旋轉(zhuǎn)界面非接觸功率傳輸技術(shù)研究

白林坡，劉武發(fā)

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

很多場合需要通過旋轉(zhuǎn)界面轉(zhuǎn)換信號和功率，多數(shù)采用滑環(huán)或電刷,研究發(fā)現(xiàn)可以用旋轉(zhuǎn)變壓器來代替更好。傳統(tǒng)磨床砂輪動(dòng)平衡儀的法蘭接頭能量傳輸方式是接觸式，這里我提出用一種旋轉(zhuǎn)式非接觸功率傳輸裝置進(jìn)行代替，要求輸入工業(yè)直流12v，耦合后得到也是直流12v的間隙磁耦合旋轉(zhuǎn)裝置。科學(xué)儀表、天線和太陽能電池陳列都是旋轉(zhuǎn)界面功率和信號傳輸結(jié)構(gòu)，過去旋轉(zhuǎn)式功率轉(zhuǎn)換部件的功率和信號的傳遞主要靠滑環(huán)。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式功率轉(zhuǎn)換的方法有：電池、導(dǎo)電滑環(huán)與旋轉(zhuǎn)發(fā)電等[1]。電池供電可靠，卻需要更換。導(dǎo)電滑環(huán)在高速旋轉(zhuǎn)條件下，摩擦?xí)?dǎo)致震動(dòng)、發(fā)熱、噪聲現(xiàn)象發(fā)生。旋轉(zhuǎn)發(fā)電方式是把旋轉(zhuǎn)件的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，需要穩(wěn)定的高轉(zhuǎn)速條件，因此需要一種新的傳輸模式。電磁感應(yīng)耦合與旋轉(zhuǎn)變壓器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)裝置之間氣隙功率傳輸。因此可以克服傳統(tǒng)導(dǎo)線供電方式所具有的電擊、火花、磨損等缺陷，具有安全、可靠、靈活和高效等特點(diǎn)[2]。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)要求為輸入工業(yè)直流，感應(yīng)耦合后輸出直流到用電設(shè)備。能量傳輸基于電磁耦合理論，該系統(tǒng)由四大部分組成：高頻逆變、諧振變換、耦合環(huán)節(jié)和整流濾波。

1.1 基本原理和傳輸效率

耦合環(huán)節(jié)，包含兩個(gè)線圈，形成一個(gè)松耦合變壓器等效電路如圖1所示。

圖1 感應(yīng)耦合基本原理

可推導(dǎo)公式（1）

式中：R2ed和X2ed分別是Z2ed實(shí)部和虛部。

公式（1）可以看出，如果使效率最大化，就使wL2＝-X2ed，這可以通過在次級線圈中增加調(diào)諧電容實(shí)現(xiàn)。

2 高頻逆變與諧振變換

采用高頻逆變是為了提高傳輸效率，這是因?yàn)轳詈檄h(huán)節(jié)的初級線圈和次級線圈之間有間隙，介質(zhì)是空氣，而空氣的磁導(dǎo)率低，導(dǎo)致漏磁大，降低了耦合系數(shù)。提高傳輸功率最適當(dāng)?shù)姆绞绞窃龃缶€圈中電流的頻率[3]。高頻逆變的原理是用DSP輸出的PWM波來控制MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路，由此控制MOSFET管的通斷來輸出高頻方波。MOSFET隔離型驅(qū)動(dòng)擬采用四個(gè)MOSFET管進(jìn)行控制。

4個(gè)MOSFET管組成全橋諧振逆變電路，采用雙極性控制方式[4]，S1、S4同相工作，S2、S3同相工作，直流電源Vd經(jīng)逆變輸出高頻交流Vi。最大工作頻率可達(dá) 100 kHz，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，具有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 SG3525芯片接口

脈沖寬度調(diào)制器SG3525芯片產(chǎn)生的PWM方波，經(jīng)過兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110產(chǎn)生4路脈沖控制信號，分別為全橋主電路的四個(gè)三極管柵極提供開啟電壓，來控制MOSFET的導(dǎo)通?？刂齐娐返拿}沖從4個(gè)輸人端口送人全橋主電路中，交替導(dǎo)通S1，S4管和S2，S3管，從而在初級繞組上得到一個(gè)交替的方波脈沖[5]。

3 耦合環(huán)節(jié)及整流濾波

高頻交流電加載在初級線圈上，在次級線圈中同樣得到高頻交流，這樣就實(shí)現(xiàn)了功率的間隙傳遞。耦合環(huán)節(jié)基本上由原邊的載流線圈及磁芯、副邊線圈及磁芯兩部分組成。既然是旋轉(zhuǎn)部件間功率傳輸，就需要考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來的影響。應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的電磁耦合器目前有以下四種：罐型磁芯-同軸線圈結(jié)構(gòu)、LT型磁芯結(jié)構(gòu)、罐型磁芯-面對面結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)[6]。副邊線圈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不影響磁力線回路路徑，任意界面內(nèi)磁力線數(shù)量沒有變化，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，副邊線圈的感應(yīng)電壓不受旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響。

此結(jié)構(gòu)可以旋轉(zhuǎn)，而磁路不受影響，采用（c）面對面結(jié)構(gòu)。在次級線圈中得到的高頻交流電不能直接應(yīng)用于負(fù)載，可根據(jù)需要進(jìn)行整流濾波，這里負(fù)載使用工業(yè)直流，即電能傳輸要求是輸入與輸出等幅值直流電壓。濾波整流采用LC電路，在次級線圈得到高頻交流，進(jìn)行濾波整流轉(zhuǎn)換為直流。

4 實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)

在MATLAB環(huán)境下設(shè)計(jì)理論計(jì)算程序，可以快速的計(jì)算理論值，用Ansoft Maxwel進(jìn)行仿真得到仿真結(jié)果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)當(dāng)初級線圈直徑等于耦合線圈軸向距離的兩倍，傳遞效率最大。

表1 耦合連接的各項(xiàng)參數(shù)

我們發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果和理論值都對實(shí)驗(yàn)結(jié)果都作出了很好的估計(jì)，除對Q2作出了過高的估計(jì)，圖3給出了估算的系統(tǒng)中的各部分功耗和所占比例。

圖3 系統(tǒng)中的各部分功耗和所占比例

根據(jù)圖3進(jìn)行計(jì)算得到表2。

表2 感應(yīng)耦合系統(tǒng)電路各部分傳遞效率和功率損耗

依據(jù)表2可以分析得出結(jié)論，耦合環(huán)節(jié)損失消耗功率比占40%，這是因?yàn)閭鬟f效率低所導(dǎo)致的，若想進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的傳遞效率就必須提高耦合環(huán)節(jié)的傳遞效率。耦合環(huán)節(jié)的51%的傳遞效率可以基本滿足一些應(yīng)用場合的需要，若進(jìn)一步提高到80%，估算系統(tǒng)傳遞效率可以達(dá)到57%，則無線傳輸電能可代替現(xiàn)在大部分的有線傳輸，免去許多移動(dòng)設(shè)備的電纜限制。

5 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，間隙耦合功率傳輸技術(shù)已經(jīng)很成熟，在移動(dòng)供電領(lǐng)域中可以避免傳統(tǒng)導(dǎo)線連接方式的布局限制以及蓄電池供電壽命末期不穩(wěn)定運(yùn)行等弊端，隨著企業(yè)產(chǎn)品的要求發(fā)展很快。在美國、德國、日本等國家該技術(shù)相對比較成熟，日本大福公司、德國法勒等公司具有各種不同的商業(yè)化產(chǎn)品，如電動(dòng)車、起重機(jī)、水下車等，而旋轉(zhuǎn)式的間隙耦合功率傳輸在國內(nèi)應(yīng)用未見報(bào)道，伽利略宇宙飛船上的旋轉(zhuǎn)式變壓器延長了宇宙飛船的壽命，1989-2003年無故障地工作[7]。

6 結(jié)束語

本文介紹了新型的旋轉(zhuǎn)式非接觸功率傳輸部件的原理和基本結(jié)構(gòu)，其性能可靠，壽命長，穩(wěn)定性好，噪聲低，安裝方便，有很大的應(yīng)用潛力，目前還需要進(jìn)一步提高傳輸效率和降低漏感，以減少損耗，使其應(yīng)用更加廣泛。設(shè)計(jì)的基于砂輪動(dòng)平衡儀的旋轉(zhuǎn)界面非接觸功率傳輸?shù)鸟詈细袘?yīng)裝置，實(shí)用可靠，滿足應(yīng)用需求，在旋轉(zhuǎn)界面功率傳輸方面提供了一個(gè)思路，也為其他非接觸功率傳輸提高參考。

[1] 嚴(yán)后選, 孫健國, 張?zhí)旌?航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子遙測系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電源變換器[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 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] 孫勇, 樓佩煌, 錢曉明.感應(yīng)耦合功率傳輸技術(shù)高頻逆變環(huán)節(jié)研究與應(yīng)用[J].電工電氣, 2009, 3: 44-47.

[4] 毛賽君.非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京: 南京航空航天大學(xué), 2006.

[5] 周靜, 安慰東, 張磊.全橋高頻逆變電路的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試, 2009, 7: 79-82.

[6] 李澤松.基于電磁感應(yīng)原理的水下非接觸式電能傳輸技術(shù)研究[D].浙江大學(xué), 2010.

[7] 麥克萊曼.變壓器與電感器設(shè)計(jì)手冊: 第3版[M].北京:中國電力出版社, 2008.