1、矿用蓄电池电机车无线充电系统实验研究李相呈（山西焦煤西山煤电东曲矿运输三队，山西古交030200）摘要：矿用蓄电池电力机车在传统的充电过程中，经常会出现充电时间长、充电线漏电等情况。基于此，提出了一种新型的矿用电力机车无线充电系统。该系统的核心部件是松耦合变压器。采用有限元软件 ANSYS Maxwell 对松耦合变压器一次铁芯与二次铁芯匹配误差对工作效率的影响进行深入研究，并进行了实验验证。仿真和测量结果表明，铁芯气隙越小，变压器效率越高；当位移误差在规定范围内时，对变压器的影响也很小。关键词：矿用电机车无线充电系统松耦合变压器位移偏差中图分类号：TD642文献标识码：A文章编号：1003-
2、773X（2023）02-0027-03引言传统的矿用蓄电池电力机车充电工艺主要采用矿用整流充电机，电力机车应从地下运输到地面充电，该过程消耗的人力、物力较大，充电效率极低，对井下的生产效率也造成了一定的影响。此外，在充电时，配套电缆还容易出现漏电、生成电火花等安全事故1。为解决上述问题，研究了一种矿用蓄电池电力机车无线充电装置，并对其核心部件松耦变压器进行了详细分析。1矿用电机车无线充电系统本文所研究的矿用电机车无线充电系统的基本结构和组成如图 1 所示。从图 1 中可以看出，充电系统设置在矿用电机车轨道附近，对于传统的矿用变压器整流充电器，原辅侧、侧线圈和铁芯直接连接到充电站的电源上，原边
3、接收线圈和铁芯配合整流电路稳压器使得电机车在充电过程中保持稳定2。当电机车需要充电时，还可使用充电系统中的机械臂抓手对原边次输入接收线圈的铁心加以抓取，从而与次级线圈以及铁心之间实现了精确的衔接，形成了具有气隙的松耦合变压器，通过压缩空气作为介质来实现电力的传递过程，从而也实现了矿用对电机车无线介质充电的目的。2松耦合变压器结构及参数作为矿用蓄电池式电机车等无线网络充电系统的主体组成部分，松耦合变压器的原边输入线圈以及副边输入线圈，都分别由单独的铁磁性材料相绕，并通过电感耦合的方式来完成电机车电能的传输过程。在矿用发电机车等无线网络充电系统中，对松耦合变压器的特性与尺寸也有一定的规定。而针对于
4、井下的特种作业环境，其松耦合变压器的稳定性要高、可移动结构质量也要小。为此，本文选用 EI 型松耦合变压器，如图 2 所示为其结构简图，主要参数如下页表 1所示。当 E 型铁芯和 I 型铁芯同时抓在系统的机械臂上时，两个铁芯在水平和垂直方向上都会有气隙大小和偏移，即气隙的大小会发生变化，协调时两个铁芯的横向位移和纵向位置误差3。以上这三项参数变化的产生会造成松耦合变压器二侧漏感差很大，甚至超过磁化电感，从而影响变压器的耦合系数，大大降低了变压器的工作效率。所以，有必要利用模拟和试验研究铁心气隙与侧向偏移误差、纵向偏移误差和松耦合变压器间的相互作用。收稿日期：2022-03-25作者简介：李相呈
5、（1985），男，山西平遥人，本科，毕业于太原工业大学机械设计制造及其自动化专业，机电助理工程师，研究方向为煤矿机电。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.010图 1电机车无线充电系统结构组成图 2EI型松耦合变压器结构图矿用电机车蓄电池组机械臂抓手整流装置机械臂I 型铁芯E 型铁芯及副边线圈工作台原边线圈H1H2H0H3H4L3L2L1dgAAA-AL0B2B1R1R0R2试验研究机械管理开发第 38 卷3仿真模
6、拟分析3.1参数化模型的搭建通过建立参数模型，将松耦合变压器的参数设置为自变量。通过改变参数的大小，分析了参数对松耦合变压器性能的影响。根据溶液类型设置静电场。在模型励磁期间，变压器 A、B 和 C 的相位差分别为120。基于中间相 B的电流，将其他两个相的电流设置为 B相的 1/2，并且电流方向不同。此外，向模型添加边界条件，并将其大小设置为模型的两倍。3.2仿真结果与分析仿真的研究对象是松耦合变压器各线圈的互感耦合系数。将自变量分别转换为气隙、横向位移偏差和纵向位移偏差，保持其他参数不变进行仿真，得到互感耦合系数与相应变量之间的仿真曲线，如图 3 所示。由图 3-1 可以看出，同排线圈的互
7、感耦合系数与气隙大小成反比；中间线圈的互感通常大于其他两个线圈的互感；当气隙趋于无穷大时，互感耦合系数总是在某一数值附近浮动。由图 3-2 可以看出，当铁芯横向位移偏差不超过 50 mm 时，同一立柱内线圈间的互感耦合系数几乎不受影响；当横向位移偏差大于50 mm时，相应的互感耦合系数迅速减小。中间立柱的互感耦合系数高于其他两根立柱。由图 3-3 可以看出，当铁芯纵向位移偏差不大于 40 mm 时，同排线圈之间的互感耦合系数影响不大；当纵向位移偏差增大到 40 mm 以上时，A 柱的互感耦合系数迅速下降，而其他两柱的互感耦合系数变化不大。4实验研究4.1实验装置为了进一步验证仿真结果的可靠性，
8、又展开了进一步研究。本实验中使用的无线充电系统变压器是一种特殊的 EI 松散耦合干式变压器，正常运行时电压为 380 V，内部功率容量为 25 kVA。一次侧线圈连接为“Y”型，二次侧线圈连接为三角形4。此外，变压器铁芯可拆卸，分为 E 型铁芯和 I 型铁芯，分别与二次线圈和一次线圈连接。该系统的机械臂为 SR165 型驱动臂，配有变压器初级线圈和铁芯，整流设备采用全波整流柜。考虑到试验的安全性，将原电阻负载机车铅酸蓄电池组改为大功率电阻箱。系统的电气参数值可通过多功能仪表实时监测和存储。4.2实验过程一次将输入线圈与 E 型铁芯接通，系统用机械手臂抓取 I 型铁芯，从而实现了与 E 型铁芯的
9、准确衔接过程。通过调节机械手臂的位移方向，使铁芯的气隙、横向位移误差和纵向位移误差的初始值均为零，即松耦合变压器的初始位移。另外，还应该记下各部位的平均输出、输入电压和电流。机械手通过向上移动 I型铁芯来改变气隙的尺寸。将每次的移动距离设定为1 mm，在 015 mm之间进行移动；通过控制机械手臂使 I 型铁芯横向、纵向移动，每一次的移动距离设定参数初始值/mm铁芯参数铁芯铁柱的半径，R055铁柱间距，L05 900铁芯铁柱的高度，H0360I 型铁芯的高度，H395E 型铁芯底部的高度，H495原边线圈参数原边线圈的半径，R170原边线圈的厚度，B110原边线圈的高度，H1165副边线圈参数
10、副边线圈的半径，R270副边线圈的厚度，B210副边线圈的高度，H2165表 1EI型松耦合变压器参数3-1互感耦合系数与气隙3-2互感耦合系数与横向位移3-3互感耦合系数与纵向位移图 3互感耦合系数与对应变量之间的仿真曲线0.8500.8450.8400.8350.8300.8250.8200.8150.8100.8050.8001020304050607080901000气隙/mm互感耦合系数A柱两线圈B柱两线圈C柱两线圈0.8500.8450.8400.8350.8300.8250.8200.8150.8100.8050.800互感耦合系数A柱两线圈B柱两线圈C柱两线圈030609012
11、0150横向位移偏差/mm0.8500.8450.8400.8350.8300.8250.8200.8150.8100.8050.800互感耦合系数1020304050607080900纵向位移偏差/mmA柱两线圈B柱两线圈C柱两线圈282023 年第 2 期为 5 mm，在 090 mm之间进行移动，同时记录下相应的电气参考尺寸。4.3实验结果分析如图 4 所示，为气隙变化的情况下变压器的输入、输出电压以及电流的示意图。从图 4 中可以看出，当铁芯间的气隙进一步增大时，输入电压、输出电压以及输出电流基本不会改变，而输入电流则会随之变大。由此可以得出结论，当气隙进一步减小时变压器的效率会增大。
12、为此，又以同样的实验方式对不同横向位移以及纵向位移偏差下的变压器电气参数进行了分析。其结果表明，横向位移偏差在 50 mm 范围内时，变压器的各项电气参数也都不发生明显变化。一旦超过了 50mm，输入电流大小会快速上升，其余参数大小基本不变，可以知道当横向位移偏差大于 50 mm 时，变压器的工作效率会不断降低；纵向位移偏差在 40 mm 范围内时，变压器的各项电气参数基本保持不变，随着偏差值的增长超过了 40 mm，输入电流大小会快速上升，其余参数大小不发生变化，可以知道如果纵向位移偏差超过了 40 mm，变压器的工作效率也会下降。5结语本文在传统电力机车充电系统的基础上，提出了一种新型的无
13、线充电系统，其核心部件是松耦合变压器。通过仿真与实验相结合的方式，分析各项电气参数的变化与互感耦合系数之间的变化关系，进而得出对应的系统运行效率的影响，该研究为提升矿用蓄电池电机车的充电效率与安全提供了一定的理论依据。参考文献1张旭.感应耦合式电能传输系统的理论与技术研究D.北京：中国矿业大学（北京），2011,2时剑文，邱利军，孙珂.矿用电机车无线充电系统松耦合变压器研究J.工矿自动化，2017（2）：65-70.3贺凯,矿用蓄电池电机车无线充电系统研究D.北京：中国矿业大学（北京），2016.4李金鑫.变压器中的互感问题研究J.沧州师范专科学校学报，2011（4）：120-122.（编辑：
14、王慧芳）4-1变压器输入、输出电压4-2变压器输入、输出电流图 4不同气隙下变压器的输入、输出电压以及电流示意图Experimental Study on Wireless Charging System of Mine Battery Electric LocomotiveLi Xiangcheng（Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity Dongqu Mine,Gujiao Shanxi 030200）Abstract:In the traditional charging process of mine battery electric lo
15、comotive,there are often situations such as long charging time,charging line leakage,etc.Therefore,a new wireless charging system for mine electric locomotive is proposed.The core component of thesystem is a loosely coupled transformer.The influence of matching error between primary core and seconda
16、ry core of loosely coupledtransformer on working efficiency is studied by using finite element software ANSYS Maxwell,and experimental verification is carried out.The simulation and measurement results show that the smaller the core air gap is,the higher the transformer efficiency is.When thedisplacement error is within the specified range,the influence on the transformer is also small.Key words:mining electric locomotive;wireless charging system;loose coupling transformer;displacement deviation