非接觸式電能傳輸系統的研究和應用

朱文江

[摘要]非接觸式電能傳輸系統能實現在沒有電氣或電氣設備物理連接運用電感耦合技術的電子產品的完美結合。本文介紹了非接觸式電能傳輸的基本原理，建立數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，最后結合工程來應用。

[關鍵詞]非接觸式電能傳輸；耦合；數學模型 文章編號：2095-4085（2017）05-0084-02

1介紹

傳統的方法需要電氣連接電源供應系統和負載，但是在一些惡劣的環境如化工、地下開采、水下作業等，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是一個松散耦合的感應系統，使用空氣作為耦合介質，電氣設備通過高頻輻射的方式不需要跟任何電氣連接。系統有手機的優勢和靈活性，不受環境影響，即使是在惡劣的環境下也可以提供清潔、穩定和安全的移動電力。本文介紹了非接觸式電能傳輸系統的結構和原理，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電位之間的初級和二級子系統。

2系統組成和工作原理

非接觸式電能傳輸系統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，實現松耦合變壓器代替傳統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構實現能量耦合沒有能量和負載之間的物理連接。根據相對運動在初級和二級子系統之間有三個不同種類的感應耦合功率傳輸系統。在外加電壓的作用下，原邊的松散耦合變壓器產生交變磁通，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和漏磁大，耦合系數大大低于傳統的變壓器，必須減少電路電力傳輸的損失。為了產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之間產生強烈的電磁感應，所以我們可以在二級子系統根據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結構在初級和二級子系統之間沒有物理連接。當系統工作時，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，實現供應通過調節的負載電壓、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，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系統模型

因為非接觸式電能傳輸系統的主要和次要子系統是在松散耦合狀態下的，傳統的變壓器模型是基于磁組件完成的，已經不再合適，所以我們使用共同的耦合電感模型，分析了系統的電磁關系，同時引入二級子系統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的影響。

非接觸式電能傳輸系統是一個松散耦合的結構，在主要和次要電路之間有一個間隙，一方面實現子系統之間的電源提供，彌補傳統固有的缺陷電能傳輸；另一方面，大型氣隙的存在會產生類似于啟動系統泄露的效果，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中采取有效的補償措施，提高二級子系統的穩定性和功率因數，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引起了學術界和工程界的關注，正在不斷發展和進步，并已廣泛應用于傳輸設備、機器人、舞臺系統和其他領域，目前有幾個典型的案例：（1）日本已經生產出“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層塑膠薄片來構成感應器，當輸電器感應到附近設備中的接收器時，就可以在特定某些區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了兩項有關非接觸電能傳輸的實用項目，一是運行于新西蘭惠靈頓大隧道中的高速公路發光分道貓眼系統；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，這些設備當前已成功的用于許多材料運輸系統中。（4）美國通用汽車公司推出的EVI非接觸感應充電系統電車。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范圍內變動。充電可以反復進行，過程簡單、安全、高效。

5結語

非接觸式電能傳輸系統可以實現電力移動傳輸，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境下應用。這篇文章描述了非接觸式電能傳輸系統的原理和構建其互感耦合模型，分析其傳播特征以及一些實例應用。隨著技術的發展，這個系統的結構和性能進一步優化，將能夠得到更廣泛的應用。