非接觸式供電系統在汽車制造領域的應用

甕超

摘 要：非接觸式供電系統區別于傳統的固定供電方式及接觸式供電方式，其眾多的優秀特點決定其具有廣闊的應用前景，這里結合汽車制造輸送設備領域對其進行簡單闡述。

關鍵詞：汽車輸送設備；非接觸；電氣控制

1 非接觸式供電在汽車制造業應用的介紹

目前在汽車輸送領域里主要供電形式分為兩大類：固定點供電與移動式供電。常見的固定點供電是通過電纜、插接母線等將電從車間公用電柜直接引入設備供電柜內，再將設備供電柜與設備直接連接來實現對設備進行供電；而移動式供電又分為接觸式供電與非接觸式供電。

接觸式供電的典型式樣是滑觸線供電，其原理為在需要移動部件的運行軌道內通長布置滑觸線，系統工作時此滑線始終處于帶電狀態。而每臺移動部件上則裝有取電用的碳刷，在運動過程中碳刷與滑線始終接觸，以此來完成對移動設備的供電。

非接觸式供電，簡單來說就是利用強電流形成一個磁場，通過移動設備切割磁場實現由電能轉換為磁能最終再轉換為電能的過程。由于其具有移動靈活、不受空間及環境影響等優點，在汽車制造輸送設備領域得到了越來越廣泛的應用。

非接觸式供電現在主要有三種方式：電磁感應方式、磁場共振方式、電磁波傳送方式。目前我們應用較多的為電磁感應方式，下面結合典型的汽車制造輸送設備介紹下電磁感應方式的非接觸供電。

電磁感應原理我們在高中物理就已經初步接觸，簡單總結成一句話就是：變化的磁場能產生電場，處于其中的閉合回路就能夠產生感應電流。電磁感應的實驗模型為：先要設定一個供電裝置，在供電裝置中設置一個線圈（閉環電纜），對此閉環電纜供電可以產生一個磁場，此線圈也可簡稱為固定線圈。使用另外一個移動的線圈通過已經形成的磁場，使磁場產生變化從而得到感應電流。結合實際情況我們以電動升降滑板系統為例進行簡單介紹。

電動升降滑板是目前汽車制造輸送的典型設備之一，主要用于汽車內飾、最終的裝配線，其最主要特點是高柔性，即在多種車型混線生產的情況下可以實現不同車型在同一工位以不同的高度進行裝配工作，實現了多種裝配工藝的兼容。

由于滑板是需要逐個工位依次移動的，因此其上面的升降臺的供電就是通過非接觸式供電系統來完成的。

供電系統的組成，非接觸式供電系統主要由以下單元組成：

控制器：控制器是移動單元的大腦，它的主要功能是預先儲存動作信息（即滑板在每個工位的高度分別為多少）、達到指定位置時發出動作指令控制升降、當遇到錯誤或危險時報出相應故障。

碼帶（bar code）：在工藝段通長布置，可以簡單理解為滑板的絕對地址，通過對地址的讀取滑板才能在預先設置的位置完成升降指令。

讀碼頭（bar code reader）：安裝在滑板上，用于讀取碼帶地址數據的裝置。讀取當前地址后反饋控制單元，控制單元再根據地址信息進行升降動作。

數據采集器（data pickup）：安裝在滑板上的數據采集裝置，用于在PLC、控制器以及電源模塊之間完成數據交換。

數據感應閉環（data loop）：在DKZ區域進行感應數據交換的閉環網絡。

電源采集器（power pickup）：位于移動滑板上的感應電流提取裝置，可以理解為之前提到用于改變磁場從而產生感應電流的移動線圈。

電源感應閉環（power loop）：此閉環是有恒定電流的，從而提供磁場，可以理解為之前提到的固定線圈。

安裝架（mounting profile）：用于承載data loop、power loop和bar code的安裝載體。

工作原理介紹：非接觸供電是利用整流器將兩相或三相工頻交流電源經過整流濾波成直流電源，經過整流濾波后的直流電源將向高頻逆變電路的輸入端提供，經過逆變電路的高頻逆變之后的高頻交變電流再經過諧振變換補償之后輸入帶初級線圈端（power loop），經電磁感應在次級（power pickup）產生相應頻率的感應電流，經過電壓電流調節裝置的調節后便可向用電設備提供電壓、電流參數合適的交流電源，從而完成非接觸式電源的整個能量傳輸過程。

在對設備進行供電的同時，數據采集模塊（data pickup）在電源模塊、控制器、PLC之間進行數據采集交換的工作。

讀碼頭單元（bar code reader）在讀取碼帶地址的同時還要將絕對地址反饋給控制器，由控制器按照預先設置的程序進行判定，再給升降臺發出上升或下降的指令。

感應供電系統各部件的安裝說明：碼帶及讀碼頭的安裝：碼帶是在工藝段通長布置的，一般粘貼在安裝支架（mounting profile）的側邊位置（如圖1所示）。

粘貼前需要對安裝表面進行深度清潔，保證沒有粉塵、金屬碎屑等污染物。

碼帶的背面是帶有背膠的。粘貼時，首先撕掉碼帶背面的背紙，將碼帶置于粘貼面的中間位置，擺正后從起始端開始朝終端位置依次粘貼。在粘貼過程中一定要用手將其鋪平，不能存在褶皺或氣泡位置。支架斷開位置在粘貼碼帶時要將開口位置一起覆蓋粘貼。

粘貼完成后，再將支架開口位置的碼帶進行剪切，注意要完全保留整個的條形碼，不得將條形碼單元裁剪掉一部分。待裁剪完成后，整個碼帶表面要粘貼透明膠帶對其進行保護。

讀碼頭則是需要與碼帶對應安裝，安裝時讀頭表面需要與碼帶相對安裝，并且需要保證讀頭面與碼帶保持平行，最大誤差角度不應大于3°根據讀碼頭型號不同，與碼帶之間的安裝距離調整為最大120mm～150mm不等。

在讀碼頭安裝時，還需要注意在讀碼頭上有一個標記位置在安裝時，注意保證該標記位置大概對應碼帶中心位置。

安裝支架的安裝說明：安裝支架需要承載power loop、data loop以及碼帶（安裝承載位置參見圖2所示），因此其本身的安裝要求較高。

需要注意，power loop在工作過程中會持續保持109A的強大電流，系統的發熱量極大，因此支撐螺栓需要采用不銹鋼螺栓。

單根安裝支架長度3000mm，安裝時相鄰兩根支架間距為15mm，依靠一個連接件進行連接，另外在power loop出線口的位置，安裝支架之間需要留出40mm的間隙。

Data pickup和power pickup的安裝說明：由于pickup本次的磁場會對固定線圈磁場產生影響，因此Data pickup和power pickup的安裝就顯得格外重要。

安裝時，要求在滑板上的pickup部分與地面固定的安裝支架Z向的間距不能超過10mm（一般建議為5～6mm）；X、Y方向的偏差最大不能超過5mm（一般建議為2mm）。

2 目前非接觸式供電技術在國內外的現狀

在國外兩個比較知名的非接觸式供電的制造商分別是德國的LJU公司和德國的VAHLE公司。德國LJU Automatisierungstechnik GmbH公司是世界上著名的控制系統制造公司之一，成立于1986年。經過幾十年的發展，目前LJU公司產品遍布世界各個角落，在10多個國家設有分公司，憑借全球性的銷售網絡，德國LJU公司可向全球80多個國家提供德國LJU控制器，LJU工業通訊系統，LJU電力傳輸系統。LJU系統是目前比較成熟的非接觸式供電系統，經過近10年來不斷的完善及優化，修正了很多之前軟件及硬件上的不足。其產品多用于汽車、物流等行業的輸送系統。在國內多家合資甚至自主品牌的汽車廠都在使用旗下產品。德國VAHLE公司在移動供電和工業通信設備領域也是處于世界領先地位。自 1912 年，公司的創始人Paul Vahle先生發明了世界上第一根鋼體滑觸線以來，VAHLE公司不斷創新，開發了無數先進技術和專利產品。

現在，VAHLE已經成為一個全球性的移動供電專家，在全世界擁有68家分支機構，能夠及時提供最全面的移動電氣系統和解決方案。VAHLE的移動供電和數據傳輸設備相比于LJU應用的領域更加廣泛，包括：汽車制造、焦化、冶金、起重機械、自動化生產線、自動倉儲系統、港口、機場、造船、發電、石化、造紙、水泥、快速軌道交通系統和游樂場等領域，而且我們的特種鋼體滑線已經應用于舉世矚目的磁懸浮列車項目中。所有滑線都根據相關電氣、機械及防火國際標準設計。產品均通過UL，CSA及SEV等國際認證，并在世界范圍內廣泛使用。我們熟知的上海迪士尼樂園也應用了其移動供電系統。

而在國內，非接觸式供電的產品相對起步較晚，相比LJU及VAHLE公司的產品還顯得不是十分成熟。但是目前已有專門的研發機構對此項技術進行研發及應用，雖然沒有取得突破性的進展，但也已經邁出了研發探索的第一步。

非接觸式電能傳輸技術具有廣闊的應用前景，該技術的研究開發將彌補國內的空白，為我國的電能傳輸、電力電子和電氣自動化技術做出巨大貢獻。

3 結束語

感應供電是一門新興的技術，它克服了傳統供電方式的固有缺陷，通過非導體接觸的方式從電源向負載提供電能，具有安全、靈活、綠色等特點，對環境的親和力好，適應能力強，能做到免維護或地維護運行，非接觸式電源技術在移動電氣領域中的應用將解決傳統的滑、滾動取電方式所帶來的高頻電磁污染、結構磨損、靈活性差等問題。因此，非接觸式電源技術在工礦企業、汽車制造領域、倉儲物流領域等方面具有廣闊的應用前景，非接觸式電源技術的發展與成熟將作為能量傳輸領域中的又一次技術革命，對未來的工業將會產生巨大的影響。