旋轉界面非接觸功率傳輸技術研究

白林坡，劉武發

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001）

0 引言

很多場合需要通過旋轉界面轉換信號和功率，多數采用滑環或電刷,研究發現可以用旋轉變壓器來代替更好。傳統磨床砂輪動平衡儀的法蘭接頭能量傳輸方式是接觸式，這里我提出用一種旋轉式非接觸功率傳輸裝置進行代替，要求輸入工業直流12v，耦合后得到也是直流12v的間隙磁耦合旋轉裝置。科學儀表、天線和太陽能電池陳列都是旋轉界面功率和信號傳輸結構，過去旋轉式功率轉換部件的功率和信號的傳遞主要靠滑環。傳統的旋轉式功率轉換的方法有：電池、導電滑環與旋轉發電等[1]。電池供電可靠，卻需要更換。導電滑環在高速旋轉條件下，摩擦會導致震動、發熱、噪聲現象發生。旋轉發電方式是把旋轉件的機械能轉化為電能，需要穩定的高轉速條件，因此需要一種新的傳輸模式。電磁感應耦合與旋轉變壓器相結合，可實現高速旋轉裝置之間氣隙功率傳輸。因此可以克服傳統導線供電方式所具有的電擊、火花、磨損等缺陷，具有安全、可靠、靈活和高效等特點[2]。

1 系統組成

系統要求為輸入工業直流，感應耦合后輸出直流到用電設備。能量傳輸基于電磁耦合理論，該系統由四大部分組成：高頻逆變、諧振變換、耦合環節和整流濾波。

1.1 基本原理和傳輸效率

耦合環節，包含兩個線圈，形成一個松耦合變壓器等效電路如圖1所示。

圖1 感應耦合基本原理

可推導公式（1）

式中：R2ed和X2ed分別是Z2ed實部和虛部。

公式（1）可以看出，如果使效率最大化，就使wL2＝-X2ed，這可以通過在次級線圈中增加調諧電容實現。

2 高頻逆變與諧振變換

采用高頻逆變是為了提高傳輸效率，這是因為耦合環節的初級線圈和次級線圈之間有間隙，介質是空氣，而空氣的磁導率低，導致漏磁大，降低了耦合系數。提高傳輸功率最適當的方式是增大線圈中電流的頻率[3]。高頻逆變的原理是用DSP輸出的PWM波來控制MOSFET管的驅動電路，由此控制MOSFET管的通斷來輸出高頻方波。MOSFET隔離型驅動擬采用四個MOSFET管進行控制。

4個MOSFET管組成全橋諧振逆變電路，采用雙極性控制方式[4]，S1、S4同相工作，S2、S3同相工作，直流電源Vd經逆變輸出高頻交流Vi。最大工作頻率可達 100 kHz，實現電氣隔離，具有較強驅動能力和抗干擾能力的MOSFET驅動電路。

圖2 SG3525芯片接口

脈沖寬度調制器SG3525芯片產生的PWM方波，經過兩個驅動芯片IR2110產生4路脈沖控制信號，分別為全橋主電路的四個三極管柵極提供開啟電壓，來控制MOSFET的導通。控制電路的脈沖從4個輸人端口送人全橋主電路中，交替導通S1，S4管和S2，S3管，從而在初級繞組上得到一個交替的方波脈沖[5]。

3 耦合環節及整流濾波

高頻交流電加載在初級線圈上，在次級線圈中同樣得到高頻交流，這樣就實現了功率的間隙傳遞。耦合環節基本上由原邊的載流線圈及磁芯、副邊線圈及磁芯兩部分組成。既然是旋轉部件間功率傳輸，就需要考慮旋轉運動帶來的影響。應用于旋轉結構的電磁耦合器目前有以下四種：罐型磁芯-同軸線圈結構、LT型磁芯結構、罐型磁芯-面對面結構和同心結構[6]。副邊線圈的旋轉運動不影響磁力線回路路徑，任意界面內磁力線數量沒有變化，根據電磁感應理論，副邊線圈的感應電壓不受旋轉運動影響。

此結構可以旋轉，而磁路不受影響，采用（c）面對面結構。在次級線圈中得到的高頻交流電不能直接應用于負載，可根據需要進行整流濾波，這里負載使用工業直流，即電能傳輸要求是輸入與輸出等幅值直流電壓。濾波整流采用LC電路，在次級線圈得到高頻交流，進行濾波整流轉換為直流。

4 實驗和仿真數據

在MATLAB環境下設計理論計算程序，可以快速的計算理論值，用Ansoft Maxwel進行仿真得到仿真結果。根據經驗當初級線圈直徑等于耦合線圈軸向距離的兩倍，傳遞效率最大。

表1 耦合連接的各項參數

我們發現，仿真結果和理論值都對實驗結果都作出了很好的估計，除對Q2作出了過高的估計，圖3給出了估算的系統中的各部分功耗和所占比例。

圖3 系統中的各部分功耗和所占比例

根據圖3進行計算得到表2。

表2 感應耦合系統電路各部分傳遞效率和功率損耗

依據表2可以分析得出結論，耦合環節損失消耗功率比占40%，這是因為傳遞效率低所導致的，若想進一步提高整個系統的傳遞效率就必須提高耦合環節的傳遞效率。耦合環節的51%的傳遞效率可以基本滿足一些應用場合的需要，若進一步提高到80%，估算系統傳遞效率可以達到57%，則無線傳輸電能可代替現在大部分的有線傳輸，免去許多移動設備的電纜限制。

5 應用現狀

目前，間隙耦合功率傳輸技術已經很成熟，在移動供電領域中可以避免傳統導線連接方式的布局限制以及蓄電池供電壽命末期不穩定運行等弊端，隨著企業產品的要求發展很快。在美國、德國、日本等國家該技術相對比較成熟，日本大福公司、德國法勒等公司具有各種不同的商業化產品，如電動車、起重機、水下車等，而旋轉式的間隙耦合功率傳輸在國內應用未見報道，伽利略宇宙飛船上的旋轉式變壓器延長了宇宙飛船的壽命，1989-2003年無故障地工作[7]。

6 結束語

本文介紹了新型的旋轉式非接觸功率傳輸部件的原理和基本結構，其性能可靠，壽命長，穩定性好，噪聲低，安裝方便，有很大的應用潛力，目前還需要進一步提高傳輸效率和降低漏感，以減少損耗，使其應用更加廣泛。設計的基于砂輪動平衡儀的旋轉界面非接觸功率傳輸的耦合感應裝置，實用可靠，滿足應用需求，在旋轉界面功率傳輸方面提供了一個思路，也為其他非接觸功率傳輸提高參考。

[1] 嚴后選, 孫健國, 張天宏.航空發動機轉子遙測系統旋轉電源變換器[J].南京航空航天大學學報, 2007, 39(3):298-301.

[2] Pedder D A G, Brown A D, Skinner J A.A contactless electrical energy transmission system[J].IEEE Trans.Ind.Electron, 1999, 46 (2): 23-30.

[3] 孫勇, 樓佩煌, 錢曉明.感應耦合功率傳輸技術高頻逆變環節研究與應用[J].電工電氣, 2009, 3: 44-47.

[4] 毛賽君.非接觸感應電能傳輸系統關鍵技術研究[D].南京: 南京航空航天大學, 2006.

[5] 周靜, 安慰東, 張磊.全橋高頻逆變電路的研究與實現[J].電子測試, 2009, 7: 79-82.

[6] 李澤松.基于電磁感應原理的水下非接觸式電能傳輸技術研究[D].浙江大學, 2010.

[7] 麥克萊曼.變壓器與電感器設計手冊: 第3版[M].北京:中國電力出版社, 2008.