非接觸式松耦合感應電能傳輸系統原理分析與設計

摘要：給出了非接觸式松耦合感應電能傳輸的基本原理，討論了影響系統電能傳輸的關鍵因素。針對不同的應用場合，對原副邊進行了補償設計，提高電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額。并對系統穩定性和可控性問題進行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式松耦合感應電能傳輸系統的一般設計方法。

    關鍵詞：非接觸式；感應電能傳輸；松耦合；系統設計

引言

接觸式電能傳輸通過插頭—插座等電連接器實現電能傳輸，在電能傳輸領域得到了廣泛使用。但隨著用電設備對供電品質、安全性、可靠性等要求的不斷提高，這一傳統電能傳輸方法所固有的缺陷，已經使得眾多應用場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、石油鉆采等場合，采用接觸式電能傳輸，因接觸摩擦產生的微小電火花，就很可能引起爆炸，造成重大事故[2]。在水下場合，接觸式電能傳輸存在電擊的潛在危險[3]。在給移動設備供電時，一般采用滑動接觸供電方式，這種方式在使用上存在諸如滑動磨損、接觸火花、碳積和不安全裸露導體等缺陷[4][5]。在給氣密儀器設備內部供電時，接觸式電能傳輸需要采用特別的連接器設計，成本高且難以確保設備的氣密性[6]。

    為了解決傳統接觸式電能傳輸不能被眾多應用場合所接受的問題，迫切需要一種新穎的電能傳輸方法。于是，非接觸式感應電能傳輸應運而生，成為當前電能傳輸領域的一大研究熱點。本文首先給出了這種新穎電能傳輸方法的基本原理，分析了影響系統電能傳輸的關鍵因素；接著圍繞著提高系統電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額的要求，針對不同應用場合，對原副邊進行了相應的補償設計；對系統的穩定性和可控性問題進行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式感應電能傳輸系統的一般設計方法。

1 非接觸式感應電能傳輸系統

非接觸式感應電能傳輸系統的典型結構如圖1所示。系統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，通過磁場耦合相聯系。原邊電路把電能轉換為磁場發射，經過這段氣隙后副邊電路通過接受裝置，匝鏈磁力線，接受磁場能量，并通過相應的能量調節裝置，變換為應用場合負載可以直接使用的電能形式，從而實現了非接觸式電能傳輸（文中負載用電阻表示以簡化分析）。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)原邊采用長電纜，副邊繞組繞在鐵芯上。

    在該非接觸式感應電能傳輸系統中，原副邊電路之間較大氣隙的存在，一方面使得原副邊無電接觸，彌補了傳統接觸式電能傳輸的固有缺陷。另一方面較大氣隙的存在使得系統構成的磁耦合關系屬于松耦合（由此，這種新穎電能傳輸技術通常也稱為松耦合感應電能傳輸技術，記為LCIPT），漏磁與激磁相當，甚至比激磁高，限制了電能傳輸的大小和傳輸效率。為此，通常需要在原副邊采用補償網絡來提升電能傳輸的大小和傳輸的效率，同時減小電源變換器的電壓電流應力。而且在該系統的分析中，因磁耦合裝置為松耦合，因此，通常用于磁

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