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研究生：	楊昆翰 Yang, Kun-Han
論文名稱：	非接觸式片狀感應供電軌道系統之研製 Design and Implementation of Plate-Shaped Contactless Inductive Power Track System
指導教授：	李嘉猷 Lee, Jia-You
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2014
畢業學年度：	102
語文別：	中文
論文頁數：	74
中文關鍵詞：	非接觸式感應電能傳輸、片狀感應軌道、無塵室自動搬運系統
外文關鍵詞：	Contactless inductive power transmission, Plate-shaped inductive power track, Cleanroom automatic handling applications
相關次數：	點閱：385 下載：3
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本文旨就無塵室自動搬運載具用感應供電軌道，應用非接觸式電能傳輸技術，開發新型片狀感應供電軌道系統。文中首先對於常見之線型感應軌道耦合結構，電能拾取器感應線圈於感應軌道單位拾取長度內耦合能力不足之問題，提出片狀感應軌道耦合結構試以改善上述情形。後續進一步考量感應軌道耦合結構應用特性，並經由分析選擇較佳電源轉換形式且符合應用特性之雙邊諧振電路。接著根據所設定系統電路規格，探討感應軌道耦合結構電路設計要點。文末實際研製具單組輸出規格2 kW電能拾取器之非接觸式片狀感應供電軌道系統，經實驗量測結果於高頻全橋變流器輸入電壓350 V、系統輸出功率1989.27 W時，整體傳輸效率為76.9%。

The purpose of this thesis is applying contactless inductive power transmission techniques to inductive power track systems for cleanroom automatic handling applications. The main issue in the article is the limited coupling capability between track and pickup induction coils in the effective length of general straight-cable-shaped inductive power tracks. A plate-shaped inductive power track is proposed to improve the above shortcoming. Furthermore, application features of the coupling structure in inductive power track systems are also considered to choose the most appropriate resonant topologies in both track and pickup circuits. A plate-shaped contactless inductive power track system is finally implemented with a pickup of 2 kW output power. According to the experimental results, the overall system efficiency is 76.9% with DC input voltage of 350 V and output power of 1989.27 W.

目錄
                                                         頁數
中文摘要	                                            I
英文摘要	                                           II
英文延伸摘要	                                          III
誌謝	                                                   VI
目錄	                                                  VII
表目錄	                                                    X
圖目錄	                                                   XI
第一章	緒論	                                            1
1-1	研究背景及動機	                                    1
1-2	研究目的	                                    3
1-3	研究方法	                                    4
1-4	論文大綱	                                    5
第二章	非接觸式感應電能傳輸技術	                    6
2-1	前言	                                            6
2-2	電磁感應原理	                                    6
2-3	感應線圈於高頻應用下之特性	                    8
2-3-1	集膚效應	                                    8
2-3-2	近接效應	                                   10
2-4	非接觸式感應耦合結構電路模型建立	           11
2-4-1	感應耦合結構電路模型分析	                   11
2-4-2	耦合能力之量測	                                   12
2-5	非接觸式感應耦合結構中之諧振技術	           13
2-6	感應軌道耦合結構	                           15
2-6-1	感應軌道	                                   15
2-6-2	電能拾取器	                                   15
第三章	感應軌道耦合結構及諧振電路分析	                   17
3-1	前言	                                           17
3-2	感應軌道耦合結構分析	                           17
3-2-1	以變壓器結構思考感應軌道耦合結構	           17
3-2-2	不同形式感應軌道線圈分析	                   19
3-2-3	磁場模擬軟體輔助分析	                           22
3-2-4	電能拾取器導磁材料結構修正	                   27
3-3	諧振電路分析	                                   28
3-3-1	諧振電路類型	                                   28
3-3-2	雙邊諧振電路特性	                           33
第四章	非接觸式片狀感應供電軌道系統設計	           37
4-1	前言	                                           37
4-2	主要系統架構	                                   37
4-3	感應軌道耦合結構電路設計	                   38
4-3-1	片狀感應軌道耦合結構傳輸效率設計	           39
4-3-2	電能拾取器串聯諧振電路品質因數設計	           40
4-3-3	片狀感應軌道耦合結構製作	                   41
4-3-4	雙邊諧振電路設計	                           45
4-3-5	高頻全橋變流器設計	                           47
4-4	降壓型電源轉換電路設計	                           48
4-4-1	開迴路電路參數設計	                           50
4-4-2	閉迴路電路參數設計	                           50
4-4-3	開關最大導通率限制電路及緩啟動電路設計	           55
第五章	電路模擬與實驗結果	                           57
5-1	前言	                                           57
5-2	Simplis電路模擬	                                   58
5-2-1	感應軌道耦合結構電路模擬	                   58
5-2-2	降壓型電源轉換電路模擬	                           60
5-3	實驗量測結果討論	                           62
第六章	結論與未來研究方向	                           68
6-1	結論	                                           68
6-2	未來研究方向	                                   69
參考文獻	                                           70

表目錄
                                                         頁數
表3-1	片狀感應軌道耦合結構互感計算模擬結果	           24
表3-2	疊加型片狀感應軌道耦合結構互感計算模擬結果	   25
表3-3	比較兩種類型感應軌道耦合結構模擬結果	           26
表3-4	次級側串、並聯諧振電路反射阻抗特性	           35
表3-5	四種雙邊諧振電路之轉移函數VO/VI	                   35
表4-1	感應軌道耦合結構電路規格	                   39
表4-2	兩設計條件下不同頻率f所對應之電路參數限制	   42
表4-3	片狀感應軌道耦合結構導磁材料及線材規格	           43
表4-4	片狀感應軌道耦合結構電路參數	                   44
表4-5	降壓型電源轉換電路規格	                           49
表4-6	降壓型電源轉換電路參數、IC及開關元件型號	   50
表4-7	降壓型電源轉換電路閉迴路電路轉移函數	           51

圖目錄
                                                         頁數
圖1-1	非接觸式感應電能傳輸技術於生活中之應用	            1
圖1-1	非接觸式感應供電軌道系統方塊圖	                    4
圖2-1	法拉第-冷次定律	                                    7
圖2-2	載流導體截面電流分布	                            8
圖2-3	集膚深度δ對頻率f變化曲線	                    9
圖2-4	載流導體近接效應	                           10
圖2-5	基本耦合電路模型	                           12
圖2-6	互感耦合電路模型	                           12
圖2-7	相依電壓源電路模型	                           12
圖2-8	反射阻抗電路模型	                           12
圖2-9	加入理想變壓器耦合電路模型	                   12
圖2-10	次級側相依電壓源電路模型	                   14
圖2-11	常見感應軌道耦合結構	                           16
圖3-1	由變壓器結構衍生之感應軌道耦合結構	           18
圖3-2	具可拆卸缺口型式之感應軌道耦合結構	           18
圖3-3	不同型式感應軌道線圈分析示意圖	                   19
圖3-4	磁場強度H及單位線材利用率H/λ對垂直距離h
        變化曲線	                                   21
圖3-5	磁場強度H及單位線材利用率H/λ對垂直距離R
        變化曲線	                                   21
圖3-6	片狀感應軌道耦合結構模擬規格	                   22
圖3-7	模擬電能拾取器於片狀感應軌道移動時耦合情形	   23
圖3-8	模擬電能拾取器於疊加型片狀感應軌道移動時
        耦合情形	                                   24
圖3-9	比較兩種類型感應軌道耦合結構導磁材料缺口型式	   26
圖3-10	比較兩種類型感應軌道耦合結構	                   26
圖3-11	電能拾取器導磁材料磁路分析	                   27
圖3-12	感應耦合結構初級側諧振電路類型	                   29
圖3-13	感應耦合結構初級側串並聯諧振電路模型	           29
圖3-14	感應耦合結構初級側串聯諧振電路頻率響應特性	   30
圖3-15	感應耦合結構初級側串並聯諧振電路頻率響應特性	   31
圖3-16	感應耦合結構次級側諧振電路類型	                   32
圖3-17	感應耦合結構次級側並聯諧振電路頻率響應特性	   33
圖3-18	四種雙邊諧振電路	                           34
圖4-1	非接觸式片狀感應供電軌道系統主要架構方塊圖	   37
圖4-2	感應軌道激勵電源電路	                           38
圖4-3	電能拾取器電路	                                   38
圖4-4	串聯諧振電路傳輸功率擾動∆PL對諧振頻率擾動∆ω
        變化曲線	                                   41
圖4-5	片狀感應軌道耦合結構規格	                   42
圖4-6	導磁材料結構設計示意圖	                           43
圖4-7	片狀感應軌道製作過程示意圖	                   43
圖4-8	片狀感應軌道耦合結構實體圖	                   44
圖4-9	量測電能拾取器於片狀感應軌道任意位置之耦合能力	   45
圖4-10	加入可調式電容之串並聯諧振電路	                   46
圖4-11	感應軌耦合結構電路傳輸功率PL及效率ηT特性分析	   47
圖4-12	高頻全橋變流器及開關驅動電路	                   48
圖4-13	具電壓回授控制之降壓型電源轉換電路	           49
圖4-14	降壓型電源轉換器電路閉迴路控制方塊圖	           51
圖4-15	降壓型電源轉換電路未補償前 之波德圖	           52
圖4-16	K因子設計法則之型式二補償器	                   53
圖4-17	降壓型電源轉換電路補償器GC(j2πf)之波德圖	   54
圖4-18	降壓型電源轉換電路經補償後βDGGC(j2πf)之波德圖	   54
圖4-19	降壓型電源轉換電路開關訊號邏輯電路	           55
圖4-20	非接觸式片狀感應供電軌道系統電路架構	           56
圖5-1	非接觸式片狀感應供電軌道系統實體圖	           57
圖5-2	模擬感應軌道耦合結構電路	                   58
圖5-3	模擬高頻全橋變流器開關零電壓切換現象	           59
圖5-4	模擬片狀感應軌道線圈電流iP對等效負載RL變化	   59
圖5-5	模擬電能拾取器諧振電容端電壓vCS對等效負載RL變化	   60
圖5-6	模擬降壓型電源轉換電路	                           60
圖5-7	模擬降壓型轉換電路緩啟動機制	                   61
圖5-8	模擬降壓型轉換電路開關最大導通率Dmax限制機制	   62
圖5-9	高頻全橋變流器開關零電壓切換量測波形	           63
圖5-10	比較片狀感應軌道線圈電流方均根值IP曲線圖	   63
圖5-11	比較電能拾取器整流輸出電壓平均值VDC曲線圖	   63
圖5-12	片狀感應軌道線圈電流iP及電能拾取器整流輸出電壓vDC
	對等效負載RL變動量測波形	                   64
圖5-13	等效負載RL = 29.64 Ω時量測波形	                   65
圖5-14	等效負載RL = 16.64 Ω時量測波形	                   65
圖5-15	比較感應軌道耦合結構電路傳輸功率PL及效率ηT
        曲線圖	                                           66
圖5-16	降壓型電源轉換電路傳輸效率ηB曲線圖	           66
圖5-17	降壓型電源轉換電路輸入端等效阻抗RL操作區域	   67
圖5-18	輸出負載ROUT = 2.55 Ω時量測波形	                   67


                                    

參考文獻
[1] S. Y. Hui, “Planar wireless charging technology for portable electronic products and Qi,’’ Proc. IEEE, vol. 101, no. 6, pp. 1290-1301, Jun. 2013.
[2] W. X. Zhong, X. Liu, and S. Y. R. Hui, “A novel single-layer winding array and receiver coil structure for contactless battery charging systems with free-positioning and localized charging features,’’ IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 9, pp. 4136-4144, Sep. 2011.
[3] S. Hasanzadeh, S. Vaez-Zadeh, and A. H. Isfahani, “Optimization of a contactless power transfer system for electric vehicles,’’ IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 61, no. 8, pp. 3566-3573, Oct. 2012.
[4] Y. Nagatsuka, N. Ehara, Y. Kaneko, S. Abe, and T. Yasuda, “Compact contactless power transfer system for electric vehicles,” in Proc. IEEE IPEC’10, 2010, pp. 807-813.
[5] “Clean technology assures advanced electronics” Muratec Corp., Japan, [online]. Available: http://muratec.tw/corp/division/cfa.html.
[6] “Bombardier to supply trams to the city of Nanjing” Bombardier Corp., Canada, [online]. Available: http://www.railwaybulletin.com/2013/04/ bombardier-to-supply-trams-to-the-city-of-nanjing.
[7] “Nokia Limia 925” Nokia Corp., Finland, [online]. Available: http:// www.nokia.com/global/products/phone/lumia925.
[8] “Toyota corrige y dice ahora que el RAV4 a baterías sí se venderá al público” Toyota Corp., Japan, [online]. Available: http://www. highmotor .com/tag/rav4-ev.
[9] “Product overview inductive power transfer-IPT,” Conductix-Wampfler Corp., Germany, KAT9000-0001a-E, 2009.

[10] “Bombardier redefines e-mobility for rail and road with PRIMOVE rechnology” Bombardier Corp., Canada, [online]. Available: http:// www.bombardier.com/en/media-centre/newsList/details.35913-bombardier-redefines-e-mobility-for-rail-and-road-with-primove-technology.bombardiercom.html.
[11] “Contactless power system,” Vahle Corp., Germany, Nr. 9d/EN, 2008.
[12] “非接觸供電,” AMIDOF Corp., Taiwan, NCPT, 2005.
[13] “Corporate profile,” Daifuku Corp., Japan, CP13E, 2013.
[14] G. A. Covic, and J. T. Boys, “Inductive power transfer,” Proc. IEEE, vol. 101, no. 6, pp. 1276-1289, Jan. 2013.
[15] S. Raabe, J. T. Boys, and G. A. Covic, “A high power coaxial inductive power transfer pickup,” in Proc. IEEE PESC’08, 2008, pp. 4320-4325.
[16] M. L. G. Kissin, G. A. Covic, and J. T. Boys, “Steady-state flat-pickup loading effects in polyphase inductive power transfer systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 6, pp. 2274-2282, Jun. 2011.
[17] A. Zaheer, M. Budhia, D. Kacprzak, and G. A. Covic, “Magnetic design of a 300W under-floor contactless power transfer system,” in Proc. IEEE IECON’11, 2011, pp. 1408-1413.
[18] M. L. G. Kissin, H. Hao, and G. A. Covic, “A practical multiphase IPT system for AGV and roadway applications,” in Proc. IEEE ECCE’10, 2010, pp. 1844-1850.
[19] G. A. Covic, J. T. Boys, M. L. G. Kissin, and H. G. Lu, “A three-phase inductive power transfer system for roadway-powered vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 6, pp. 3370-3378, Dec. 2007.
[20] U. K. Madawala, M. Neath, and D. J. Thrimawithana, “A power-frequency controller for bidirectional inductive power transfer systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 60, no. 1, pp. 310-317, Jan. 2013.
[21] D. J. Thrimawithana and U. K. Madawala, “New technique for inductive power transfer using a single controller,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 5, no. 2, pp. 248-256, Feb. 2012.
[22] J. U. W. Hsu, A. P. Hu, and A. Swain, “Fuzzy logic-based directional full-range tuning control of wireless power pickups,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 5, no. 6, pp. 773-781, Jul. 2012.
[23] M. Zaheer, D. N. Patel, and A. P. Hu, “Parallel tuned contactless power pickup using saturable core reactor,” in Proc. IEEE ICSET’10, 2010, pp. 1-6.
[24] J. U. W. Hsu, A. P. Hu, A. Swain, X. Dai, and Y. Sun “A new contactless power pick-up with continuous variable inductor control using magnetic amplifier,” in Proc. Powercon’06, 2006, pp. 1-8.
[25] J. James, J. T. Boys, and G. A. Covic, “A variable inductor based tuning method for ICPT pickups,” in Proc. IEEE IPEC’05, 2005, pp. 1142-1146.
[26] H. L. Li, A. P. Hu, and G. A. Covic, “A direct AC-AC converter for inductive power-transfer systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 2, pp. 661-668, Feb. 2012.
[27] H. H. Wu, G. A. Covic, J. T. Boys, and D. J. Robertson, “A series-tuned inductive-power-transfer pick up with a controllable AC-voltage output,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 1, pp. 98-109, Jan. 2011.
[28] D. J. Thrimawithana and U. K. Madawala, “A generalized steady-state model for bidirectional IPT systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 10, pp. 4681-4689, Oct. 2013.
[29] D. J. Thrimawithana and U. K. Madawala, “A bidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 10, pp. 4789-4796, Oct. 2011.

[30] C. T. Rim, “The development and deployment of on-line electric vehicles (OLEV),” in Proc. IEEE ECCE’13, 2013, pp. 1-58.
[31] S. Choi, J. Huh, W. Y. Lee, S. W. Lee, and C. T. Rim, “New cross-segmented power supply rails for roadway-powered electric vehicles,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 12, pp. 5832-5841, Dec. 2013.
[32] S. Lee, B Choi, and C. T. Rim, “Dynamic characterization of the inductive power transfer system for online electric vehicles by Laplace phasor transform, IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 12, pp. 5902-5909, Dec. 2013.
[33] W. Y. Lee, J. Huh, S. Y. Choi, X. V. Thai, J. H. Kim, E. A. Al-Ammar, M. A. El-Kady, and C. T. Rim, “Finite-width magnetic mirror models of mono and dual coils for wireless electric vehicles, IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 3, pp. 1413-1428, Mar. 2013.
[34] J. Huh, S. W. Lee, W. L. Lee, G. H. Cho, and C. T. Rim, “Narrow-width inductive power transfer system for online electrical vehicles,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 12, pp. 3666-3679, Dec. 2011.
[35] W. Zhang, S. C. Wong, Q. Chen, and C. K. Tse, “Design for efficiency optimization and voltage controllability of series-series compensated inductive power transfer systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 1, pp. 191-200, Jan. 2014.
[36] X. Liu, W. M. Ng, C. K. Lee, and S. Y. R. Hui, “Optimal operation of contactless transformers with resonance in secondary circuits,” in Proc. APEC’08, 2008, pp. 645-650.
[37] 張宇誠，具封閉型耦合結構非接觸式感應供電軌道之研究，國立成功大學電機工程學系碩士論文，2009年。

[38] 詹凱筌，具可拆卸機制封閉式耦合結構之非接觸式線型感應饋電軌道系統，國立成功大學電機工程學系碩士論文，2012年。
[39] 張華敬，電動搬運載具用非接觸式三相線型感應供電軌道系統之研製，國立成功大學電機工程學系碩士論文，2013年。
[40] Jia-You Lee, Hung-Yu Shen, and Kai-Chan Chang, “Design and implementation of removable and closed-shape dual ring pickup for contactless linear inductive power track system,” in Proc. IEEE ECCE’13, 2013, pp. 2219-2226.
[41] 曾冠陸，工業自動化用非接觸式線型感應饋電軌道系統之異常個案研析，國立成功大學電機工程學系碩士論文，2013年。
[42] M. Borage, S. Tiwari, and S. Kotaiah, “Analysis and design of an LCL-T resonant converter as a constant-current power supply,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 6, Dec. 2005.
[43] Chang-Yu Huang, Jason E. James, and G. A. Covic, “Design considerations for variable coupling lumped coil systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. PP, no. 99, pp. 1-11, Mar. 2014
[44] PIC18F4520 Data Sheet, Microchip Technology Inc., 2004.
[45] TLP250 Data Sheet, Toshiba Inc., 2002.
[46] IXFN48N50 Data Sheet, IXYS Corp., 2000.
[47] STW55NM60ND Data Sheet, STMicroelectronics Inc., 2007.
[48] DSEP-30-06A Data Sheet, IXYS Corp., 2004.
[49] TL494 Data Sheet, Texas Instruments Inc., 2014.
[50] IR2117 Data Sheet, Internal Rectifier Corp., 2004.

校內：2017-07-30公開
校外：2017-07-30公開

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