非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

朱文江

[摘要]非接觸式電能傳輸系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在沒有電氣或電氣設(shè)備物理連接運(yùn)用電感耦合技術(shù)的電子產(chǎn)品的完美結(jié)合。本文介紹了非接觸式電能傳輸?shù)幕驹恚?shù)學(xué)模型基于松散耦合電路和對傳輸效率的影響因素進(jìn)行了分析，最后結(jié)合工程來應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]非接觸式電能傳輸；耦合；數(shù)學(xué)模型 文章編號：2095-4085（2017）05-0084-02

1介紹

傳統(tǒng)的方法需要電氣連接電源供應(yīng)系統(tǒng)和負(fù)載，但是在一些惡劣的環(huán)境如化工、地下開采、水下作業(yè)等，特別是供電電源需要移動或者有荷載的時(shí)候，因?yàn)樗遣话踩穆銓?dǎo)體和有其他約束，所以系統(tǒng)的安全性和可靠性較低，極大地限制了應(yīng)用程序。非接觸式電能傳輸系統(tǒng)是一個(gè)松散耦合的感應(yīng)系統(tǒng)，使用空氣作為耦合介質(zhì)，電氣設(shè)備通過高頻輻射的方式不需要跟任何電氣連接。系統(tǒng)有手機(jī)的優(yōu)勢和靈活性，不受環(huán)境影響，即使是在惡劣的環(huán)境下也可以提供清潔、穩(wěn)定和安全的移動電力。本文介紹了非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，分析了影響傳輸效率的因素，并描述了使用的耦合效應(yīng)誘發(fā)電位之間的初級和二級子系統(tǒng)。

2系統(tǒng)組成和工作原理

非接觸式電能傳輸系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理理論的，核心部分就是通過輻射和接收高頻率電磁能量，實(shí)現(xiàn)松耦合變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器的初級和次級線圈上封閉的鐵芯。非接觸式電能傳輸系統(tǒng)有一個(gè)單獨(dú)的電感耦合電路，主和二次繞線組在不同的磁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量耦合沒有能量和負(fù)載之間的物理連接。根據(jù)相對運(yùn)動在初級和二級子系統(tǒng)之間有三個(gè)不同種類的感應(yīng)耦合功率傳輸系統(tǒng)。在外加電壓的作用下，原邊的松散耦合變壓器產(chǎn)生交變磁通，主要因?yàn)榇艅菔撬缮Ⅰ詈献儔浩鞯臍庀?。非接觸式電能傳輸系統(tǒng)中松散耦合變壓器的初級線圈和次級線圈之間的傳播媒體是空氣。氣體的間隙非常小，變壓器在松散耦合狀態(tài)和漏磁大，耦合系數(shù)大大低于傳統(tǒng)的變壓器，必須減少電路電力傳輸?shù)膿p失。為了產(chǎn)生足夠的電能來滿足負(fù)載的需求，切實(shí)可行方法是增加的交流頻率，主要以增加交變磁場的頻率來獲得更大的二次感應(yīng)電勢。高頻交流電通常在10kHz～100kHz。變化的磁場會在初級和二級子系統(tǒng)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁感應(yīng)，所以我們可以在二級子系統(tǒng)根據(jù)電磁感應(yīng)法律和楞次定律獲得感應(yīng)電動勢。非接觸式電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在初級和二級子系統(tǒng)之間沒有物理連接。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，兩個(gè)或兩個(gè)三相交流電源整流和過濾成直流電（DC）電能，直流電源提供了輸入為高變頻器輸入的高頻交流電，才能獲得相應(yīng)頻率的感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)通過調(diào)節(jié)的負(fù)載電壓、電流和階段。松耦合變壓器的一次繞組和二次繞組都是相對獨(dú)立的，能保持相對靜止或可移動的狀態(tài)，初級線圈通常用于擴(kuò)展電路，次級線圈是一個(gè)有開放口子的磁鐵，所以這兩個(gè)線圈允許很長一段距離的相對運(yùn)動。主繞組可以輻射電磁能量給多個(gè)二次繞組，電能同時(shí)滿足多個(gè)負(fù)載不同的應(yīng)用需求。

3系統(tǒng)模型

因?yàn)榉墙佑|式電能傳輸系統(tǒng)的主要和次要子系統(tǒng)是在松散耦合狀態(tài)下的，傳統(tǒng)的變壓器模型是基于磁組件完成的，已經(jīng)不再合適，所以我們使用共同的耦合電感模型，分析了系統(tǒng)的電磁關(guān)系，同時(shí)引入二級子系統(tǒng)的反應(yīng)阻抗來描述電力傳輸能力。該模型不需要單獨(dú)的耦合電感和泄漏電感，充分考慮磁化電感和漏電感對系統(tǒng)的影響。

非接觸式電能傳輸系統(tǒng)是一個(gè)松散耦合的結(jié)構(gòu)，在主要和次要電路之間有一個(gè)間隙，一方面實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的電源提供，彌補(bǔ)傳統(tǒng)固有的缺陷電能傳輸；另一方面，大型氣隙的存在會產(chǎn)生類似于啟動系統(tǒng)泄露的效果，甚至高于起始的輸電容量和有限效率。非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的輸出能力很大程度取決于負(fù)載阻抗、輸出功率。因此在應(yīng)用程序中我們通常在主要和次要系統(tǒng)中采取有效的補(bǔ)償措施，提高二級子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率因數(shù)，在同一時(shí)間降低電源變換器的電壓和電流應(yīng)力。

4工程應(yīng)用

非接觸式電能傳輸系統(tǒng)引起了學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，正在不斷發(fā)展和進(jìn)步，并已廣泛應(yīng)用于傳輸設(shè)備、機(jī)器人、舞臺系統(tǒng)和其他領(lǐng)域，目前有幾個(gè)典型的案例：（1）日本已經(jīng)生產(chǎn)出“無線輸電器”，這就意味著可以開始告別插座時(shí)代。這種無線電器就是由4層塑膠薄片來構(gòu)成感應(yīng)器，當(dāng)輸電器感應(yīng)到附近設(shè)備中的接收器時(shí)，就可以在特定某些區(qū)域提供無線電能從而可以告別麻煩的插座插頭了。（2）在新西蘭也成功地開發(fā)了兩項(xiàng)有關(guān)非接觸電能傳輸?shù)膶?shí)用項(xiàng)目，一是運(yùn)行于新西蘭惠靈頓大隧道中的高速公路發(fā)光分道貓眼系統(tǒng)；另一個(gè)使用于新西蘭Rotorua國家地?zé)峁珗@的40 kW非接觸充電電動機(jī)車。（3）日本大阪富庫公司的單軌行車和無電瓶自動運(yùn)貨車，這些設(shè)備當(dāng)前已成功的用于許多材料運(yùn)輸系統(tǒng)中。（4）美國通用汽車公司推出的EVI非接觸感應(yīng)充電系統(tǒng)電車。由美國通用汽車公司的一個(gè)分公司研制的最先進(jìn)商業(yè)化的電車感應(yīng)耦合充電器。需要充電時(shí)，只需將充電板插入車輛的充電端口即可。感應(yīng)耦合能量傳遞的頻率可以在80 kHz到350 kHz范圍內(nèi)變動。充電可以反復(fù)進(jìn)行，過程簡單、安全、高效。

5結(jié)語

非接觸式電能傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電力移動傳輸，更安全、更快速，而且沒有噪音，維護(hù)也非常容易，適用于高速運(yùn)動或嚴(yán)酷的環(huán)境下應(yīng)用。這篇文章描述了非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的原理和構(gòu)建其互感耦合模型，分析其傳播特征以及一些實(shí)例應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)一步優(yōu)化，將能夠得到更廣泛的應(yīng)用。