基于电磁耦合机构的非接触电能传输系统

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1、万方数据第22卷第4期20p9年12月出版大学物理实验PHYSICALEXPER瑚ENT0FCOI工正GEV01．22No．4Dec．、2009文章编号：1007—2934(2009)04—0001—03基于电磁耦合机构的非接触电能传输系统全汝岱，解光勇，王霖(西安理工大学，西安710054)摘要：基于非接触电能传输技术的研究，设计了非接触电能传输系统的供电机构、耦合机构和受电机构三大基本模块。对系统的整流滤波和高频逆变电路进行了仿真实验，整流输出电压波动小于6％，谐振逆变电路输出信号频率达l00

2、0Hz以上。采用低频信号发生器作为供电机构对系统进行了性能测试，给出了500Hz下的空气间隙与电压传输效率的实验关系曲线，随空气间隙增大，电压传输效率降低。关键词：非接触电能传输；整流滤波；高频逆变；可分离变压器中图分类号：TM724．1文献标识码：AO引言非接触电能传输技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技术。与传统的电能传输方式相比，非接触电能传输方式克服了设备移动灵活性差及环境不美观等缺点，解决了大气高频电磁污染、接触火花、碳积、机构磨损和大电流载体不安全裸露等问题[1’2】。基

3、于电磁耦合机构的非接触电能传输系统(ContactlessPowerTransmissionSystem，C娜)通过整流滤波电路和高频逆变电路可以从常规电网上获取电能，经电磁耦合机构向用电设备供电，实现非接触方式的电能传输。1系统结构和原理非接触电能传输系统利用电磁感应原理实现电能的非接触式传输。根据传统变压器的原理，原副线圈无需通过导线相连即可实现能量传输，菲接触电能传输技术将传统变压器原副边分离，以空气为磁介质，形成松耦合进行电能传输。工频交流电经供电机构的整流滤波电路和高频逆变电路转换圈l系

4、统结构框圈为高频交变电流；由电磁耦合机构中的原边绕组将其以电磁波的形式辐射到周围空间，副边绕组因感应耦合产生感应电动势从而拾取电能向负载供电。非接触电能传输系统结构如图1所示。2系统设计CPT主要由供电机构，电磁耦合机构，受电机构三部分组成。2．1供电机构收稿日期：2009—05—11基金项目：西安理工大学大学生创新基金(2008．10)。万方数据供电机构主要包括整流滤波装置和高频逆变装置。根据采用的逆变技术不同，逆变装置分为脉宽调制型和谐振变换型等。本系统采用谐波分量低，噪音小，开关损耗小，且输

5、出正弦波形好的谐振变换型逆变装置为耦合机构供电。所设计的整流滤波装置和高频逆变装置的主要电路部分如图2、图3所示。图2整流滤波电路图3半桥式谐振变换电路2．2耦合机构系统的核心组成部分为耦合机构。电能传输系统被耦合机构分为可完全分离的电源侧和负载侧。由于初、次级线圈之间有气隙存在，漏磁较大，耦合系数小，能量传输效率低。影响原、副边线圈耦合系数的因素有很多，磁芯材料、绕组材料是影响耦合系数的主要因子之一【3】。此外，绕组方式和空气隙长度对耦合系数的大小也具有很大的影响，也是可以优化改善的因素H】。线

6、圈的绕组方式有两种：如图4所示。图4(口)绕组方式，漏磁大，耦合系数低；图4(6)绕组方式漏磁小，耦合系数与第一种相比有明显提高。2．3受电机构受电机构将副边输出的高频交流电流转变为口目厂卫砌衄既门负载需要的工作电压或电流。通常在原，副边添加目目llI搿裟学篇鼍絮麓瓷淼差邑酋恤删电机构采用图5所示的电路。R为纯阻性负载，￡L—L——一一～为接收线圈等效电感，用双踪示波器观察输出电压波形。3系统测试【oJ(6)图4线圈绕组方式3．1滤波电路和高频逆变电路的仿真用Multisim仿真软件列整流滤波电路

7、进行仿真，输出电压波形如图6所示，输出电EE最大值为19．2V，最小值为17．1V，平I均值18．15V，整流输出电压波动小于6％．输出电压稳定性良l好。半桥式谐振逆变电路仿真实验的电压输出波形如图7所示，输出电压的幅值由输入电压的幅值决定，输出电压的频率由开关管的频率决定，谐振逆变电路输出信号频率达1000Hz以E。圈5受电机构示意图3．2系统测试分析耦合机构采用直径为0．5mm的铜漆包线自制原副边线圈，绕组方式如图4(6)，原副边匝数均为40匝，U型铁心截面为2cm×3cm。供电机构为XHQH

8、511型低频信号发生器。一2一万方数据围6滤波电路仿翼输出波形国7半桥式谐振逆变电路电压输出波形受电机构电路如图5。原副边均引入50f2保护电阻。保持输入电压信号频率为500Hz，研究空气间隙变化对系统电压传输效率的影响。手动调节空气间隙大小，变化范围为0．2—1．4cm。利用示波器测量输入输出电压信号。实验所得空气间隙与电压传输效率的关系曲线如图8所示。随着空气间隙长度的增加，原副边线圈之间的漏磁增大，线圈耦合系数减小，电压传输效率降低，实验结果与理论相吻合。空气间隙越小，电压传