非接触电能传输系统中松耦合变压器传输特性

邹敢，李涛,2，王庆平

（1.昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650093；2.昆明船舶设备集团有限公司，云南 昆明 650051）

非接触电能传输系统中松耦合变压器传输特性

邹敢1，李涛1,2，王庆平1

（1.昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650093；2.昆明船舶设备集团有限公司，云南 昆明 650051）

非接触式电能传输作为一种新的电能传输技术，具有很好的应用前景，介绍了非接触式电能传输系统的组成和基本原理。松耦合变压器是非接触式电能传输系统的关键组成部分，建立了松耦合变压器的模型，分析了线圈电阻、耦合系数等参数对松耦合变压器传输特性的影响。

非接触电能传输；松耦合变压器；传输特性

自从电磁感应现象以及导线可以传输电能被科学家发现以来，人类对电能进行了有效的利用。但一直以来电能的传输主要是由导线直接接触进行输送的，对一些移动电气设备供电时一般采用相对滑动接触的方式传递能量，如电力机车、城市有轨机车等移动设备的供电。实践表明，这种供电方式存在接触火花、滑动磨损、碳积、不安全裸露导体等问题。非接触电能传输，顾名思义，是通过非接触的方式实现电源和用电设备之间的电能传输。它的基本原理是通过电磁感应耦合，在电源与负载之间有较大气隙的情况下，实现电能从电源到负载的传输。非接触电能传输无需导线，具有安全、可靠、清洁、使用寿命长等特点。

由于非接触电能传输相比传统供电方式有独特的优越性，所以很早就引起了研究者的兴趣。20世纪60年代，人们开始研究非接触电能传输在内植式医疗电子装置中的应用[1]，随后研究人员对非接触电能传输在电动车非接触供电[2]，移动电话无线充电[3-4]，矿山机械非接触供电[5]等方面的应用进行了研究。新西兰奥克兰大学电子与计算工程系的Boys教授是非接触电能传输领域的著名学者，以其为首的课题组从20世纪80年代起就对无接触电能传输系统进行了深入研究，取得了一系列的研究成果[6-8]。近年来，国内的科研院所如重庆大学、浙江大学、中科院电工所等开展了相关的研究工作，在系统稳定性、补偿方法等方面对非接触电能传输技术进行了有益的研究与探索[9-11]。本文主要对作为非接触电能传输系统关键组成部分的松耦合变压器的传输特性进行研究和分析。

1 非接触电能传输系统

典型的非接触电能传输系统的组成如图1所示，整个系统由电源、一次侧和二次侧整流滤波、一次侧和二次侧谐振补偿、一次侧逆变电路、松耦合变压器和负载等单元构成。系统的基本工作过程如下：工频交流电源在经过一次侧的整流滤波和高频逆变两次变换以后产生高频交变电流供给一次线圈，一次线圈产生的交变磁通与二次线圈交链，从而在二次侧产生感应电压，二次侧的电压在经过整流滤波以后提供给负载，也可以根据负载需要做相应的变换。为了提高系统的功率因数，一般在两侧都加入谐振补偿环节。

松耦合变压器实现电能的非接触传输，它是系统中的核心构件。与常规变压器不同，松耦合变压器的一次线圈和二次线圈在物理上是分离的。根据应用场合的不同，松耦合变压器可采用空心线圈或是一次侧、二次侧相分离的磁芯。虽然松耦合变压器与常规变压器有很大的不同，但它们都是基于电磁感应原理工作的，它们的本质区别在于一次线圈与二次线圈耦合性能的差异。常规变压器耦合系数比较高，其性能接近理想变压器，所以在对松耦合变压器的传输特性分析之前，先对理想变压器进行简单分析。

图1 非接触电能传输系统原理图

2 理想变压器模型

变压器是利用电磁感应原理来改变交流的装置，主要由一次线圈、二次线圈及铁芯构成。如果变压器一次线圈和二次线圈完全耦合，铁芯磁路磁阻及一次线圈和二次线圈的电阻可忽略不记，称之为理想变压器。理想电压器模型及其磁路图分别如图2和图3所示。图中，1、2表示一次线圈、二次线圈匝数，1、2表示一次线圈、二次线圈电压，1、2表示一次线圈、二次线圈电流，φm为一次线圈和二次线圈的磁通量，为磁路的磁阻。根据电磁感应定律有：

由图2，理想变压器的磁动势方程为：

对于理想变压器，磁阻为零，故：

式（2）和式（4）即为理想变压器的模型。

图3 理想变压器磁路图

3 松耦合变压器模型

目前，松耦合变压器分析一次、二次线圈之间耦合的建模方法，常用的是传统的变压器模型和互感模型。传统的变压器模型使用变压和负载电流的概念来描述耦合效应，在分析中，需要将励磁电感和漏电感分开来考虑。这种模型较适合于紧密耦合的变压器，其漏感较小，通常可以忽略不计。互感模型使用感应电压和反映电压的概念来描述一次、二次线圈之间的耦合效应，感应电压和反映电压都是通过互感来表达。这种模型的主要优点是不需要将互感与漏电感分开。所以本文中采用互感模型来对松耦合变压器的传输特性进行分析。松耦合变压器的模型如图4所示。图中，一次线圈的电阻为1、电感为1，二次线圈的电阻为2、电感为2，绕组间的互感为。通过开路实验可以测得一次线圈、二次线圈的自感和互感，一次绕组、二次线圈之间的耦合系数为：

图4 松耦合变压器的互感模型

由图4可得松耦合变压器的方程为：

由以上分析可得到松耦合变压器的一次侧和二次侧的等效电路，如图5所示。

图5 松耦合变压器一次侧、二次侧等效电路

4 松耦合变压器传输特性分析

4.1 电压传输特性

由以上建立的松耦合变压器的等效电路模型，可得：

由式（10）可得其幅频特性的表达式为：

为了对松耦合变压器的传输特性进行分析，本文假定一次线圈和二次线圈的匝数比为1，松耦合变压器电压传输特性曲线如图6所示。

图6 松耦合变压器电压传输特性曲线

图6(a)为不同的线圈电阻对电压传输特性的影响，从图可看出，当=1，=1时，线圈电阻分别取负载电阻的1%、5%、10%，即1=2=0.01、0.05、0.10，电压增益分别下降为不记线圈电阻时的98%、91%、83%。因此为了使得松耦合变压器电压增益不会有过大的衰减，应该尽量减小线圈电阻。图6(b)为不同的值对电压传输特性的影响，由图可知，值越大，电压增益随频率增加而衰减越快。图6(c)则说明耦合系数越小，电压增益越小，而且随着频率增加，电压增益下降更多。

4.2 传输效率特性

需要指出的是，这里的效率是指负载消耗的用功功率与电源提供的有功功率之比，并非与电源的视在功率之比。松耦合变压器可以采用铁芯变压器和空芯变压器，当松耦合变压器不计铁芯损耗或采用空芯变压器结构时，系统传输效率可表示为：

图7为松耦合变压器传输效率特性曲线，从图7(a)可以看出，线圈电阻对传输效率η影响比较大，当1=2=0.01、0.05、0.10时，传输效率分别为0.99、0.95、0.91。从图7(b)和图7(c)看出，在同样的线圈电阻情况下，不同和对传输效率的影响很小，曲线也几乎重合在一起。所以从提高传输效率的角度来看，在设计非接触电能传输系统时，线圈材料的选择是非常重要的。由于非接触电能传输系统的耦合性较差，同时系统工作在高频下，必然使一次、二次回路中滞留大量的无功功率，导致系统利用率较低。要实现一定的负载功率输出，需要提高供电电压，这也就大大地降低了电源的利用率。为了改善一次、二次回路的供电性能，需要对一次、二次回路的无功功率进行补偿来提高两个回路中的功率因数，从而提高供电质量，所以一般在非接触电能传输系统中需要设计补偿单元。

5 结束语

非接触式电能传输作为一个比较新的研究领域，近年来受到了广泛关注。相比传统的导线电能传输，非接触式电能传输具有安全、可靠、清洁、使用寿命长等优点，适用于自动导引小车、目标编码小车等组成的智能移动搬运系统。松耦合变压器作为非接触电能传输系统中的关键部分，对其进行传输特性的研究分析是十分必要的。本文建立了松耦合变压器模型并就线圈电阻、耦合系数等系统参数对松耦合变压器传输特性的影响进行了分析，这对于设计非接触电能传输系统具有指导意义。

图7 松耦合变压器传输效率特性曲线

参考文献：

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[10]周雯琪，马皓，何湘宁.感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J].电工技术学报，2009，24(1)：133-139.

[11]孙跃，王智慧.电流型CPT系统传输功率调节方法[J].重庆大学学报：自然科学版，2009，32(12)：1386-1391.

Transm ission performance research of loosely coupled transformer in contactlesspower transmission system

ZOU Gan1,LITao1,2,WANG Qing-ping1

As a new kind of power transm ission technology,contactless power transfer(CPT)has a prom ising app lication future.The constitute structure and basic princip le of CPT system were introduced.Loosely coupled transformer is a key part of CPT system.Loosely coupled transformermodelwas built.The influence of system parameters such as the coil resistance and the coupling coefficient on the transm ission performance of loosely coup led transformerwas analyzed.

contactless power transfer;loosely coupled transformer;transm ission performance

TM 41

A

1002-087 X(2014)05-0947-04

2013-10-10

科技部国际合作项目(2010DFB70700)

邹敢(1976—)，男，江西省人，博士研究生，主要研究方向为机电一体化。