非接觸電能傳輸系統中松耦合變壓器傳輸特性

鄒敢，李濤,2，王慶平

（1.昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明船舶設備集團有限公司，云南 昆明 650051）

非接觸電能傳輸系統中松耦合變壓器傳輸特性

鄒敢1，李濤1,2，王慶平1

（1.昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明船舶設備集團有限公司，云南 昆明 650051）

非接觸式電能傳輸作為一種新的電能傳輸技術，具有很好的應用前景，介紹了非接觸式電能傳輸系統的組成和基本原理。松耦合變壓器是非接觸式電能傳輸系統的關鍵組成部分，建立了松耦合變壓器的模型，分析了線圈電阻、耦合系數等參數對松耦合變壓器傳輸特性的影響。

非接觸電能傳輸；松耦合變壓器；傳輸特性

自從電磁感應現象以及導線可以傳輸電能被科學家發現以來，人類對電能進行了有效的利用。但一直以來電能的傳輸主要是由導線直接接觸進行輸送的，對一些移動電氣設備供電時一般采用相對滑動接觸的方式傳遞能量，如電力機車、城市有軌機車等移動設備的供電。實踐表明，這種供電方式存在接觸火花、滑動磨損、碳積、不安全裸露導體等問題。非接觸電能傳輸，顧名思義，是通過非接觸的方式實現電源和用電設備之間的電能傳輸。它的基本原理是通過電磁感應耦合，在電源與負載之間有較大氣隙的情況下，實現電能從電源到負載的傳輸。非接觸電能傳輸無需導線，具有安全、可靠、清潔、使用壽命長等特點。

由于非接觸電能傳輸相比傳統供電方式有獨特的優越性，所以很早就引起了研究者的興趣。20世紀60年代，人們開始研究非接觸電能傳輸在內植式醫療電子裝置中的應用[1]，隨后研究人員對非接觸電能傳輸在電動車非接觸供電[2]，移動電話無線充電[3-4]，礦山機械非接觸供電[5]等方面的應用進行了研究。新西蘭奧克蘭大學電子與計算工程系的Boys教授是非接觸電能傳輸領域的著名學者，以其為首的課題組從20世紀80年代起就對無接觸電能傳輸系統進行了深入研究，取得了一系列的研究成果[6-8]。近年來，國內的科研院所如重慶大學、浙江大學、中科院電工所等開展了相關的研究工作，在系統穩定性、補償方法等方面對非接觸電能傳輸技術進行了有益的研究與探索[9-11]。本文主要對作為非接觸電能傳輸系統關鍵組成部分的松耦合變壓器的傳輸特性進行研究和分析。

1 非接觸電能傳輸系統

典型的非接觸電能傳輸系統的組成如圖1所示，整個系統由電源、一次側和二次側整流濾波、一次側和二次側諧振補償、一次側逆變電路、松耦合變壓器和負載等單元構成。系統的基本工作過程如下：工頻交流電源在經過一次側的整流濾波和高頻逆變兩次變換以后產生高頻交變電流供給一次線圈，一次線圈產生的交變磁通與二次線圈交鏈，從而在二次側產生感應電壓，二次側的電壓在經過整流濾波以后提供給負載，也可以根據負載需要做相應的變換。為了提高系統的功率因數，一般在兩側都加入諧振補償環節。

松耦合變壓器實現電能的非接觸傳輸，它是系統中的核心構件。與常規變壓器不同，松耦合變壓器的一次線圈和二次線圈在物理上是分離的。根據應用場合的不同，松耦合變壓器可采用空心線圈或是一次側、二次側相分離的磁芯。雖然松耦合變壓器與常規變壓器有很大的不同，但它們都是基于電磁感應原理工作的，它們的本質區別在于一次線圈與二次線圈耦合性能的差異。常規變壓器耦合系數比較高，其性能接近理想變壓器，所以在對松耦合變壓器的傳輸特性分析之前，先對理想變壓器進行簡單分析。

圖1 非接觸電能傳輸系統原理圖

2 理想變壓器模型

變壓器是利用電磁感應原理來改變交流的裝置，主要由一次線圈、二次線圈及鐵芯構成。如果變壓器一次線圈和二次線圈完全耦合，鐵芯磁路磁阻及一次線圈和二次線圈的電阻可忽略不記，稱之為理想變壓器。理想電壓器模型及其磁路圖分別如圖2和圖3所示。圖中，1、2表示一次線圈、二次線圈匝數，1、2表示一次線圈、二次線圈電壓，1、2表示一次線圈、二次線圈電流，φm為一次線圈和二次線圈的磁通量，為磁路的磁阻。根據電磁感應定律有：

由圖2，理想變壓器的磁動勢方程為：

對于理想變壓器，磁阻為零，故：

式（2）和式（4）即為理想變壓器的模型。

圖3 理想變壓器磁路圖

3 松耦合變壓器模型

目前，松耦合變壓器分析一次、二次線圈之間耦合的建模方法，常用的是傳統的變壓器模型和互感模型。傳統的變壓器模型使用變壓和負載電流的概念來描述耦合效應，在分析中，需要將勵磁電感和漏電感分開來考慮。這種模型較適合于緊密耦合的變壓器，其漏感較小，通常可以忽略不計。互感模型使用感應電壓和反映電壓的概念來描述一次、二次線圈之間的耦合效應，感應電壓和反映電壓都是通過互感來表達。這種模型的主要優點是不需要將互感與漏電感分開。所以本文中采用互感模型來對松耦合變壓器的傳輸特性進行分析。松耦合變壓器的模型如圖4所示。圖中，一次線圈的電阻為1、電感為1，二次線圈的電阻為2、電感為2，繞組間的互感為。通過開路實驗可以測得一次線圈、二次線圈的自感和互感，一次繞組、二次線圈之間的耦合系數為：

圖4 松耦合變壓器的互感模型

由圖4可得松耦合變壓器的方程為：

由以上分析可得到松耦合變壓器的一次側和二次側的等效電路，如圖5所示。

圖5 松耦合變壓器一次側、二次側等效電路

4 松耦合變壓器傳輸特性分析

4.1 電壓傳輸特性

由以上建立的松耦合變壓器的等效電路模型，可得：

由式（10）可得其幅頻特性的表達式為：

為了對松耦合變壓器的傳輸特性進行分析，本文假定一次線圈和二次線圈的匝數比為1，松耦合變壓器電壓傳輸特性曲線如圖6所示。

圖6 松耦合變壓器電壓傳輸特性曲線

圖6(a)為不同的線圈電阻對電壓傳輸特性的影響，從圖可看出，當=1，=1時，線圈電阻分別取負載電阻的1%、5%、10%，即1=2=0.01、0.05、0.10，電壓增益分別下降為不記線圈電阻時的98%、91%、83%。因此為了使得松耦合變壓器電壓增益不會有過大的衰減，應該盡量減小線圈電阻。圖6(b)為不同的值對電壓傳輸特性的影響，由圖可知，值越大，電壓增益隨頻率增加而衰減越快。圖6(c)則說明耦合系數越小，電壓增益越小，而且隨著頻率增加，電壓增益下降更多。

4.2 傳輸效率特性

需要指出的是，這里的效率是指負載消耗的用功功率與電源提供的有功功率之比，并非與電源的視在功率之比。松耦合變壓器可以采用鐵芯變壓器和空芯變壓器，當松耦合變壓器不計鐵芯損耗或采用空芯變壓器結構時，系統傳輸效率可表示為：

圖7為松耦合變壓器傳輸效率特性曲線，從圖7(a)可以看出，線圈電阻對傳輸效率η影響比較大，當1=2=0.01、0.05、0.10時，傳輸效率分別為0.99、0.95、0.91。從圖7(b)和圖7(c)看出，在同樣的線圈電阻情況下，不同和對傳輸效率的影響很小，曲線也幾乎重合在一起。所以從提高傳輸效率的角度來看，在設計非接觸電能傳輸系統時，線圈材料的選擇是非常重要的。由于非接觸電能傳輸系統的耦合性較差，同時系統工作在高頻下，必然使一次、二次回路中滯留大量的無功功率，導致系統利用率較低。要實現一定的負載功率輸出，需要提高供電電壓，這也就大大地降低了電源的利用率。為了改善一次、二次回路的供電性能，需要對一次、二次回路的無功功率進行補償來提高兩個回路中的功率因數，從而提高供電質量，所以一般在非接觸電能傳輸系統中需要設計補償單元。

5 結束語

非接觸式電能傳輸作為一個比較新的研究領域，近年來受到了廣泛關注。相比傳統的導線電能傳輸，非接觸式電能傳輸具有安全、可靠、清潔、使用壽命長等優點，適用于自動導引小車、目標編碼小車等組成的智能移動搬運系統。松耦合變壓器作為非接觸電能傳輸系統中的關鍵部分，對其進行傳輸特性的研究分析是十分必要的。本文建立了松耦合變壓器模型并就線圈電阻、耦合系數等系統參數對松耦合變壓器傳輸特性的影響進行了分析，這對于設計非接觸電能傳輸系統具有指導意義。

圖7 松耦合變壓器傳輸效率特性曲線

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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

科技部國際合作項目(2010DFB70700)

鄒敢(1976—)，男，江西省人，博士研究生，主要研究方向為機電一體化。