析了电能传输效率的影响因素,对松耦合变压器原/副边进行了阻抗匹配;仿真分析了系统电压增益、原/副边功率及传输效率随负载和松耦合变压器设计参数的变化规律;实验研究了系统传输效率和电源频率、磁芯间距之间的影响关系,证明了方案的可行性。     

逆变电源在微网中的控制策略仿真研究

为解决微网处于孤岛运行中,由于网内如风力发电、光伏发电等分布式电源的不稳定性而导致微网电压幅值和频率波动的问题,将下垂特性反向应用在可调电源的参考功率中,增加了功率补偿环节,实现了微网中各电源间无互联线的对等控制,使系统内部所有电源均参与微网电压和频率的支持.开展了对于并联供电的逆变型电源输出功率与电压频率间对应关系的分析,建立了微网因其他电源功率或者负载变动造成的功率缺失与可调电源输出端电压频率之间估算的关系,提出了补偿功率经由可调电源的输出端电压频率差值经比例计算的方法,同时可调电源的输出仍遵循下垂特性按电压源模式工作;在Matlab/Simulink平台上建立了仿真模型,仿真结果验证了逆变器并联供电中功率补偿的效果.研究结果表明,相对于传统下垂控制,该方法的应用明显减小了因系统中其他电源与负载突变带来的电压和频率波动幅度,能够有效弥补微网中功率的不平衡,保持微网电压和频率的稳定.     

振动拉削用双阀激振系统耦合增益特性分析与实验研究

电液伺服激振系统(Electro-Hydraulic Excitation system,EHES)其振幅增益特性往往难以描述和预测。针对上述问题,以双伺服阀并联EHES为研究对象,综合考虑伯努利流体汇流耦合和阀控非对称缸特性,建立了系统数学模型;分别通过Matlab/Simulink仿真计算和实验系统测试,研究汇流耦合影响下双阀并联有效振幅增益的规律特性。实验结果表明:所建立的数学模型能有效描述实际系统的增益特性;而汇流耦合主要影响了激振缸的负载流量饱和特性,使得双阀并联激振所输出的振幅增益随激振频率和控制信号幅值的变化,其有效增益在50%~70%间浮动。     

无线电能传输非线性拓扑补偿结构研究

无线电能传输技术以其安全、便捷等优点,在手机、电动汽车等领域受到越来越多的关注,其中的拓扑补偿结构设计是提高系统性能的关键.而补偿网络的研究多年来均采用线性理论和线性分析方法,在设备的安全性、鲁棒性、偏移容忍度等方面不能令人满意。针对上述问题,提出一种非线性拓扑补偿结构,建立了基于T参数矩阵的电路模型;使用有限元分析软件对其进行场路耦合瞬态仿真,解决了由于非线性模型难以得到解析解的难题,仿真计算出了磁性材料在非线性饱和状态条件下,系统的输出电压随负载和耦合系数变化的情况;综合理论分析与仿真实验结果,设计出了带有非线性补偿拓扑结构的无线电能传输实验系统。实验结果表明:该非线性拓扑补偿网络在输出负载剧烈变化、耦合系数k剧烈变化的情况下,输出电压基本稳定,其潜在性能表现有望超过现有线性拓扑结构。     

基于机械臂位姿变换的柔性负载伺服驱动系统控制策略

伺服驱动系统的柔性负载端转动惯量等参数随柔性机械臂位姿变化而变化,进而影响伺服驱动系统电动机输出端转速。为降低电动机输出端速度波动,采用极点配置的方法设计伺服驱动系统转速环PI控制器参数,该参数的选择随柔性机械臂位姿变化而变化,从而使伺服驱动系统在不同位姿下获得良好的动态响应特性,避免机械谐振发生。首先根据连续体振动理论和拉格朗日原理建立了柔性负载伺服驱动系统动力学模型,并通过状态方程求得电动机转速到柔性负载驱动转矩的传递函数。将变参数PI控制策略应用于伺服驱动系统转速环控制中,分析了柔性负载对转速环的控制特性的影响,采用极点配置的方法设计控制器参数。接下来分别采用相同幅值、相同阻尼系数、相同实部3种极点配置策略设计控制器参数。讨论了这 3 种极点配置策略不同参数对系统谐振峰值、谐振频率和带宽的影响。最后通过数值仿真分析表明:伺服驱动系统等效柔性负载参数与机械臂的位姿有关;柔性负载回转半径、转动惯量较大的情况,不适宜使用相同实部的极点配置方法,但其余两种方法可通过适当选择参数使电动机输出转速波动程度减小。     

基于整流补偿基波近似法的LCC谐振变换器参数设计

为解决因输出整流桥的存在而导致的LCC串并联谐振变换器谐振参数分析与计算复杂化这一问题,提出了利用整流补偿基波近似法对静电除尘用的具有电容型滤波器的LCC串并联谐振变换器负载进行线性化等效,将谐振变换器的并联电容、整流桥和负载等效为线性的RC串联电路,降低了变换器特性分析和参数计算的难度;在此基础上以18 k V/100 m A的高频静电除尘高压直流电源为例,给出了具有电容型滤波器的LCC谐振变换器参数的设计方法和设计参数,并用PSIM仿真软件进行了验证。研究结果表明:通过该方法设计出的谐振电路参数与实际的LCC谐振电路误差较小,针对高频高压静电除尘器电源的非线性负载,可以较为简便且准确地获得线性化等效模型;该方法对LCC串并联谐振变换器的参数设计和特性分析具有指导意义。     

电场能量采集器的最大输出功率追踪电路设计*

本文采用频率变换原理采集输电线周围电场能量,设计了一种能量采集电路,对超级电容充电。负载阻抗呈电容性,为非线性负载,充电过程中阻抗不断变化。为实现最大输出功率传输,设计了低功耗的最大输出功率追踪(MPPT)电路,采用频率值为32.768 k Hz石英晶体构成方波振荡电路,因电容电压不能突变,通过充电电流控制开关导通时间,构成电流反馈最大输出功率点追踪系统。最大输出功率追踪电路的工作电流为1.2 u A,工作电压为5 V,功耗为6 u W。实验结果表明,在充电36min时达到最大功率输出,储能电容电压的大小为0.32 V,输出功率最大为18 u W。相比于直接充电电路,最大输出功率电路的能量采集效率提高了50%。     

高压变压器寄生电容对电晕处理机工作频率影响的量化分析

为了量化高压变压器寄生电容对电晕处理机系统工作频率的影响,通过实验获得了高压变压器单独工作和带电晕处理机负载两种工作条件下的实验波形,测取了这两种工作条件下系统的谐振频率,通过理论分析计算得到了高压变压器寄生电容值和电晕处理机负载的等效电容值。通过对比发现,目前实验装置下高压变压器寄生电容值高达电晕处理机负载等效电容值的1.5倍,此时系统谐振频率约为理想条件下变压器谐振频率的0.6倍,研究分析结果表明寄生电容的存在对电晕处理机系统工作频率具有重要的影响。     

表面微坑超声振动加工系统负载调频特性研究

表面微坑超声振动加工技术对于改善缸套—活塞环摩擦副的摩擦润滑状态具有重要意义.针对表面微坑超声振动加工过程中谐振频率随负载漂移的问题,建立微坑加工等效负载与换能器谐振频率和调谐电感的关系模型,通过仿真和试验验证研究了外加负载变化时,谐振频率与调谐电感值的变化规律.结果表明,随着外加工具杆长度增加,换能器谐振频率呈下降趋势;通过在回路中串联一个调谐电感,补偿负载的变化量,可使换能器谐振频率回到设计谐振频率.可见外加调谐电感可有效解决表面超声微坑振动加工过程中谐振频率随负载漂移的问题.     

无SAR评估条件下心脏起搏器谐振式无线供能系统研究

目前,心脏起搏器谐振式无线充电系统存在比吸收率(SAR)安全问题。为最大限度避免SAR损伤,在频率10～100 kHz范围内,设计了一种基于LCC-C补偿的谐振式无线供能系统。同时考虑到频率、线圈偏移及补偿参数对系统传输性能的影响,建立了考虑等效串联电阻(ESR)的损耗电路模型。通过分析不同频率、LC参数和耦合系数条件下系统的输出功率和传输效率,综合确定了最佳频率及补偿参数。最后搭建实验系统检验系统供能效率、抗偏移能力、以及相应安全指标;结果表明,在两线圈圆心距横向偏移0～2/3条件下系统传输效率可达43.3%～73.2%,最大温升仅为0.8℃,且无需进行SAR评估,为提高人体植入式设备的安全性设计提供了一种有效的方法。     

体内微机电无线能量传输系统性能仿真与实验研究

介绍了体内微机电无线能量传输系统的基本构成,应用Matlab Simulink工具建立系统仿真模型,研究了负载对初级绕组电流和负载电压的影响,以及负载与系统频率对输出功率和传输效率的影响。同时建立了无线能量传输测试系统,仿真值与测试结果是一致的。     

LC并联对电感式磨损传感器检测精度的影响研究

针对LC并联对传感器的检测性能影响，基于传感器的检测原理，建立了LC并联结构下磨粒引起的传感器输出电动势的数学模型。采用COMSOL仿真软件对不同LC并联结构下的线圈模型进行磨粒检测电磁场仿真，重点对三线圈LC并联结构中检测线圈的并联电容参数进行优化设计。仿真结果表明：激励线圈LC并联谐振下，激励线圈电流随频率变化率增大，线圈轴向磁通密度增强；检测线圈LC并联结构极大增强传感器对磨粒的检测精度，当电容值为7.53 nF时，其输出信号峰峰值最大；三线圈LC并联结构下磨粒引起的输出信号比无电容结构条件下增强了11.65倍。研究结果为高灵敏度电感式磨损传感器的设计提供指导。     

非接触式旋转超声加工装置的电路补偿研究

针对松耦合变压器耦合系数较低和漏感的问题,对非接触电能传输装置的结构特性和补偿方式进行深入研究。借助Maxwell软件对松耦合变压器的磁场进行仿真分析,求解磁场的分布情况和不同气隙下对应的自感互感参数,并结合等效电路和松耦合系统的互感模型,阐明了四种补偿方式电容参数的计算过程。最后,通过理论计算和Multism仿真分析,研究不同补偿方式和多种因素对系统传输功率的影响。不同因素对传输功率影响的分析结果,可以为实际工程设计提供参考,具有重要的意义。     

双排行星齿轮系统频率耦合影响因素分析

针对双排行星齿轮动态响应中出现的频率耦合现象,利用Adams软件,对双排行星齿轮两种典型连接形式建立动力学仿真模型。将啮合力进行傅里叶分解并按照两排的齿频及其倍频合成。以两部分啮合力的幅值比例,研究连接刚度、转速与负载对双行星齿轮频率耦合影响规律,结果表明,对于串联形式的双排齿排连接,连接轴扭转刚度达到10~8N·mm(/°)及以上时,频率耦合影响比例稳定,当前排齿频影响比例始终高于耦合齿频影响比例;随转速升高,当前排齿频影响比例增大,而提高负载,当前排齿频影响比例减小,耦合频率影响比例与之相反;对于并联齿排负载与转速组合分析,在工作区间,两排中频率耦合影响比例表现形式类似,∑f_h减∑f_b正比于负载比减转速比;多排行星齿轮系统中,频率影响比例分布符合上述串联、并联齿排频率耦合规律,且并联齿排频率耦合情况较串联齿排严重。     

心脏起搏器无线能量传输装置的设计与研究

首先介绍了基于谐振磁耦合的心脏起搏器无线能量传输系统工作原理和电路补偿结构,然后建立了系统数学模型,推导了输出功率和耦合效率的数学公式,研制了心脏起搏器的谐振无线能量传输系统,包括选用集成电路芯片XKT-412与XKT-3168设计系统初级发射电路、次级接收电路,绕制初次级线圈,对补偿电容进行选型并进行负载匹配等。最后通过试验找出了系统最佳工作条件,实验结果显示当输入电压5V,传输距离10mm时,负载端电压为5.05V,输出功率0.543W,系统耦合效率可达43.41%,表明该设计是可行和有效的。     

差动式无级调速耦合传动试验台设计与研究

针对纯电动动力传动研究中,单个小功率电机因动力不足、调速范围小造成电机损坏和单个大功率电机自身负载大、能量损耗大等问题。设计了一种差动式并联耦合输入单输出的差动式耦合传动试验台,研究了试验台在不同工作模式下,负载变化时,输入输出转速和功率损失的变化关系。通过仿真试验与试验台测试运行表明,当电机达到稳定运行状态时,额定功率为0.49 k W,差动式耦合传动下平均输出功率约为0.482 k W,功率损失小于10 W,调速范围增大29.17%,传动效率大于81.7%,输出动力得到有效提升且重复性好。为后续继续研究耦合传动系统的动力优化提供了试验研究平台。     

谐振线圈非理想放置能量传输特性研究

谐振线圈的非理想放置会影响线圈间的互感,进而降低系统无线输电的传输功率和效率。以分析线圈水平侧移、角度旋转为出发点,设计并建立四线圈磁耦合无线充电模型,运用阻抗等效变换和电压等效变换推导系统输出功率和效率表达式,理论计算和商用HFSS软件仿真结果符合较好。谐振线圈平行状态下,当水平侧移量小于0.6倍线圈半径时,其变化对功率和效率的影响不大;当侧移量大于0.6倍线圈半径时,功率急速下降幅度更明显;侧移量保持不变,线圈偏转角度越大,效率越低;偏转角度保持不变,侧移量越大,效率也越低。