非接触电能传输关键技术研究

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述 （９ ２ ） 男 ， １８ 一 ， 黑龙江佳木斯人 ， 助理工程师 ， 研究方 向： 机电一体化设备 的设计与制造。
１ ４８ ・
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机 械 研 究 与 应 用 ・ ０ 年 期（ 第１ 期 ２ ２ 第５ 总 ２ ） １ １
检测与控制
吸收 的复 功率 ， 接反 映 了系统 的功 率传 输性 能 。 直
系统多 功能性 好 、 可靠性 高 、 柔性好 ， 上无 接触无 磨 加
损 的特 性 ， 能够满 足各种 不 同条件 下 电工设 备 的用 电
需求 ， 同时兼 顾 了信息传 输 功能 的需求 。
Ｉ交 源 ｝ 初 路 ＝ 初 绕 Ｉ 流电 ＝ 级电 爿 级 组
Ｉ
Ｉ 负载 次级电路 ＝ 次级绕组 １ ＝ ｛
检测与控制
２１年 期（ 第１ 期）・ 械 研 究 与 应 用 ・ ０ 第５ 总 ２ ２ １ 机
非 接 触 电 能 传 输 关 键 技 术 研 究
孙 述
１０ ７ ） ０ ０ ０ （ 北京 矿 冶 研 究 总 院 ， 京 北
摘
要： 非接 触电能传输采 用电磁耦合感应 的方式进行 电能传输 ， 具有无磨损 、 可靠性高、 柔性好 、 安全性 高及使 用寿
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｏ ｔ ｃｌｓ ｏ ｅ ｒ ｎ ｆ ｒ ｓ ｓ ｍ ｒ ｎ ｆｒ ｏ ｒｗｉ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｏ ｐ ｉ ｇ ． ｔｈ ｓ ｔｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｏ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｃ ｎ ａ ｔ ｓ ｐ ｗ ｒ ｔ ｓｅ ｙ ｔ ｔａ ｓｅｓ ｐ ｗｅ ｔ ｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｃ ｕ ｌ ｅ ａ ｅ ｈ ｃ ｎ Ｉ ａ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｔ ｓｃ ｎ ｎ ｗ ａ ，ｈ ｇ ｅｉｂ ｌ ｙ，ｇ ｏ ｅ ｉ ｉ ｔ ，ｈ ｇ ｅ ｕ ｉ ｎ ｏ ｇ ｌ ｅ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓｏ ｈ ｏ ｔｃｌ ｓ ｏ ｅ ａ ｓｅ ｃ — ｏ — ｅ ｒ ｉｈ ｒ ｌ ｉ ｔ ａ ｉ ｏ ｄ ｆ ｘｂｌ ｙ ｉｈ ｓ ｃ ｒ ｙ ａ ｄ ｌｎ ｉ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｆ ｅ ｃ ｎ ａ ｔ ｓ ｐ ｗ ｒｔ ｎ ｆｒｔ ｈ ｌ ｉ ｔ ｆ ｔ ｅ ｒ ｅ ｎ ｌｇ ｏ ｕ ｎ ｉ ｒ ｖｎ ｈ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｐ ｌ ａ ｉ ｔ ．Ｆ ｒｔ ｏｏ ｙ ｆｃ ｓ ｏ ｍｐ ｏ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅ ｉｎ ｙ ａ ｄ ａ ｐ ｉ ｂ ｌ ｙ ｉ ｃ ｉ ｉ ｌ ｓ ｙ，ｔ ｅ ｍａｈ ｍａ ｉ ｍｏ ｅ ｓ ｅ ｔ ｂ ｉ ｅ ａ ｅ ｎ ｍｕ ｕ ｌｉ — ｈ ｔ ｅ ｔ ｄ ｌｉ ｓａ ｌ ｈ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ａ ｎ ｃ ｓ ｄ ｃａ ｃ ．Ａ ｄ， ｈ ｎ ｒｙ ｅ ｃ ａ ｇ ｎ ｅｉ ｔｒ ｃｉ ｎｂ ｔ ｅ ｈ ｒ ｒ ｎ ｅｓ ｃ ｎ ａ ｎ ｉ ｇ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｂ ｓｎ ｕ ｔｎ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅｇ ｘ ｈ ｎ ｅ ａ ｄ ｔ ｎｅ ａ ｔ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅｐ ｉ ｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｄ ｒ ｗｉｄ ｎ ｓａｅ ａ ａｙ ｅ ｙｕ ｉ ｇ ｈ ｏ ｍａ ｈ ｙ ｔ ｅ ｄ ｆ ｉ ｏ ｆｔ ｅ ｒｆ ｃｉ ｎ ｉ ｅ ａ ｃ ．Ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｆ ｈ ｏ ｒｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａｉｎ ｓ ｏ ｅ ａ ｅ ｓｕ ｉｄ，ｈ ｈ ｅｉ ｔ ｎ ｏ ｅ ｅ ｔ ｍｐ ｄ ｎ ｅ ｎｉ ｈ ｌ ｏ ｈ ｔ ｏ ｓ ｏ ｅ ｐ ｗｅ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｈ ｐ ｌ ｔ ｃ ｐ ｒ ｔｄ ｅ ｔｅ ｔ ｏ ｃ ｏ
ｃ ｍｐｅ ｓ ｔｏ ｎａｙ ｉ ｎ ｐ ｉ ａｙ ｗｉ ｉ ｓ ｉ ｄ ｔ ｅ ｃ ｍｐｅ ｓ ｔｏ ａ ｋ ｇ ｆ ｔｅ ｐ ｉ ｒ ｎ ｎ ｓ ｉ ｅ ｉ ｎ ｄ，ｈ Ｃ Ｕ— ｏ ｎ ａ ｉｎ ａ ｌｓｓｏ ｒｍ ｒ ｎｄｎｇ ｓ ｍａ ｅ，ｈ ｏ ｎ ａ ｉｎ ｐ ｃ ａ ｅ ｏ ｈ ｒｍａ ｗｉ ｄｉｇ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ｅ Ｏ ｙ
（０ １）
因为 ， １ ｊ Ｌ ＋Ｒ ， ２ ｊ Ｌ ＋Ｒ Ｚ ＝ ｔ ｌ １ Ｚ ＝ ｔ ２ ２＋Ｒ 可 以 ｏ ｏ Ｌ，
并Ｉ ） ＝
－
×
）
得到 阻抗 传输 公 式 ： ，Ｚ １ １一Ｉ ｔ ＝Ｕ ｚＭFra Baidu bibliotekｊ ｏ ｌ
Ｉ ２一Ｉ ２ Ｚ ｌ ｊ ＝０
（） ３
（） ４
图 ３ 引入反映 阻抗后 的初 、 次级等效 电路
＝ ２２ ： ２２ｅ ：＋ 可Ｍ × ＝ Ｍ （ ） ｏ ｔ ｏ ｔ Ｒ
￣２ ２ ０Ｍ
， ）＝ ｍ（
＋
（） ９
ｚ＝ ｒ静 ２ ）
图 ２ 非接触电能传输系统 电路分析模型
一（ Ｒ
：
２ Ｒ） ｃ ＋ Ｉ ＋ 【 ， ；
于存在摩擦和磨损 ， 系统的安全性 、 可靠性及使用寿 命 较低 ， 别是 在化 工 、 矿 等 一 些 易燃 、 特 采 易爆 领 域 ， 极 易 引发 事故 ， 且在 进 行 大 功率 充 电时 ， 种 充 电方 这
式存 在高 压触 电 的危 险 。另外 ， 于不 同部件相 对运 对 动 的设备 ， 传统 的 电能传输 一般 是采 用滑 动接触 的方 式进 行 。这种方 式在 使用 上存 在诸如 滑 动磨损 、 接触 火花 、 积碳 和不 安全 裸漏 导体 等局 限。非 接触式 电能 传输 技术 正是 为 了弥 补这 些 不 足 而发 明 的一 种基 于 感 应 能量传 输 原理 的新技 术 … 。 非接触 电能传 输 系 统结 构 如 图 １所示 。它 由初 级、 次级 和耦合 三个 环 节 组 成 ， 流 电 源产 生 的 交 变 交 电压 经初 级 电路调 理 补 偿后 ， 通过 耦 合 环 节 ， 次 级 经 电路 整流 滤波 后加 载 在 负 载 电路 上 。与传 统 的变 压
电压 值 。在相 互 感 应 电压 的 过 程 中 ， 现 了 能 量 传 实
递 。以 图 中给出 电流 的方 向为 正 方 向 ， 得 初 、 级 可 次 电路 的方 程为 ：
，（ Ｌ ｌ＋Ｒ ）一， ∞ ＝Ｕ １ ２ Ｍ ｌ （ ２＋ＲＬ ：Ｉ ｔ ． ２＋ ， ∞ ） １ Ｍ ｊ ｏ （） １ （） ２
擦 、 电 的危 险 ， 触 而且 大 大提 高 了系 统 电 能传 输 的灵 活性 ， 著减 小 了用 电系统 的重量 。非 接触 电能传 输 显
线传输 电能至今 ， 电能 的传输 主要是 由导线进行 ， 电 工 设备 的充 电一 般 也 是 通过 插 头 和 插 座来 进 行 。但
是 这种 连接 容 易受到 腐蚀 、 、 尘 和污物 的影 响 ， 水 灰 由
耦 台 环 节 数据 七 ｝ — 能量 ｃ ＝ 次级 环 节
图 １ 非接触 电能传输系统构成框 图
２ 传输 系统耦合环节分析
２ １拓 扑模型 建 立 ．
采用 互感模 型来 分 析非 接触变 压器 中初 、 级绕 次
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ５ ２ １ — ９ ０
作者简介 ： 孙
Ｓｔ ｄｙ ｏ ｅ ｅ ｈ ｌ ｇ ｏ ｏｎ ａｃ ｌｓ ｏ ｅ ｒ ｎｓ ｉｓｏ ｕ ｎ ｋ ｙ ｔ ｃ ｎｏ ｏ ｙ ｆ ｒ ｃ ｔ ｔｅ ｓ ｐ ｗ ｒ ｔ ａ ｍ ｓ ｉ ｎ
Ｓｎ Ｓｕ ｕ ｈ
（ ＆
ｇｎｒｌｅ ａｃ ｓｔｔ ｏ ｎｎ ｎ ｅ ｌ ｒｙＢ ｉｎ １０ ７ ， ｈ ａ ｅｅ ｓ ｒ ｉ ｔｕ ｍｉｉ ａｄｍ ｔ ｌ ｇ ， ｅｉｇ ００ ０ Ｃ ｉ ） ａ ｒｅ ｈ ｎ ｉ ｅｆ ｇ ａｕ ｊ ｎ
ｐ ｉ ｇ ｌ ｋ ｉ ｒｓ ａ ｃ ｅ ｎ ｅ ｔｄ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｌｎ ｒ ｔ ｎ ｆｒ ｒｔ ｃ ｎ ｌｇ ｉ ｉ ｓ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ａ ｄ ｔ ｓｅ ． ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ａ ａ ｒ ｓｏ ｍｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，ｔ ｅ ｃ ｉ ｒ ｒ ｔ ｄ ｏ ｈ ｒ ｔ ｄ ｃｒ ｕ ｔ ｎ ｎ ａ ｈ ｏｌ ａ ｅ ｐ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ｉ ｅ ｉ ｉ ｓ ｎ ｎ ｃ ｂ ａｄ ａ ｄ ａ ｅｉ ｔｇ ａｅ ｔ ｔ ｅ ｏ ｏ ｅ ｔ ， ｉｈ ｃ ｎ ｅｆ ｃｉｅ ｙｒ ｄ ｃ ｅｖ ｌ ｍｅ ｏ ｅ ｔ ｎ ｍｉｓｏ ｙ ｔ ｍ ｉ ｏ ｔｄ — ｏ ｒ ｎ ｒ ｎ ｅ ｒ ｔｄ ｗｉ ｏ ｈ ｒｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｗｈｃ ａ ｆ ｔ ｌ ｅ ｕ ｅ ｔ ｏｕ ｆｔ ａ ｓ ｓｉ ｎ ｓ ｓｅ ｗ ｔ ｕ ｅ ｈ ｅ ｖ ｈ ｈ ｒ ｈ
１ 引 言
自从 １４ ８ ０年科 学 家揭示 电磁 感应 现象及 可用 导
器 结构 相 比 ， 它们 的感 应 耦 合 磁 路 分开 ， 源 和负 载 电
单 元之 间不需 要 机 械连 接 进 行 能 量耦 合 传 输 。这 种 初、 次级 分离 的感 应耦合 电能传输 技术 不仅 消除 了摩
ｔ ｒｏ ａｉ ｈ ｎ ｃ ｉｅ ｐ ｗｅ ｒｎｓ ｉｓｏ ｒｏｍ ａ ｃ ． ｅｉ ｒｔｎｇ ｔｅ ｉｄｕ ｔｖ ｏ ｒｔａ ｍ ｓ ｉｎ ｐｅ ｒ ｎ ｅ ｆ
Ｋｅ ｒ ｓ ｏ ｔｃ ｔｓ ｏ ｅ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｙ ｗｏ ｄ ：ｅ ｎａ ｔ ｓ ｐ ｗ ｒｔａ ｓ ｓ ｉｎ；ｉ ｄ ｃ ｉｅ ｅ ｎ ｕ ｔ ；ｍｕｕ ｌ ｎ ｕ ｔ ｎ ｅ ｌｎ ｒｔａ ｓｏ ｅ ｖ ｔ ａ ｄ ｃａ ｃ ；ｐ ａ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｒ ｉ ｍ
组 之 间 的耦合 环节 Ｊ 。图 ２为 非 接触 电能 传 输 系 统
电路 分析模 型 ， 定义 电压 源 电压 为 Ｕ ， 级 绕组 中的 初 电流 为 ， ， Ｍ 。 初 级 电 流 ，在 次级 中感 应 产 生 的 ｊ Ｉ为 ｏ ｔ 电压 ，ｊ Ｍｌ为次 级 中的 电流 ，在初 级线 圈 中的感 应 －ｔ ２ ｏ ２
命 长的特 点。非接 触电能传输 系统研 究的主要 问题是提 高传 输效率和适 用性。建立 了基 于互感参数 的耦 舍
模 型 ， 反 映 阻 抗 分 析 了初 次 级 电路 的 相 互 能 量 交 换 及 相 互 影 响 。研 究 了功 率 补 偿 的 方 法 和 适 用 范 围 ， 初 用 对 次 级 绕 组 进 行 了详 尽 的 补偿 分析 ， 计 了初 次 级 绕 组 的 补 偿 方 案 。 对耦 合 环 节 进 行 了 实验 研 究 ， 用 平 面 变 设 利
压器技 术 ， 将线 圈整合在 电路板上 ， 在保证传输 效能的基础上 ， 有效减小 了传输 系统的体 积。
关键 词 ： 非接 触 电能 传 输 ； 应 ； 感 ； 面 变压 器 感 互 平
中图分类号： Ｍ１ Ｔ ３
文献标识码 ： Ａ
文章编号：０ ７ ４ １ （０ ２ ０ — １８ ０ １０ — ４４ ２ １ ）５ ０ ４ — ４
（２ ｏ ． Ｚ
化 简式 （ ） （ ） ３ 、４ ，得 到负 载上输 出电压 ｕ。 ： ． 为
‘
＝
３ 初次级补偿 电路分 析
初级 采 用 串联补 偿 时 ， 谐 振频 率 下 ， 在 串联 补偿 电容 上 的 电压 降 与初级 端 的感抗 压 降相抵 消 ， 降低 了
对初 级供 电系统 的 电压 要 求 。
Ｚ Ｚ， ＋
，
（） ５ 、
由于 ｚ １＋ １ ｌ＝ ， ＝ｊ Ｌ ２＋吼 ， ｗ ２＋ 由式 （ ） 到 负载 电压 和初 级输 入 电压之 比 Ａ ５得