旋转界面非接触功率传输技术研究

白林坡，刘武发

（郑州大学 机械工程学院，郑州 450001）

0 引言

很多场合需要通过旋转界面转换信号和功率，多数采用滑环或电刷,研究发现可以用旋转变压器来代替更好。传统磨床砂轮动平衡仪的法兰接头能量传输方式是接触式，这里我提出用一种旋转式非接触功率传输装置进行代替，要求输入工业直流12v，耦合后得到也是直流12v的间隙磁耦合旋转装置。科学仪表、天线和太阳能电池陈列都是旋转界面功率和信号传输结构，过去旋转式功率转换部件的功率和信号的传递主要靠滑环。传统的旋转式功率转换的方法有：电池、导电滑环与旋转发电等[1]。电池供电可靠，却需要更换。导电滑环在高速旋转条件下，摩擦会导致震动、发热、噪声现象发生。旋转发电方式是把旋转件的机械能转化为电能，需要稳定的高转速条件，因此需要一种新的传输模式。电磁感应耦合与旋转变压器相结合，可实现高速旋转装置之间气隙功率传输。因此可以克服传统导线供电方式所具有的电击、火花、磨损等缺陷，具有安全、可靠、灵活和高效等特点[2]。

1 系统组成

系统要求为输入工业直流，感应耦合后输出直流到用电设备。能量传输基于电磁耦合理论，该系统由四大部分组成：高频逆变、谐振变换、耦合环节和整流滤波。

1.1 基本原理和传输效率

耦合环节，包含两个线圈，形成一个松耦合变压器等效电路如图1所示。

图1 感应耦合基本原理

可推导公式（1）

式中：R2ed和X2ed分别是Z2ed实部和虚部。

公式（1）可以看出，如果使效率最大化，就使wL2＝-X2ed，这可以通过在次级线圈中增加调谐电容实现。

2 高频逆变与谐振变换

采用高频逆变是为了提高传输效率，这是因为耦合环节的初级线圈和次级线圈之间有间隙，介质是空气，而空气的磁导率低，导致漏磁大，降低了耦合系数。提高传输功率最适当的方式是增大线圈中电流的频率[3]。高频逆变的原理是用DSP输出的PWM波来控制MOSFET管的驱动电路，由此控制MOSFET管的通断来输出高频方波。MOSFET隔离型驱动拟采用四个MOSFET管进行控制。

4个MOSFET管组成全桥谐振逆变电路，采用双极性控制方式[4]，S1、S4同相工作，S2、S3同相工作，直流电源Vd经逆变输出高频交流Vi。最大工作频率可达 100 kHz，实现电气隔离，具有较强驱动能力和抗干扰能力的MOSFET驱动电路。

图2 SG3525芯片接口

脉冲宽度调制器SG3525芯片产生的PWM方波，经过两个驱动芯片IR2110产生4路脉冲控制信号，分别为全桥主电路的四个三极管栅极提供开启电压，来控制MOSFET的导通。控制电路的脉冲从4个输人端口送人全桥主电路中，交替导通S1，S4管和S2，S3管，从而在初级绕组上得到一个交替的方波脉冲[5]。

3 耦合环节及整流滤波

高频交流电加载在初级线圈上，在次级线圈中同样得到高频交流，这样就实现了功率的间隙传递。耦合环节基本上由原边的载流线圈及磁芯、副边线圈及磁芯两部分组成。既然是旋转部件间功率传输，就需要考虑旋转运动带来的影响。应用于旋转结构的电磁耦合器目前有以下四种：罐型磁芯-同轴线圈结构、LT型磁芯结构、罐型磁芯-面对面结构和同心结构[6]。副边线圈的旋转运动不影响磁力线回路路径，任意界面内磁力线数量没有变化，根据电磁感应理论，副边线圈的感应电压不受旋转运动影响。

此结构可以旋转，而磁路不受影响，采用（c）面对面结构。在次级线圈中得到的高频交流电不能直接应用于负载，可根据需要进行整流滤波，这里负载使用工业直流，即电能传输要求是输入与输出等幅值直流电压。滤波整流采用LC电路，在次级线圈得到高频交流，进行滤波整流转换为直流。

4 实验和仿真数据

在MATLAB环境下设计理论计算程序，可以快速的计算理论值，用Ansoft Maxwel进行仿真得到仿真结果。根据经验当初级线圈直径等于耦合线圈轴向距离的两倍，传递效率最大。

表1 耦合连接的各项参数

我们发现，仿真结果和理论值都对实验结果都作出了很好的估计，除对Q2作出了过高的估计，图3给出了估算的系统中的各部分功耗和所占比例。

图3 系统中的各部分功耗和所占比例

根据图3进行计算得到表2。

表2 感应耦合系统电路各部分传递效率和功率损耗

依据表2可以分析得出结论，耦合环节损失消耗功率比占40%，这是因为传递效率低所导致的，若想进一步提高整个系统的传递效率就必须提高耦合环节的传递效率。耦合环节的51%的传递效率可以基本满足一些应用场合的需要，若进一步提高到80%，估算系统传递效率可以达到57%，则无线传输电能可代替现在大部分的有线传输，免去许多移动设备的电缆限制。

5 应用现状

目前，间隙耦合功率传输技术已经很成熟，在移动供电领域中可以避免传统导线连接方式的布局限制以及蓄电池供电寿命末期不稳定运行等弊端，随着企业产品的要求发展很快。在美国、德国、日本等国家该技术相对比较成熟，日本大福公司、德国法勒等公司具有各种不同的商业化产品，如电动车、起重机、水下车等，而旋转式的间隙耦合功率传输在国内应用未见报道，伽利略宇宙飞船上的旋转式变压器延长了宇宙飞船的寿命，1989-2003年无故障地工作[7]。

6 结束语

本文介绍了新型的旋转式非接触功率传输部件的原理和基本结构，其性能可靠，寿命长，稳定性好，噪声低，安装方便，有很大的应用潜力，目前还需要进一步提高传输效率和降低漏感，以减少损耗，使其应用更加广泛。设计的基于砂轮动平衡仪的旋转界面非接触功率传输的耦合感应装置，实用可靠，满足应用需求，在旋转界面功率传输方面提供了一个思路，也为其他非接触功率传输提高参考。

[1] 严后选, 孙健国, 张天宏.航空发动机转子遥测系统旋转电源变换器[J].南京航空航天大学学报, 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] 孙勇, 楼佩煌, 钱晓明.感应耦合功率传输技术高频逆变环节研究与应用[J].电工电气, 2009, 3: 44-47.

[4] 毛赛君.非接触感应电能传输系统关键技术研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2006.

[5] 周静, 安慰东, 张磊.全桥高频逆变电路的研究与实现[J].电子测试, 2009, 7: 79-82.

[6] 李泽松.基于电磁感应原理的水下非接触式电能传输技术研究[D].浙江大学, 2010.

[7] 麦克莱曼.变压器与电感器设计手册: 第3版[M].北京:中国电力出版社, 2008.