非接触式电能传输系统的研究和应用

朱文江

[摘要]非接触式电能传输系统能实现在没有电气或电气设备物理连接运用电感耦合技术的电子产品的完美结合。本文介绍了非接触式电能传输的基本原理，建立数学模型基于松散耦合电路和对传输效率的影响因素进行了分析，最后结合工程来应用。

[关键词]非接触式电能传输；耦合；数学模型 文章编号：2095-4085（2017）05-0084-02

1介绍

传统的方法需要电气连接电源供应系统和负载，但是在一些恶劣的环境如化工、地下开采、水下作业等，特别是供电电源需要移动或者有荷载的时候，因为它是不安全的裸导体和有其他约束，所以系统的安全性和可靠性较低，极大地限制了应用程序。非接触式电能传输系统是一个松散耦合的感应系统，使用空气作为耦合介质，电气设备通过高频辐射的方式不需要跟任何电气连接。系统有手机的优势和灵活性，不受环境影响，即使是在恶劣的环境下也可以提供清洁、稳定和安全的移动电力。本文介绍了非接触式电能传输系统的结构和原理，分析了影响传输效率的因素，并描述了使用的耦合效应诱发电位之间的初级和二级子系统。

2系统组成和工作原理

非接触式电能传输系统是基于电磁感应原理理论的，核心部分就是通过辐射和接收高频率电磁能量，实现松耦合变压器代替传统变压器的初级和次级线圈上封闭的铁芯。非接触式电能传输系统有一个单独的电感耦合电路，主和二次绕线组在不同的磁结构实现能量耦合没有能量和负载之间的物理连接。根据相对运动在初级和二级子系统之间有三个不同种类的感应耦合功率传输系统。在外加电压的作用下，原边的松散耦合变压器产生交变磁通，主要因为磁势是松散耦合变压器的气隙。非接触式电能传输系统中松散耦合变压器的初级线圈和次级线圈之间的传播媒体是空气。气体的间隙非常小，变压器在松散耦合状态和漏磁大，耦合系数大大低于传统的变压器，必须减少电路电力传输的损失。为了产生足够的电能来满足负载的需求，切实可行方法是增加的交流频率，主要以增加交变磁场的频率来获得更大的二次感应电势。高频交流电通常在10kHz～100kHz。变化的磁场会在初级和二级子系统之间产生强烈的电磁感应，所以我们可以在二级子系统根据电磁感应法律和楞次定律获得感应电动势。非接触式电能传输系统结构在初级和二级子系统之间没有物理连接。当系统工作时，两个或两个三相交流电源整流和过滤成直流电（DC）电能，直流电源提供了输入为高变频器输入的高频交流电，才能获得相应频率的感应电流，实现供应通过调节的负载电压、电流和阶段。松耦合变压器的一次绕组和二次绕组都是相对独立的，能保持相对静止或可移动的状态，初级线圈通常用于扩展电路，次级线圈是一个有开放口子的磁铁，所以这两个线圈允许很长一段距离的相对运动。主绕组可以辐射电磁能量给多个二次绕组，电能同时满足多个负载不同的应用需求。

3系统模型

因为非接触式电能传输系统的主要和次要子系统是在松散耦合状态下的，传统的变压器模型是基于磁组件完成的，已经不再合适，所以我们使用共同的耦合電感模型，分析了系统的电磁关系，同时引入二级子系统的反应阻抗来描述电力传输能力。该模型不需要单独的耦合电感和泄漏电感，充分考虑磁化电感和漏电感对系统的影响。

非接触式电能传输系统是一个松散耦合的结构，在主要和次要电路之间有一个间隙，一方面实现子系统之间的电源提供，弥补传统固有的缺陷电能传输；另一方面，大型气隙的存在会产生类似于启动系统泄露的效果，甚至高于起始的输电容量和有限效率。非接触式电能传输系统的输出能力很大程度取决于负载阻抗、输出功率。因此在应用程序中我们通常在主要和次要系统中采取有效的补偿措施，提高二级子系统的稳定性和功率因数，在同一时间降低电源变换器的电压和电流应力。

4工程应用

非接触式电能传输系统引起了学术界和工程界的关注，正在不断发展和进步，并已广泛应用于传输设备、机器人、舞台系统和其他领域，目前有几个典型的案例：（1）日本已经生产出“无线输电器”，这就意味着可以开始告别插座时代。这种无线电器就是由4层塑胶薄片来构成感应器，当输电器感应到附近设备中的接收器时，就可以在特定某些区域提供无线电能从而可以告别麻烦的插座插头了。（2）在新西兰也成功地开发了两项有关非接触电能传输的实用项目，一是运行于新西兰惠灵顿大隧道中的高速公路发光分道猫眼系统；另一个使用于新西兰Rotorua国家地热公园的40 kW非接触充电电动机车。（3）日本大阪富库公司的单轨行车和无电瓶自动运货车，这些设备当前已成功的用于许多材料运输系统中。（4）美国通用汽车公司推出的EVI非接触感应充电系统电车。由美国通用汽车公司的一个分公司研制的最先进商业化的电车感应耦合充电器。需要充电时，只需将充电板插入车辆的充电端口即可。感应耦合能量传递的频率可以在80 kHz到350 kHz范围内变动。充电可以反复进行，过程简单、安全、高效。

5结语

非接触式电能传输系统可以实现电力移动传输，更安全、更快速，而且没有噪音，维护也非常容易，适用于高速运动或严酷的环境下应用。这篇文章描述了非接触式电能传输系统的原理和构建其互感耦合模型，分析其传播特征以及一些实例应用。随着技术的发展，这个系统的结构和性能进一步优化，将能够得到更广泛的应用。