非接触式供电系统在汽车制造领域的应用

瓮超

摘 要：非接觸式供电系统区别于传统的固定供电方式及接触式供电方式，其众多的优秀特点决定其具有广阔的应用前景，这里结合汽车制造输送设备领域对其进行简单阐述。

关键词：汽车输送设备；非接触；电气控制

1 非接触式供电在汽车制造业应用的介绍

目前在汽车输送领域里主要供电形式分为两大类：固定点供电与移动式供电。常见的固定点供电是通过电缆、插接母线等将电从车间公用电柜直接引入设备供电柜内，再将设备供电柜与设备直接连接来实现对设备进行供电；而移动式供电又分为接触式供电与非接触式供电。

接触式供电的典型式样是滑触线供电，其原理为在需要移动部件的运行轨道内通长布置滑触线，系统工作时此滑线始终处于带电状态。而每台移动部件上则装有取电用的碳刷，在运动过程中碳刷与滑线始终接触，以此来完成对移动设备的供电。

非接触式供电，简单来说就是利用强电流形成一个磁场，通过移动设备切割磁场实现由电能转换为磁能最终再转换为电能的过程。由于其具有移动灵活、不受空间及环境影响等优点，在汽车制造输送设备领域得到了越来越广泛的应用。

非接触式供电现在主要有三种方式：电磁感应方式、磁场共振方式、电磁波传送方式。目前我们应用较多的为电磁感应方式，下面结合典型的汽车制造输送设备介绍下电磁感应方式的非接触供电。

电磁感应原理我们在高中物理就已经初步接触，简单总结成一句话就是：变化的磁场能产生电场，处于其中的闭合回路就能够产生感应电流。电磁感应的实验模型为：先要设定一个供电装置，在供电装置中设置一个线圈（闭环电缆），对此闭环电缆供电可以产生一个磁场，此线圈也可简称为固定线圈。使用另外一个移动的线圈通过已经形成的磁场，使磁场产生变化从而得到感应电流。结合实际情况我们以电动升降滑板系统为例进行简单介绍。

电动升降滑板是目前汽车制造输送的典型设备之一，主要用于汽车内饰、最终的装配线，其最主要特点是高柔性，即在多种车型混线生产的情况下可以实现不同车型在同一工位以不同的高度进行装配工作，实现了多种装配工艺的兼容。

由于滑板是需要逐个工位依次移动的，因此其上面的升降台的供电就是通过非接触式供电系统来完成的。

供电系统的组成，非接触式供电系统主要由以下单元组成：

控制器：控制器是移动单元的大脑，它的主要功能是预先储存动作信息（即滑板在每个工位的高度分别为多少）、达到指定位置时发出动作指令控制升降、当遇到错误或危险时报出相应故障。

码带（bar code）：在工艺段通长布置，可以简单理解为滑板的绝对地址，通过对地址的读取滑板才能在预先设置的位置完成升降指令。

读码头（bar code reader）：安装在滑板上，用于读取码带地址数据的装置。读取当前地址后反馈控制单元，控制单元再根据地址信息进行升降动作。

数据采集器（data pickup）：安装在滑板上的数据采集装置，用于在PLC、控制器以及电源模块之间完成数据交换。

数据感应闭环（data loop）：在DKZ区域进行感应数据交换的闭环网络。

电源采集器（power pickup）：位于移动滑板上的感应电流提取装置，可以理解为之前提到用于改变磁场从而产生感应电流的移动线圈。

电源感应闭环（power loop）：此闭环是有恒定电流的，从而提供磁场，可以理解为之前提到的固定线圈。

安装架（mounting profile）：用于承载data loop、power loop和bar code的安装载体。

工作原理介绍：非接触供电是利用整流器将两相或三相工频交流电源经过整流滤波成直流电源，经过整流滤波后的直流电源将向高频逆变电路的输入端提供，经过逆变电路的高频逆变之后的高频交变电流再经过谐振变换补偿之后输入带初级线圈端（power loop），经电磁感应在次级（power pickup）产生相应频率的感应电流，经过电压电流调节装置的调节后便可向用电设备提供电压、电流参数合适的交流电源，从而完成非接触式电源的整个能量传输过程。

在对设备进行供电的同时，数据采集模块（data pickup）在电源模块、控制器、PLC之间进行数据采集交换的工作。

读码头单元（bar code reader）在读取码带地址的同时还要将绝对地址反馈给控制器，由控制器按照预先设置的程序进行判定，再给升降台发出上升或下降的指令。

感应供电系统各部件的安装说明：码带及读码头的安装：码带是在工艺段通长布置的，一般粘贴在安装支架（mounting profile）的侧边位置（如图1所示）。

粘贴前需要对安装表面进行深度清洁，保证没有粉尘、金属碎屑等污染物。

码带的背面是带有背胶的。粘贴时，首先撕掉码带背面的背纸，将码带置于粘贴面的中间位置，摆正后从起始端开始朝终端位置依次粘贴。在粘贴过程中一定要用手将其铺平，不能存在褶皱或气泡位置。支架断开位置在粘贴码带时要将开口位置一起覆盖粘贴。

粘贴完成后，再将支架开口位置的码带进行剪切，注意要完全保留整个的条形码，不得将条形码单元裁剪掉一部分。待裁剪完成后，整个码带表面要粘贴透明胶带对其进行保护。

读码头则是需要与码带对应安装，安装时读头表面需要与码带相对安装，并且需要保证读头面与码带保持平行，最大误差角度不应大于3°根据读码头型号不同，与码带之间的安装距离调整为最大120mm～150mm不等。

在读码头安装时，还需要注意在读码头上有一个标记位置在安装时，注意保证该标记位置大概对应码带中心位置。

安装支架的安装说明：安装支架需要承载power loop、data loop以及码带（安装承载位置参见图2所示），因此其本身的安装要求较高。

需要注意，power loop在工作过程中会持续保持109A的强大电流，系统的发热量极大，因此支撑螺栓需要采用不锈钢螺栓。

单根安装支架长度3000mm，安装时相邻两根支架间距为15mm，依靠一个连接件进行连接，另外在power loop出线口的位置，安装支架之间需要留出40mm的间隙。

Data pickup和power pickup的安装说明：由于pickup本次的磁场会对固定线圈磁场产生影响，因此Data pickup和power pickup的安装就显得格外重要。

安裝时，要求在滑板上的pickup部分与地面固定的安装支架Z向的间距不能超过10mm（一般建议为5～6mm）；X、Y方向的偏差最大不能超过5mm（一般建议为2mm）。

2 目前非接触式供电技术在国内外的现状

在国外两个比较知名的非接触式供电的制造商分别是德国的LJU公司和德国的VAHLE公司。德国LJU Automatisierungstechnik GmbH公司是世界上著名的控制系统制造公司之一，成立于1986年。经过几十年的发展，目前LJU公司产品遍布世界各个角落，在10多个国家设有分公司，凭借全球性的销售网络，德国LJU公司可向全球80多个国家提供德国LJU控制器，LJU工业通讯系统，LJU电力传输系统。LJU系统是目前比较成熟的非接触式供电系统，经过近10年来不断的完善及优化，修正了很多之前软件及硬件上的不足。其产品多用于汽车、物流等行业的输送系统。在国内多家合资甚至自主品牌的汽车厂都在使用旗下产品。德国VAHLE公司在移动供电和工业通信设备领域也是处于世界领先地位。自 1912 年，公司的创始人Paul Vahle先生发明了世界上第一根钢体滑触线以来，VAHLE公司不断创新，开发了无数先进技术和专利产品。

现在，VAHLE已经成为一个全球性的移动供电专家，在全世界拥有68家分支机构，能够及时提供最全面的移动电气系统和解决方案。VAHLE的移动供电和数据传输设备相比于LJU应用的领域更加广泛，包括：汽车制造、焦化、冶金、起重机械、自动化生产线、自动仓储系统、港口、机场、造船、发电、石化、造纸、水泥、快速轨道交通系统和游乐场等领域，而且我们的特种钢体滑线已经应用于举世瞩目的磁悬浮列车项目中。所有滑线都根据相关电气、机械及防火国际标准设计。产品均通过UL，CSA及SEV等国际认证，并在世界范围内广泛使用。我们熟知的上海迪士尼乐园也应用了其移动供电系统。

而在国内，非接触式供电的产品相对起步较晚，相比LJU及VAHLE公司的产品还显得不是十分成熟。但是目前已有专门的研发机构对此项技术进行研发及应用，虽然没有取得突破性的进展，但也已经迈出了研发探索的第一步。

非接触式电能传输技术具有广阔的应用前景，该技术的研究开发将弥补国内的空白，为我国的电能传输、电力电子和电气自动化技术做出巨大贡献。

3 结束语

感应供电是一门新兴的技术，它克服了传统供电方式的固有缺陷，通过非导体接触的方式从电源向负载提供电能，具有安全、灵活、绿色等特点，对环境的亲和力好，适应能力强，能做到免维护或地维护运行，非接触式电源技术在移动电气领域中的应用将解决传统的滑、滚动取电方式所带来的高频电磁污染、结构磨损、灵活性差等问题。因此，非接触式电源技术在工矿企业、汽车制造领域、仓储物流领域等方面具有广阔的应用前景，非接触式电源技术的发展与成熟将作为能量传输领域中的又一次技术革命，对未来的工业将会产生巨大的影响。