非接触感应供电技术及其在扭矩测试中的应用

　　非接触感应供电结合了电子电力技术与电磁感应耦合技术，已在电动汽车、手机充电及机器人等领域得到广泛应用。通过对非接触感应供电系统结构和原理的分析，研究了原、副边电路的补偿以及频率选择等关键技术，得出了原、副边补偿电容的计算方法。根据扭矩测试的供电需求设计了具体电路，并对设计电路的输出电压进行了测试，结果表明，在一定距离范围内本供电电路能够满足扭矩测试的供电需要，为扭矩测试供电提供了新思路。

　　0 引言

　　目前，向处于旋转状态的扭矩测试系统提供能量的方法主要有两种：滑环供电，电池供电。滑环供电采用电刷与集电环滑动接触的方式，在使用上存在诸如滑动磨损，接触火花，碳积和不安全裸露导体等局限；而电池供电存在电能有限以及对供电环境要求高等一系列缺点和不足，使得这两种供电方式均不能满足扭矩测试的需要，所以研究一种为旋转轴扭矩测试系统供电的方式尤为重要。非接触感应供电技术的发展为旋转轴扭矩测试供电提供了新的方向。

　　非接触感应供电结合电子电力技术与电磁感应耦合技术，实现了不通过物理连接或接触进行电能传输，克服了传统供电方式存在的缺点与不足，从而保证了传输过程中的安全、可靠。相对于传统的变压器感应供电，非接触感应供电属于疏松耦合供电，通过采用原、副边谐振补偿技术并控制电源输出电流频率，不但提高了传输性能，同时降低了成本。

　　国外对该技术的研究始于20世纪70年代，目前已取得了一定的进展，有关非接触供电系统项目的开发研究仍在不断进行中，而国内在该领域的研究还是一片空白。

　　1 非接触感应供电系统构成及原理

　　非接触感应供电系统利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式实现能量传递，图1给出了能量传输框图。

　　系统通过逆变电路将直流电转换为高频等幅交流信号驱动原边绕组，使其在周围一定范围的空间内产生磁场强度不大但高频变化的电磁场。副边绕组位于该电磁场中，副边绕组磁通量的高频变化使得副边绕组中产生一定幅值的高频感应电动势，经过整流、滤波、稳压可得到具有一定驱动能力的直流电，为扭矩测试提供能量。感应供电系统的原边绕组和副边绕组之间没有任何直接的接触，实现了电能的无线传输。

　　该供电系统不同于传统的变压器感应能量传输系统，其原、副边组之间耦合性能较差，处于松耦合状态，漏感不能忽略不计，原、副边绕组电压不满足绕组匝数比例关系。为了改善系统性能，提高系统功率传输能力，本文通过建立互感模型，对原、副边绕组分别采用谐振补偿技术。副边补偿能够有效提高系统的传输功率，原边补偿能够有效改善原边的功率因数，降低对直流电源的视在功率要求。

　　1.1 非接触感应供电系统的互感模型

　　非接触原、副边绕组耦合的互感模型如图2 所示，忽略原、副边绕组的电阻。图中，V-p、V-s 分别表示可非接触感应供电系统的原、副边绕组电压，Lp、Ls 分别表示原边电感和副边电感，M 表示原、副边绕组的互感系数，ω 是逆变电流角频率，原、副边绕组电流I-Lp、I-Ls 参考方向如图所示。jωMI-Lp 表示原边绕组电流I-Lp 在副边绕组上的感应电压，-jωMI-Ls 是副边绕组电流I-Ls 在原边绕组上的反映电压。

　　1.2 原、副边补偿

　　1.2.1 副边补偿

　　在松耦合感应电能传输系统中，如果副边没有补偿电路，副边绕组直接与电阻为R 的负载相连，则副边输出电压Uo 、输出电流Io 以及输出功率Po 分别为：

　　由公式（3）~公式（6）可知，系统输出电压和电流随负载大小的变化而变化，限制了功率输出。为此，必须对副边绕组进行有效的补偿设计，如图3所示，基本的补偿拓扑有电容串联补偿和电容并联补偿两种形式。

　　图3（b）中，补偿电容Cs 与副边电感Ls 在谐振频率处，副边等效为一纯电阻，输出电压与负载无关，等效于输出电压为副边感应电压的恒压源，图3（d）给出了副边串联补偿且处于谐振时的等效变换电路，V-oc 是副边绕组感应电压。

　　实际工作时，副边补偿电路不一定处于完全谐振状态，然而越接近谐振状态，电路的输出特性越好。

　　1.2.2 原边补偿

由于原边电路电感参数比较大，系统工作在高频下，必然要消耗大量的无功功率，从而导致原边电路的功率因数较低。为了改善原边功率因数，降低对供电电源的视在功率要求，需要采用原边补偿技术，最基本的原边补偿拓扑有两种--串联补偿和并联补偿。串联补偿时，串联电容上的电压降与原边绕组的感抗压降相抵消，降低了电压要求；并联补偿时，流过并联电容的电流补偿了原边绕组中电