矿用蓄电池电机车无线充电系统研究

发布时间：2017-09-28 10:23

  本文关键词：矿用蓄电池电机车无线充电系统研究

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【摘要】：矿用电机车主要应用于煤矿井下运输大巷和地面长距离运输,是煤矿运输领域的重要设备。大多数矿用电机车采用蓄电池作为动力来源。目前,传统的矿用蓄电池电机车的充电方法是将电池组拆卸,放入充电硐室,使用有线充电机进行充电。这种充电方式自投入使用以来,存在诸多问题,如接触点容易产生电火花、导线暴露、对接触元器件损耗较大等,同时,这种直接接触的充电方式很容易受到外界的粉尘、水、污染物等物质的影响,具有一定的局限性。另外,由于该充电方式只能在固定的场所进行,为生产带来了诸多不便。因此,本文设计了一套新型的基于感应耦合电能传输原理的蓄电池无线充电系统。该系统能够实现电能的无线传输,利用电磁感应耦合原理,将能量通过电磁场从初级端传递到次级端,弥补传统有线电能传输方式的不足。本文利用基于松耦合变压器的感应耦合电能传输技术的优势,对传统的矿用蓄电池电机车充电系统进行了改造,将充电机的核心部件,即紧密耦合的变压器用松耦合变压器进行替代,将松耦合变压器的初、次级端磁芯分离,并通过机械臂来驱动初级端使其与次级端进行空间对接,使松耦合变压器两边具有理想的相对位置,实现电机车的无线充电。论文的研究内容主要包括以下几点:1.对松耦合变压器进行计算和仿真研究松耦合变压器是无线充电系统的重要组成部分,是实现非接触式电能传输的关键部件,在初级端磁芯以及次级端磁芯之间存在着一定的空隙。较大漏感的空隙直接降低了松耦合变压器的耦合系数,减小了能量的传递效率。本论文以原蓄电池充电机柜内的传统紧密耦合的变压器为基础,设计了一套双边分离的EI型松耦合变压器,并针对实际工作中该变压器容易产生的气隙、横向纵向位移偏差等因素对其耦合性能的影响进行了计算和仿真,得出量化的精确对中性接触指标。2.驱动机械臂的运动学分析由于矿用蓄电池电机车功率大,初次级线圈质量大,实现对中困难,故采用一套具有六自由度的机械臂来实现对中。在机械臂本身设计结构参数的基础上,本文通过利用D-H空间建模方法,从运动学正问题和运动学逆问题两个方面来研究其运动学特性。在运动学正问题上,通过研究两个相邻关节的空间坐标变换方法,得出了由机械臂各个关节的空间角度得出末端执行单元空间位姿的方法;从运动学逆问题的角度上来看可以参考机械臂末端执行器所具有的空间位姿,结合机械臂运动空间的限制条件来计算各个关节的运动角度。最后,利用MATLAB对机械臂的运动学模型进行仿真研究。3.驱动机械臂轨迹规划技术的研究为了提高机械臂在驱动初级端磁芯时的运动精度,需要对路径规划技术进行研究,本文从笛卡尔空间坐标和机械臂关节空间坐标来分别进行研究。首先,针对笛卡尔空间中的直线运动轨迹和圆弧运动轨迹,研究了直线插补方法和圆弧插补方法。接着,在关节空间中,利用五次多项式插值法,研究了单个关节的轨迹规划方法及其优化策略。最后,针对六自由度机械臂各个关节运动同时性和协调性的要求,研究了六自由度机械臂同时进行路径轨迹规划的方法。4.EI型松耦合变压器能量传输性能及机械臂精确定位技术的实验研究研制EI型松耦合变压器样机,研究了气隙、横向位移偏差等参数对能量传输效率的实际影响,证明了仿真结果,提出了无线充电系统的定位精度要求。根据研究得到的轨迹规划方法,制定了详细的路径,实现了利用机械臂驱动变压器初级端磁芯并与次级端磁芯精确对接,定位精度精度达0.5mm,满足了矿用蓄电池电机车无线充电系统的要求。
【关键词】：矿用蓄电池电机车 无线充电 EI型松耦合变压器 机械臂 精确定位
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD642
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 课题背景12-14
• 1.3 矿用蓄电池电机车无线充电系统构想14-17
• 1.3.1 松耦合变压器15-16
• 1.3.2 铅酸蓄电池组16-17
• 1.3.3 多自由度机械臂17
• 1.4 国内外研究现状17-27
• 1.4.1 非接触式电能传输技术的研究17-23
• 1.4.2 国内外机械臂驱动定位技术的研究现状23-27
• 1.5 研究目标及内容27-28
• 1.6 研究意义及应用前景28-30
• 1.6.1 研究意义28-29
• 1.6.2 应用前景29-30
• 2 无线充电系统松耦合变压器性能研究30-48
• 2.1 引言30
• 2.2 理想变压器的电磁传输性能30-32
• 2.3 松耦合变压器的电磁传输性能32-35
• 2.4 松耦合变压器设计和电磁耦合仿真研究35-45
• 2.4.1 松耦合变压器的设计35-36
• 2.4.2 松耦合变压器的电磁耦合仿真研究36-45
• 2.5 本章小结45-48
• 3 无线充电系统机械臂运动学研究48-64
• 3.1 引言48
• 3.2 驱动机械臂的结构及参数48-51
• 3.2.1 驱动机械臂的结构48-50
• 3.2.2 驱动机械臂的参数50-51
• 3.3 驱动机械臂的运动学分析51-58
• 3.3.1 机械臂的位姿描述51
• 3.3.2 机械臂的正向运动学51-55
• 3.3.3 机械臂的逆向运动学55-58
• 3.4 MATLAB运动学仿真58-63
• 3.5 本章小结63-64
• 4 无线充电系统机械臂运动轨迹规划技术研究64-84
• 4.1 引言64
• 4.2 机械臂运动轨迹规划技术64-70
• 4.2.1 空间直线轨迹规划65-66
• 4.2.2 空间圆弧轨迹规划66-69
• 4.2.3 笛卡尔轨迹规划方法的仿真69-70
• 4.3 基于关节空间的轨迹规划70-77
• 4.3.1 五次多项式插值算法70-74
• 4.3.2 五次多项式插值仿真74-77
• 4.4 关节空间的轨迹优化方法77-83
• 4.4.1 基于时间最优的轨迹规划77-78
• 4.4.2 轨迹执行时间的优化仿真78-80
• 4.4.3 机械臂多关节的轨迹规划方法80-83
• 4.5 本章小结83-84
• 5 无线充电系统实验研究84-110
• 5.1 引言84
• 5.2 松耦合变压器性能实验84-92
• 5.2.1 实验装置84-85
• 5.2.2 实验平台布置85-86
• 5.2.3 实验过程86-87
• 5.2.4 实验结果及分析87-92
• 5.3 机械臂轨迹规划实验92-105
• 5.3.1 控制器模式93
• 5.3.2 机器人速度和位置设置93-94
• 5.3.3 机械臂轨迹规划和编程控制过程94-105
• 5.4 机械臂定位精度的误差分析与措施105-108
• 5.4.1 机械臂定位精度的误差105-106
• 5.4.2 提高机械臂定位精度的措施106-108
• 5.5 本章小结108-110
• 6 结论与展望110-112
• 6.1 总结110
• 6.2 创新点110-111
• 6.3 展望111-112
• 参考文献112-124
• 致谢124-126
• 作者简介126
• 在学期间发表的学术论文126
• 在学期间参加科研项目126

【参考文献】

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本文编号：935316