朱文江

[摘要]非接觸式電能傳輸系統(tǒng)能實現(xiàn)在沒有電氣或電氣設(shè)備物理連接運用電感耦合技術(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?，建立?shù)學模型基于松散耦合電路和對傳輸效率的影響因素進行了分析，最后結(jié)合工程來應用。

[關(guān)鍵詞]非接觸式電能傳輸；耦合；數(shù)學模型 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系統(tǒng)和負載，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候，因為它是不安全的裸導體和有其他約束，所以系統(tǒng)的安全性和可靠性較低，極大地限制了應用程序。非接觸式電能傳輸系統(tǒng)是一個松散耦合的感應系統(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)有一個單獨的電感耦合電路，主和二次繞線組在不同的磁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)能量耦合沒有能量和負載之間的物理連接。根據(jù)相對運動在初級和二級子系統(tǒng)之間有三個不同種類的感應耦合功率傳輸系統(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，主要因為磁勢是松散耦合變壓器的氣隙。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載的需求，切實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)生強烈的電磁感應，所以我們可以在二級子系統(tǒng)根據(jù)電磁感應法律和楞次定律獲得感應電動勢。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。當系統(tǒng)工作時，兩個或兩個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，才能獲得相應頻率的感應電流，實現(xiàn)供應通過調(diào)節(jié)的負載電壓、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展電路，次級線圈是一個有開放口子的磁鐵，所以這兩個線圈允許很長一段距離的相對運動。主繞組可以輻射電磁能量給多個二次繞組，電能同時滿足多個負載不同的應用需求。

3系統(tǒng)模型

因為非接觸式電能傳輸系統(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，同時引入二級子系統(tǒng)的反應阻抗來描述電力傳輸能力。該模型不需要單獨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)是一個松散耦合的結(jié)構(gòu)，在主要和次要電路之間有一個間隙，一方面實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的電源提供，彌補傳統(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載阻抗、輸出功率。因此在應用程序中我們通常在主要和次要系統(tǒng)中采取有效的補償措施，提高二級子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率因數(shù)，在同一時間降低電源變換器的電壓和電流應力。

4工程應用

非接觸式電能傳輸系統(tǒng)引起了學術(shù)界和工程界的關(guān)注，正在不斷發(fā)展和進步，并已廣泛應用于傳輸設(shè)備、機器人、舞臺系統(tǒng)和其他領(lǐng)域，目前有幾個典型的案例：（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代。這種無線電器就是由4層塑膠薄片來構(gòu)成感應器，當輸電器感應到附近設(shè)備中的接收器時，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)了兩項有關(guān)非接觸電能傳輸?shù)膶嵱庙椖?，一是運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)；另一個使用于新西蘭Rotorua國家地熱公園的40 kW非接觸充電電動機車。（3）日本大阪富庫公司的單軌行車和無電瓶自動運貨車，這些設(shè)備當前已成功的用于許多材料運輸系統(tǒng)中。（4）美國通用汽車公司推出的EVI非接觸感應充電系統(tǒng)電車。由美國通用汽車公司的一個分公司研制的最先進商業(yè)化的電車感應耦合充電器。需要充電時，只需將充電板插入車輛的充電端口即可。感應耦合能量傳遞的頻率可以在80 kHz到350 kHz范圍內(nèi)變動。充電可以反復進行，過程簡單、安全、高效。

5結(jié)語

非接觸式電能傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力移動傳輸，更安全、更快速，而且沒有噪音，維護也非常容易，適用于高速運動或嚴酷的環(huán)境下應用。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例應用。隨著技術(shù)的發(fā)展，這個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能進一步優(yōu)化，將能夠得到更廣泛的應用。