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非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設(shè)計(jì)
摘要：給出了非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸?shù)幕驹恚懻摿擞绊懴到y(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)原副邊進(jìn)行了補(bǔ)償設(shè)計(jì)，提高電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額。并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性問(wèn)題進(jìn)行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法。引言
接觸式電能傳輸通過(guò)插頭—插座等電連接器實(shí)現(xiàn)電能傳輸，在電能傳輸領(lǐng)域得到了廣泛使用。但隨著用電設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)、安全性、可靠性等要求的不斷提高，這一傳統(tǒng)電能傳輸方法所固有的缺陷，已經(jīng)使得眾多應(yīng)用場(chǎng)合不能接受接觸式電能傳輸，迫切需要新穎的電能傳輸方法[1]。
在礦井、石油鉆采等場(chǎng)合，采用接觸式電能傳輸，因接觸摩擦產(chǎn)生的微小電火花，就很可能引起爆炸，造成重大事故[2]。在水下場(chǎng)合，接觸式電能傳輸存在電擊的潛在危險(xiǎn)[3]。在給移動(dòng)設(shè)備供電時(shí)，一般采用滑動(dòng)接觸供電方式，這種方式在使用上存在諸如滑動(dòng)磨損、接觸火花、碳積和不安全裸露導(dǎo)體等缺陷[4][5]。在給氣密儀器設(shè)備內(nèi)部供電時(shí)，接觸式電能傳輸需要采用特別的連接器設(shè)計(jì)，成本高且難以確保設(shè)備的氣密性[6]。
為了解決傳統(tǒng)接觸式電能傳輸不能被眾多應(yīng)用場(chǎng)合所接受的問(wèn)題，迫切需要一種新穎的電能傳輸方法。于是，非接觸式感應(yīng)電能傳輸應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前電能傳輸領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。本文首先給出了這種新穎電能傳輸方法的基本原理，分析了影響系統(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵因素；接著圍繞著提高系統(tǒng)電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額的要求，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)原副邊進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)；對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性問(wèn)題進(jìn)行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法。
1 非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)
非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由原邊電路和副邊電路兩大部分組成。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過(guò)磁場(chǎng)耦合相聯(lián)系。原邊電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)發(fā)射，經(jīng)過(guò)這段氣隙后副邊電路通過(guò)接受裝置，匝鏈磁力線，接受磁場(chǎng)能量，并通過(guò)相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置，變換為應(yīng)用場(chǎng)合負(fù)載可以直接使用的電能形式，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸式電能傳輸（文中負(fù)載用電阻表示以簡(jiǎn)化分析）。磁耦合裝置可以采用多種形式。基本形式如圖2(a)原邊繞組和副邊繞組分別繞在分離的鐵芯上；圖2(b)原邊采用空芯繞組，副邊繞組繞在鐵芯上；圖2(c)原邊采用長(zhǎng)電纜，副邊繞組繞在鐵芯上。
在該非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路之間較大氣隙的存在，一方面使得原副邊無(wú)電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能傳輸?shù)墓逃腥毕荨Ａ硪环矫孑^大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的磁耦合關(guān)系屬于松耦合（由此，這種新穎電能傳輸技術(shù)通常也稱為松耦合感應(yīng)電能傳輸技術(shù)，記為L(zhǎng)CIPT），漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高，限制了電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏斝省榇耍ǔＰ枰谠边叢捎醚a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)提升電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏數(shù)男剩瑫r(shí)減小電源變換器的電壓電流應(yīng)力。而且在該系統(tǒng)的分析中，因磁耦合裝置為松耦合，因此，通常用于磁性元件分析的變壓器模型不再適用，必須采用耦合電感模型分析該系統(tǒng)中的電磁關(guān)系，同時(shí)考慮漏感和磁化電感對(duì)系統(tǒng)工作的影響。
圖3給出磁耦合裝置采用耦合電感模型的系統(tǒng)等效電路圖。原副邊磁耦合裝置的互感記為M。
設(shè)原邊用于磁場(chǎng)發(fā)射的高頻載流線圈通過(guò)角頻率為ω，電流有效值為Ip的交流電。根據(jù)耦合關(guān)系，副邊電路接受線圈中將會(huì)感應(yīng)出電壓
Voc=jωMIp （1）
相應(yīng)的，諾頓等效電路短路電流為
式中：Ls為副邊電感。
若副邊線圈的品質(zhì)因數(shù)為Qs，則在以上參數(shù)下，副邊線圈能夠獲得的最大功率為
從式(3)可以看出，提高電能傳輸?shù)拇笮】梢酝ㄟ^(guò)增大ω，Ip，M和Qs或減小Ls。但受應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)械安裝和成本限制，LCIPT系統(tǒng)中，M值一般較小，而且一旦磁耦合裝置設(shè)計(jì)完成后，M和Ls的值就基本固定了。能夠作調(diào)整的是乘積量(ωIp2Qs)。從工程設(shè)計(jì)角度考慮，在參數(shù)選擇設(shè)計(jì)中，Qs一般不會(huì)超過(guò)10，否則系統(tǒng)工作狀態(tài)將對(duì)負(fù)載變化、元件參數(shù)變化和頻率變化非常敏感，系統(tǒng)很難穩(wěn)定。由此對(duì)傳輸電能大小調(diào)節(jié)余度最大的是乘積ωIp2。從該關(guān)系式可見(jiàn)頻率與發(fā)射電流的關(guān)系：提高頻率ω，可以減小原邊電流Ip，反之亦然。在傳輸相等電能及其它相關(guān)量不變情況下，采用高頻的LCIPT系統(tǒng)與采用低頻的LCIPT系統(tǒng)相比，所需的發(fā)射電流大大降低，電源變換器電流應(yīng)力及系統(tǒng)成本大大降低。因而LCIPT比較適合采用高頻系統(tǒng)。但限于目前
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