（机械电子工程专业论文）高速旋转装置气隙功率传输技术研究.pdf

摘要 摘要 高速旋转装置气隙功率传输技术是电力电子、电磁耦合、高频逆变等技术 的综合运用，该技术的应用使系统更加安全，可靠，灵活。旋转气隙功率传输 技术在很多领域都有广泛的应用，如宇航卫星、新能源、海底资源勘探等。 本文针对现有旋转装置气隙功率传输系统中的一些关键技术进行了研究。 首先，介绍了旋转气隙功率传输的原理，研究现状以及发展趋势。对旋转 气隙功率传输系统的组成进行分析，讨论气隙功率传输系统的设计和应用准则， 介绍耦合环节的互感等效电路模型。 其次，在系统组成分析基础上，围绕提高传输效率和传输功率的目的，分 别对系统磁路和系统电路进行分析；确定了耦合频率和气隙功率耦合装置的结 构以及材料；分析了原边绕组电流，提出合适且实用的电路拓扑补偿结构。 再次，在完成系统磁路和电路分析的基础上，设计了系统的耦合环节结构， 确定系统耦合环节的约束条件，并进行电磁分析。之后，使用a u t o c a d 建立其二 维模型，并进行二维电磁场分析改进设计结构。 最后，在以上分析的基础上进行电路设计，包括整流电路、驱动电路和振 荡电路，并确定使用单端反激耦合电路，且选择开关元器件和时钟芯片。通过 对电路的磁化电流工作状态分析，并结合仿真结果，对该电路进行了改进。 本课题把气隙耦合功率传输技术引入到旋转界面，并进行了前期基础研究 工作，为今后该技术发展提供了基础和初步设计经验。 关键词：非接触电磁耦合旋转系统设计 a b s t r a c t l _ - - 一 a b s t r a c t h i g hs p e e dr o t a t i n g d e v i c ea i r - g a pp o w e r t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i s c o m p r e h e m i v ea p p l i c a t i o n s o fp o w e re l e c t r o n i c s ，m a g n e t i cc o u p l i n ga n dh i g h f r e q u e n c yi n v e r t e rt e c h n o l o g y h i g hs p e e dr o t a t i n gd e v i c ea i r 。g a pp o w e r t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yi m p r o v e st h es e c u r i t y ，r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo fp o w e rt r a n s m i s s i o n t h et e c h n o l o g yh a sav e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s ，s u c ha ss p a c e s a t e l l i t e ，n e we n e r g y ，s e a b e dr e s o u r c ee x p l o r a t i o n t h ep a p e rf o c u s e so ns o m ek e yt e c h n o l o g i e so fc i r c u i tt o p o l o g i e si nt h er o t a t i n g a i r - g a pp o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m f i r s to fa l l ，t h em a i no p e r a t i o np r i n c i p l e ，r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d s 、) r e r ei n t r o d u c e d c o m p o s i t i o nw a sa n a l y z e da b o u tt h er o t a t i n ga i r - g a pp o w e r 乜：a n s m i s s i o ns y s t e m d e s i g na n da p p l i c a t i o n c r i t e r i ao ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o n s v s t e mw e r ed i s c u s s e d t h em u t u a li n d u c t a n c ec o u p l i n gl i n kt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e li si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es y s t e mc o m p o s i t i o n , t h es y s t e mm a g n e t i c a n de l e c t r i cc i r c u i t sw e r ea n a l y z e da r o u n dw i t h t h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dt r a n s m i s s i o np o w e r t h ec o u p l i n gf r e q u e n c y ，s t r u c t u r e a n dm 删a l sw e r ec h o s e nf o rt h ea i r - g a pp o w e rc o u p l i n g t h ep r i m a r yc o i lc u r r e n t w a sa n a l y z e di no r d e rt of i n do p t i m a lp r a c t i c a lc o u p l i n gt o p o l o g ys t r u c t u r ea n d i m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y 1 1 1 i r d l y ，b 嬲e do nt h ea n a l y s e so ft h es y s t e mm a g n e t i ca n de l e c t r i cc i r c u i t s ，t h e s y s t e mc o u p l i n gs t r u c t u r ew a sd e s i g n e d ，a n d c o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h es y s t e m u p l i n gd e v i c ew a sd e t e r m i n e d ，a n de l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i sw a s i m p l e m e n t e df o rt h e c o u p l i n gs t r u c t u 他t w o - d i m e n s i o n a lm o d e l o ft h es t r u c t u r ew a se s t a b l i s h e db y a u t o c a d 。a n d2 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw a sa n a l y z e db yt h ee s t a b l i s h e dm o d e l ，a n d t h ec o u p l i n gs t r u c t u r ew a si m p r o v e db yt h e r e s u l t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a n a l y s i s n a b s t r a c t f i n a l l y ，b yt h ea b o v ea n a l y s i s ，c i r c u i t si n c l u d i n gt h er e c t i f i e rc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t a n dt h eo s c i l l a t i n gc i r c u i tw e r ed e s i g n e d ，a n dt h es i n g l ee n d e df l y b a c kc o u p l i n g c i r c u i tw a sc h o s e nf o rc o u p l i n gd e v i c e ，a n dt h ek e ye l e c t r o n i cs w i t c hc o m p o n e n t sa n d c l o c kc h i pw e r es e l e c t e df o r t h ec i r c u i t t h ec o u p l i n gc i r c u i tw a si m p r o v e dt h r o u g h w o r ks t a t ea n a l y s e so ft h em a g n e t i z e dc u r r e n to ft h ec i r c u i ta n dc o m b i n e d 、啊lt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h i ss u b j e c ti n t r o d u c e dt h ea i rg a p c o u p l i n gp o w e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi n t o t h er o t a t i o ni n t e r f a c e ，a n dc o n d u c t e dap r e l i m i n a r yb a s i cr e s e a r c hw h i c h p r o v i d e dt h e f o u n d a t i o nf o r f u t u r e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n dp r e l i m i n a r yd e s i g n e x p e r i e n c e k e yw o r d ：n o n - c o n t a c t ：e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g = r o t a t i o n ；s y s t e md e s i g n 1 1 1 l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景概述 磨削是精密加工的方法之一，磨削加工的尺寸精度和表面质量由磨床的精 度决定，而磨削表面质量主要取决于磨床磨头的动平衡性。理论和实践证明， 砂轮动平衡仪是提高磨头动平衡性的有效设备。砂轮动平衡仪在国内外磨削加 工中正在逐渐推广。目前，国内外磨床砂轮动平衡仪按照安装方式不同分为两 种：法兰式和轴式结构；按照能量和信号传输形式不同分为两种：接触式和非 接触式：如图1 1 所示。 ( a ) 接触法兰式动甲衡仪 ( b ) 非接触法兰式动平衡仪 门 ( c ) 接触轴式动甲衡仪 ( d ) 非接触轴式动平衡仪 图1 1 动平衡仪接头分类 1 绪论 在很多应用场合中，导线连接接触方式是电能的主要传输方式。气隙功率 传输技术又称非接触式功率传输技术，以下提到的不再另外说明；非接触式功 率传输技术的方法未被广泛应用，而随着应用场合的增多，物理的接触式功率 传递方式已经不能满足应用的需求了，在一些环境恶劣，条件复杂而要求有特 殊的场合( 防爆、水下) ，物理式的接触不够安全可靠，这种非接触的功率传 递方式恰符合其要求，得到了重视和研究发展。 普通的相对旋转装置传输功率靠物理连接，结构简单可靠，但传递功率和 信号的触点之间存在磨损和电蚀等缺陷，使旋转速度受到限制，寿命有限；非 接触式功率传输，无物理连接，不但提高用电系统的安全性、可靠性、灵活性， 而且旋转速度不再受触点的限制，寿命和速度都可以大幅度提高，也可以扩展 电能传输技术的应用到一些特殊的领域。由于该技术具有许多独特的优点和广 阔的发展前景，已受到国外学术界和技术界的极大关注，但在国内该技术的研 究和应用尚未深入开展【l j 。 新型无接触功率传输系统的基本原理还是基于电磁感应理论，辅助以逆变 技术和整流技术的新传输方法。区别于传统的是：实现电源、负载间的不需要 物理连接进行电能传输，称之“无线供电 。传统供电方式中存在的缺点：电 击，火花，磨损；而无线供电没有上述缺点更显其安全、可靠、灵活、高效等 优点。其独特的优势在各个领域中被广泛应用，各种功率等级的应用均已覆盖， 小功率有：人造植入替代器官，日用电气产品，机器人等；大功率应用设备有： 可移动机电装备，电动交通工具，高速磁悬浮列车。国外已经在初步开发应用， 而国内还处于理论探索中。接触式动平衡仪其转动部分和非转动部分之间通过 接触方式传递功率和信号；非接触式动平衡仪的转动部分和非转动部分之间通 过非接触的方式传递功率和信号1 2 7 j 。 1 1 1电能传输可行方案分析 对于电能的传输可以采取的方案方法进行分析，总结了下表1 1 进行对比。 2 1 绪论 1 1 2 特点和应用场合 根据上面的叙述我们可以知道其特点和应用场合如下，归纳如下。 特点：使用简单，安装方便，安全性高，可靠性强，更环保，寿命长。 理由：无接头和连接器，使设备更加灵活简洁，使用更加方便。因为是非 接触，所以没有火花产生，减少了安全隐患，无需插拔也就不会有接触不良等 问题，没有机械接触，电能传输更加可靠。无接触，无摩擦，就不会有磨损、 腐蚀等发生，其寿命也会更长。又因为是密封的，不受外界环境影响，因此其 应用场合更多，在某些特殊的场合也可以使用1 7 2 1 。 该技术的缺点也是明显的，传输的功率小，传输距离短，传输效率低。 目前主要的应用场合：交通工具，物流处理系统，医疗植入设备，小型便 携电子产品，照明，工业传感应用。 1 2无线电能传输应用研究现状 无线传输能量的概念很早就被提出来了，由于其特点是中心辐射式的，能 量充满整个空间，能量传输不集中没有方向性，没有利用价值。麻省理工学院 ( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ，m i t ) 物理系助理教授索尔贾希克( m a t i n s o l j a c i c ) ，在2 0 0 6 年1 1 月提出一种利用电磁波传输电能的新理论：发射器和 接收设备同频率共振，达到能量互换的目的，随后基于此理论进行实验。接收 设备和发送设备均采用铜丝线圈，线圈之间距离2 1 3 米，成功的点亮了6 0 瓦电 灯，证实了无线供电技术的可能性。理解共振可以简单比喻为剧院的高音歌唱 i 绪论 演员唱歌时能将玻璃杯震碎，高音演员的歌曲声波与玻璃杯的频率一致，二者 共振。共振状态下，能量可以密集的进行传递，就像开通了快速通道一样 1 3 1 7 】。 1 2 1 无线通信及电能传输概况 无线通信和能量传输的基本原理是电磁波的发射和接收，发射端实现电能 转换为无线电磁波能量，接收端在把接收到的电磁波能转变回电能，输送给用 电设备和负载，实现了无线电能及信号的传输【1 8 】。 1 2 1 1 电能传输技术概况 电力运输网络是目前覆盖、应用最多的电能供应系统，其技术成熟装备齐 全，按传递的电流形式分为交流和直流电力传输【1 9 】。 交流输电在发电和变压上有明显的优越性，变压器感应耦合是其基本原理， 如图1 2 所示。 j r 电：- - ) 了 o 一 图1 2 变压输电 为提高传输效率和传输功率，近五十年发展了很多新技术：多相式，紧凑 型，超导式，无线方式，柔性式。 ( 2 ) 直流输电技术 技术特点：当输电距离足够长( 6 0 0 k m 以上) ，采用直流传输的经济性要 优于交流传输；通过换流器可快速地( 毫秒级) 调整功率，来提高直流系统的 稳定性；克服了交流系统联接的不同步或不同频率的问题。直流输电系统的基 本组成，如图1 3 。 4 l 绪论 交 6 统 图1 3 直流输电系统的基本组成 图中l 一1 0 的说明：1 是无功补偿装置；2 是电流断路器；3 是交流滤波器； 4 是换流变压器；5 是换流装置；6 是平波电抗器；7 是避雷装置；8 是直流滤波 器；9 是直流输电线；1 0 是保护和控制装置。 1 2 1 2 电磁波段特点及应用概况 人们利用变化的电流的产生电磁场，然后把调制信息加载电磁波信号中。 当电波传达到收信端产生的磁场变化又在导体中感应出电流。 18 6 4 年英国的詹姆斯克拉克麦克斯韦( j a m e sc l e r km a x w e l l ) 预言了电磁 波的存在，并在前人的研究基础上建立了最完整的电磁场理论；1 8 8 7 年德国的 海因里希鲁道夫赫兹( h e i n r i c hr u d o l f h e r t z ) 用实验证实了麦克斯韦的预割2 0 l ； 人们对电磁波的认识越来越成熟，电磁波的参数有波长和频率，电磁波的本质 完全相同。麦克斯韦方程如式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 。 孵胁d s = g 剪毋d s = 0 扣讲= 一孵出 o j 删小噶出 l 绪论 v d = p v b = 0 v x e = 一一a b ( 1 2 ) o t v xh = ，+ 塑 麦克斯韦方程组的意义在于揭示了电、磁间场的转化关系，以数学方式进 行描述如图1 4 ，展示其转换关系的优美对称性。磁场、电场组成了电磁波，三 个量的方向互相垂直，如图1 4 所示。 厂 传播方向 图1 4 电磁波传播 无线电的最早应用是在航海中，目前其应用形式多样化，如：无线通信， 微波加热，红外遥控，紫外消毒，x 光扫描，伽马放射治疗等。就其本质，无论 是那种应用，都是能量的传播和转化。电磁波按照波长( 或频率、波数、能量) 等 参数大小的顺序排列，得到电磁波谱，进一步按其携带能量可分为三个区域：高 能区( 0 0 0 5 1 0 n m ，粒子性) ，中能区( l m m ，光学光谱) ，低能区( 1 0 0 0 m ， 波谱区) 2 1 - 2 3 】。 6 1 绪论 坡长相当 大小 _ 敬兽勘辞 口 毫，礓王，曩禹蟑t 头，主廿子孽子孽子譬 卿匐_ _ 【】- _ 图1 5 电磁波波段分布 1 2 2 无线电能传输技术 无线传输电能，又叫非接触输电技术，或者间隙耦合传输、松耦合输电等。 基本原理( 法拉第电磁感应现象) ：闭合电路的部分导体在磁场中做切割 磁感线运动，引起其自身磁通量变化而在电路中产生感应电流。 目前无线传输电能技术应用，根据其传输原理基本分为三类：非接触式间 隙耦合，天线发送和接收无线输电，电磁场谐振。 非接触式间隙耦合示意如图1 6 ，这种输电技术在便携设备中应用汇更加广 泛，免去了插头等插拔物理连接。应用中初级线圈流过变化的电流，次级线圈 进行耦合，感应电流供应负载或者进行充电，其优点：功率小，效率一般，携 带使用方便【矧。 翻哪蛔啊b 瞻 ，删 - _ 图1 6 非接触式间隙耦合 天线发送和接收无线输电的原理是电磁波能量通过天线进行接收和发射， 这和收音机原理基本相同，不同的是在电磁波中前者接收目的是利用能量，后 7 过 奠，等嚣 聒熄 螂非 l 绪论 者是需要的信息。原理是接收电磁波进行直接整流，交流转换为直流加以利用， 这在以前是无法想象的，因为电磁波的方向无法控制，随着技术发展，使用电 磁透镜进行集束电磁波，无线传输效率大大得到提高【2 m 引。 谐振技术的应用十分广泛，在电能传输方面只是利用电场或者磁场进行谐 振传输能量，就是著名“特斯拉线圈”无线传输技术，简单的说它是一个人工 制造闪电的变压器，也称“放大发射机”。物理学家t e s l a 设想在地球与电离层 之间建立大约8 h z 的低频共振，利用环绕地球表面的电磁波实现能量的传输当 时财力不足，其伟大构想并没有实现。目前，高频共振变压器的共振电路由两 组或三组偶合组成，一般用于人造闪电( 上百万伏) 2 9 、3 1j 。 如图1 7 是应用前景想象图。如图1 8 所示，为索尔贾希克点亮灯泡实验。 接收端值接收了发射端的4 0 5 0 ，传输效率不是很好，如果是对电池充电传输 效率必须高于7 0 。其实验条件也很苛刻，点亮6 0 瓦的灯泡使用的发射器就配 置了直径约0 6 米的铜丝线圈，而要覆盖整座房间内无线传输电能，预估所需的 导线直径达2 1 米。实验的有效距离最远为2 7 4 米，对距离的要求也很严格。 最新的进展在2 0 0 8 年9 月，仍然是索尔贾希克，他在美国的内华达州的雷电实 验室，成功的进行了5 米距离条件下的8 0 0 w 功率传送。 图i 7 应用想象前景 巨 1 绪论 图1 8 实验装置图 无线输电使用的波段对人类是无害的，这是因为与磁场共振的是某个特定 的波段，人类身体不会受到影响，其他物品诸如塑料制品，木制品都不会有任 何反应。如果随着技术的成熟，无线传输技术可以增大发射器功率提高传输效 率，更多的电子产品可以通过接收器进行自动充电或者无需安装电池直接工作， 携带更加方便，没有接口，没有电池污染。 用电设备的电线、插座显得总是那么拘束，还有磨损的漏电危险，电能无 线传输技术可以把这些通通甩掉。如果传输效率和传输功率都可以得到有效提 高到一个可以接受的范围内，那这项技术的应用将会大大的改变人类的生活。 在工业上它也有发挥的巨大空间，节约了电缆材料，使某些危险的操作变得安 全。 1 3 高速旋转装置气隙功率传输技术发展背景 历史上很早就有人开始研究无线电能传输技术了，限于当时的经济和技术 发展，只是提出了无线传输电能的概念并进行了简单的试验探索，到了近代才 有了初步的应用和成熟技术。 1 3 1 发展历史 表格1 2 为气隙功率传输技术的发展历史。 9 l 绪论 18 8 8 年赫兹 实验证明电磁波( 微波段) 可自由产生并可被接收。 1 9 0 0g尼古毫。特斯 提出全球电力无线传输构想 1 9 3 0 年 n vn o b l e 西屋实验室成功实现几百瓦的无线电能传输实验 1 9 6 0 年 鬻慧产 对特斯拉的构想进行研究和实验， 1 9 8 0 新两兰b o y s 研制载人游览车的移动供电装置。 到了九十年代末期，人们开始重视保护环境。电动汽车零污染的特点，得 到发展，其充电方式的研究引进了非接触式充电方式。日本d i f u k u l t d 的单轨车、 无电瓶车。德国w a m p f l e ra g 研发的2 0 0 k w 载人电动的火车、游艇的等。 现在根据最新的研究来看，无线电能传输的距离不大( o - - l o m ) ，近距离 是主要的应用方式，远距离的传输实现困难。 接触式电能传输因其接触的摩擦存在，带来磨损、保养、管理等问题。接 触式防水性不可以完全保证其可靠，限制了应用。非接触式功率传输方式降低 用电设备应用成本，提高了系统的可靠性、安全性、稳定性、灵活性，满足了 特殊场合的要求。 非接触式功率传输是指供电设备和用电设备之间存在某种介质的间隙，不 存在物理接触的连接的情况下进行功率传输。翻译为i n d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e r t r a n s f e r ，简称i p c t 。传统的变压器的原副边不可以相对运动，不能适应某些特 殊的场合的要求，将传统变压器的原、副边线圈分别绕在分离的磁芯上，初次 级的磁路分开仍然进行电磁耦合实现能量的耦合传输。非接触式的初、次级在 相对运动条件下实现电能传输。目前非接触式感应传输中，一般的方案是用气 隙变压器来实现。原、副边绕组因其闭合磁路中有气隙路径，而称为气隙变压 器，基本原理是电磁祸合，改变某些参数如匝数比、输入频率、补偿方式等来 提高耦合系数。 目前非接触式功率传输技术的研究和应用少，因其应用前景广阔，国外对 该技术技术的开发研究十分重视，产品功率级别已经从几千瓦发展到了几百个 千瓦。 1 0 1 绪论 1 3 2 气隙功率传输技术的研究现状与发展趋势 非接触的功率传输方式目前存在的主要有：电磁感应，电磁共振和微波等。 上述三种技术以其特点按距离区别，分别适用于近程( 1 0 c m ) 、中短程( 1 0 r e ) 、 远程的功率传输。其中的电磁感应式，又可以根据实际应用中其原边与副边相 对运动状态进行分类，进一步分为：分离式；滑动式；旋转式。电磁感应原理 是非接触功率传输系统工作的最根本理论依据，交变电流流过初级线圈，产生 的交替变化的磁力线，就会在次级线圈中产生感应电动势。适合高速旋转的功 率传输方式为旋转式电磁感应传输。 目前气隙功率传输技术研究主要集中于近程和中短程，而远程发送和接收 无法保证安全。应用比较成熟的还是近程，因为间隙耦合的距离增加会大大降 低耦合系数，进而导致功率传输的效率下降，i o c m 还在电路和应用的承受范围 内，可以通过各种措施进行解决，如电路补偿、提高耦合频率等措施，来提高 耦合系数，达到提高传输效率的目的。 1 3 3 技术应用 ( 1 ) 家用电子产品 笔记本电脑，手机，m p 3 ，电动牙刷等家用电器领域，非接触式电能传输方 式有着巨大优势。无论是电池还是插拔充电，都难以做到彻底防水。裸露的线 头，和插口有着安全隐患，对孩子不够安全，而非接触就没有这些缺点。 ( 2 ) 工业生产 很多生产现场是易燃易爆场合，有的是水下等恶劣环境，这就限制了电能 传输采用的形式，接触式一般是滑环电刷式，有积碳灰尘火花等问题，如果采 取非接触式就很安全清洁。 ( 3 ) 轨道交通 磁悬浮高速列车是一种结合各种高技术的新型高速轨道列车，其中非接触 功率传输时其关键，如果很好解决效率和功率问题，其技术更加成熟。 ( 4 ) 生物医学 生物医学利用植入装置改善治疗方式，或者替代人体器官，一般的电池供 电有寿命，采用非接触功率传输，可以大大改善。不但可以传输能量，也可以 传递患者的身体内部的信息，更有针对性的采取治疗。 l绪论 ( 5 ) 环保领域 随着石油燃料的使用，全球污染加剧，出现温室效应等问题，人们对环境 的保护越来越重视，能源供应采用非接触功率传输，减少矿物燃料，保护环境。 未来的交通系统以及其他的使用燃料的场合，均可以采用此技术代替，在环保 领域，这项技术，发挥的作用是不可想象的。 1 4 本文研究目的和主要内容 如上文所述的高速旋转间隙功率传输技术，在工业生产、植入器官、军事 武器等领域有着重要应用。随着应用中对信息数量与质量的高要求，工作环境 的复杂多变，旋转界面耦合功率传输装置会得到更多的应用。在国外，已经有 了成熟的应用；而国内，仍然是空白；所以，研制有自我知识产权的高速旋转 间隙功率传输装置，具有重要意义。 本文尝试在国内率先研究非接触感应式电能传输技术在旋转界面的应用， 研究开展是基于砂轮动平衡仪的高速旋转气隙功率传输系统，为把非接触式功 率传输技术引进到旋转界面做了许多探索工作，为深入研究和开发该技术提供 初步设计经验和技术基础。 在第二章主要对高速旋转气隙功率功率传输技术进行分析，首先是系统工 作的基本原理分析和设计特点分析，完成系统组成分析后进行系统磁路分析和 系统电路分析。 第三章是系统的耦合结构设计，根据所给的约束条件，设计实体模型；对 耦合结构进行磁阻分析和互感分析，绘制耦合磁芯的结构模型，使用a n s 0 1 r m a w e l l 对磁芯进行电磁仿真，得到电磁场分布图，降低漏磁。 第四章进行的是电路设计，系统电路组成包括整流电路、驱动电路和振荡 电路；选择单端反激式电路，对关键电子元器件m o s f e t 功率管的特性进行分 析，分析磁化电流的三种工作状态，以此为基础，对电路进行仿真和改进；驱 动电路和振荡电路设计主要是选择电路使用芯片。 第五章是进行的工作总结与展望，对设计的高速旋转气隙功率传输系统进 行归纳总结，并对未来工作进行展望，发现不足和努力方向。 1 2 2 高速旋转气隙功率传输系统 2 高速旋转气隙功率传输系统 2 1 系统传输能量的原理和方法 非接触感应功率传输技术的基本原理是电磁感应原理；交变电流通过原边 初级线圈的励磁产生变化的磁场，从而使副边次级线圈中产生感应电动势，电 能耦合到了副边。 2 1 1 感应耦合传输功率的基本原理 非接触功率传输系统类似一个空心变压器，发射端线圈发射电磁功率，在 接收端线圈被耦合接收。耦合装置包含两个线圈，形成一个松耦合变压器，受 到趋肤效应、临近效应和寄生效应的影响。等效电路如图2 1 。 ik4：出 v l m 净 l i r l 气 图2 1感厦祸合基本原理 以图2 i 中关系可以得以下等式( 2 i ) ： 芝篓- j o ) 厶乏竺乏篇 眩) k =乞一是厶+ 鸠 厶和岛分别是初级线圈和次级线圈的自感应系数，r 。和r ：分别是其电阻， 肘是其互感系数，次级线圈的输入阻抗z i 蝴岫决定了输出电压v 2 和输出电流1 2 的比率。 v 2 = z 。一岫1 2 ( 2 2 ) 有式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 推导得式( 2 3 ) v 22 而瓦丽瓦蒜券蓑= 丽丽、( 2 3 ) 有电压源v 可得连接阻抗z u 吐式( 2 4 ) z u 咄习l - + r - + j j i 了夏t 0 ：2m；i2 ( 2 4 ) 2 高速旋转气隙功率传输系统 电磁耦合连接的传输效率，眦为如下式( 2 5 ) ”黜 ( 2 5 ) 式中： 足一岫和置一岫为z 二d 町y 实部和虚部；叼呲为传输效率；z k n l c 为连接阻抗； 公式( 2 5 ) 可以看出，在次级线圈中增加调谐电容可以实现效率最大化， 即满足厶= 一以啪鲫。 2 1 2 感应耦合的信号传输方法 目前，感应耦合系统中信号有5 种传输方法： ( 1 ) 在原感应耦合结构中增加一对线圈进行信号传输。 ( 2 ) 将调制信号加载在发射的电波上。初级绕组发射的电波中包含着电能 和调制信号，次级线圈在接收电能的同时，使用信号处理方法滤波等提取载波 信号提，进行解调等处理还原信号，实现信号传输。 ( 3 ) 将信号调制于耦合频率上，通过改变工作频率，使电能的信号得以同 步传输。 ( 4 ) 基于能量调制的信号传输方式。根据所需的传输信号，调节系统的输 入能量，在原、副边耦合绕组之间存在综合能量的信息流，接收端可以在接收 电能的同时同步提取信号特征，并对信号复原。 ( 5 ) r f 射频传输信号。 特点分析如下： 方法( 1 ) 中增加一对线圈意味着使系统结构复杂化。 方法( 2 ) 中高频逆变器会干扰载波信号，需要对信号解调做滤波等信号处 理，使系统设计变得复杂。 方法( 3 ) 中逆变器仅仅在硬开关条件下工作，因此逆变器工作频率限制了 信号的传输速度。 方法( 4 ) 中只可以单向传输信号。 方法( 5 ) 中电路模块化，使用方便简单易行。 信号的非接触传输类似于能量非接触传输，也可以采取电磁感应式，基于 电压或者电流的调制的方法。可以采用双通道分别同时传输信号和能量，也可 以单通道的实现能量和信号的传输。 1 4 2 高速旋转气隙功率传输系统 2 2 气隙耦合电能传输系统设计特点 目前，非接触气隙耦合电能传输系统一般采用可分离变压器来实现功率传 输。因为变压器两个绕组之间存在空气间隙，导致漏磁大，耦合系数降低，限 制了传输功率和效率。可采取提高耦合频率，实现开关管的软开关等措施进行 补偿耦合系数。合理的磁芯结构和绕组方式可以提高耦合系数，而实现软开关 技术可以减小系统的体积和质量，进一步而言传递效率也得到了提高。 2 3 系统组成分析 2 3 1 系统组成 系统要求为输入工业直流，感应耦合后输出直流到用电设备。能量传输基 于电磁耦合理论，该系统由图2 2 所示的四大部分组成：高频逆变、谐振变换、 耦合环节、整流滤波。 图2 2系统图 2 3 2 高频逆变与谐振变换 采用高频逆变是为了提高传输效率，这是因为耦合环节的初级线圈和次级 线圈之间有间隙，介质是空气，而空气的磁导率低，导致漏磁大，降低了耦合 系数。提高传输功率有效方式有提高输入耦合频率等。高频逆变的原理是用 p w m 波来控制m o s f e t 管的驱动电路，由此控制m o s f e t 管的通断来输出高 频方波1 3 2 。 2 高速旋转气隙功率传输系统 2 3 3 耦合环节 高频交流电加载在初级线圈上，在次级线圈中同样得到高频交流，这样就 实现了功率的间隙传递。耦合环节基本上由原边的载流线圈及磁芯、副边线圈 及磁芯两部分组成。既然是旋转部件间功率传输，就需要考虑旋转运动带来的 影响。应用于旋转结构的电磁耦合器结构目前有以下四种：罐型磁芯同轴线圈 结构，l t 型磁芯结构，罐型磁芯面对面结构，同心结构。副边线圈的旋转运动 不会影响磁力线的回路路径，因此任一界面内的磁力线与静止状态相比较数量 没有发生变化。旋转运动不会影响次级的磁通变化，这是根据电磁感应原理， 副边线圈的感应电压不受旋转运动影响p 引。 如图2 3 所示结构可以旋转，而磁路不受影响，采用( c ) 面对面结构。在 次级线圈中得到的高频交流电不能直接应用于负载，可根据需要进行整流滤波， 这里负载使用工业直流，即电能传输要求是输入与输出等幅值直流电压。滤波 整流采用l c 电路，在次级线圈得到高频交流，进行滤波整流转换为直流。 国回国画 ( a ) 彻 ( c ) 图2 3旋转结构电磁耦合器 2 4 系统磁路分析 非接触间隙耦合属于松耦合，绕组之间间隙大耦合系数低，又称松耦合感 应电能传输技术，英译文l o o s e l yc o u p l e di n d u c t i v e p o w e rt r a n s f e r ，简称i c p t 。 2 4 1影响因素 研究表明，由于空气间隙的存在，导致漏磁非常大，与励磁相当甚至高于 激磁，这对传输功率和传输效率的提高造成了严重的限制。因此使用磁性元件 分析为基础的变压器模型不再适用，必须重新建立感应耦合模型3 4 1 ，分析其中 的电磁关系【5 】。给出间隙耦合感应模型的系统如图2 4 ，原、副边的互感记为m 。 1 6 2 高速旋转气隙功率传输系统 ，* 原边 电源 v p 补偿 负载 图2 4 系统不恿图 查阅文献 1 2 1 给出了传输功率和电感，电流，频率的关系式2 6 ： t o m 2 ，2 d 只= ( 2 6 ) 式中：w 是交流电的频率，易是交流电的有效值，厶是副边线圈的电感，g 为副边线圈的品质因数。 依据上述公式2 6 ，可以看到，如果想提高传输功率的大小，可以通过增大 、，口、q 、m 等参数，减小t 数值来实现。 下面的工作将围绕着这几个因素展开，进行建模仿真，分析讨论电路设计 时也将考虑这几个因素。 2 4 2 感应耦合频率的选择 找到合适的工作频率，是系统设计的第一步工作，合适的工作频率可以减 少谐振、漏电感、漏磁以及磁滞损耗，提高传输效率。改变原、副边的拓扑结 构和补偿方式以及电容电感参数，都可以达到调整谐振频率的目的。对传输效 率影响这么大，因此选择工作频率是关键的一步。 在应用中，我们不肯能一味的提高工作频率，这是受到耦合装置体积和重 量的限制。对间隙耦合来说频率高了发射电流小，因此频率越高越好，但频率 太高对电子元件的要求就高了，成本也高了。根据使用的电源类型特点，应用 环境对感应耦合系统的体积和重量的要求，以及系统设计经验和设计成本来选 择，在范围为1 0 k f i z 至1 2 0 k h z 是合理的【5 】。 根据上述分析设计的简单气隙耦合装置，进行变压器实验，条件如下： 原边绕组匝数为5 0 ，副边绕组匝数为原边匝数的一半，原边输入幅值为 1 0 v 的正弦波，变压器的原、副边间隙为d ，分别在d = l m m 和d - - 2 m m 条件下， 原边输入变频正弦波，测得副边得到的电压数据，如表2 1 。 1 7 2 高速旋转气隙功率传输系统 依据表2 1 的数据，使用m a t l a b 软件绘制工作频率和输出电压芙系丽 2 5 所示。 图2 5工作频翠与输出电压关系 分析可得如下结论： ( 1 ) 根据实验条件分析，传统的变压器输出应该是5 v 电压，由于存在气 隙，耦合后输出的电压大大小于5 v 。在相同的工作频率条件下，副边电压随空 气气隙增大而减小。 ( 2 ) 相同空气间隙条件时，提高频率，副边输出的电压越大。在8 0 1 d - l z 到 1 0 0 k h z 范围时，输出的电压相对稳定在最大值左右，说明随频率提高到一定范 围，电压幅值增加不明显，这是因为其他因素也制约着输出电压。 1 8 2 高速旋转气隙功率传输系统 ( 3 ) 高频阶段下对比不同间隙条件下，输出电压的衰减幅度随距离增大而 减小。因此实际应用中一般工作频率选8 0 k h z 到1 2 0 k h z 范围内的，本文选择 9 0 k h z 条件下进行仿真。 2 4 - 3 气隙感应耦合装置的材料选择和比较 2 4 3 1耦合装置主要部件 耦合环节本质就是旋转变压器，一般的变压器外形结构组成：铁芯：骨架： 线圈绕组；紧固件。 铁芯是导磁能力很强的磁性物质，在通电线圈中，它可以产生较大的磁感 应强度，从而可以使变压器的体积缩小，因此是构成磁路的关键部件，铁芯的 四种基本结构：叠片；环形；c 型：罐形1 5 j 。 骨架一般用硬纸板或胶木化纤维板制造，目的是支撑变压器绕组，因此要 求其具有一定的机械强度和绝缘性。 变压器中的绕组一般采用漆包线绕制。如果是低电压大电流类型，则用纱 包粗铜线或者扁铜线缠绕。为防止变压器被击穿，线圈各层之间衬垫绝缘纸， 绕组间也衬垫耐击穿的绝缘材料。 变压器线圈放入铁芯后，必须将铁芯夹紧。无线电应用装置中的变压器一 般在初次级线圈之间用铜箔，铅箔或者漆包线等缠绕一层，其一端接地使进入 变压器次级线圈的干扰电波通过静电屏蔽层入地，有效抑制干扰。 2 4 3 2 铁芯材料的选择 理想的磁芯材料是：磁导率高，磁芯矫顽力低，高电阻率。 磁导率高可以减轻磁芯体积，因为线圈匝数和激磁电流相同的条件下的磁 感应强度较高，线圈可以承受较高的外加电压，和同功率的变压器比较，磁导 率高变压器的体积小。一般我们把铁芯中的功率损耗称之为“铁损”，铁损由 两部分组成：磁滞损耗；涡流损耗。因此减小铁损就有两个途径，减小磁滞损 耗、涡流损耗就可以。因此应选择磁芯矫顽力低、磁滞回环面积小、高电阻率 的材料 3 5 1 。 一般的气隙变压器磁芯是功率铁氧体和低功耗材料制成，第三代功率铁氧 体材料，高频铁损大幅降低，应用频率可达1 0 0 5 0 0 1 d - t z ，对小型非接触充电系 统足可满足设计要求。第四代功率铁氧体工作频率高，损耗低，使变压器部件 1 9 2 高速旋转气隙功率传输系统 小型化，工作频率范围为5 0 0 1 0 0 0 k h z ，更适合大功率的间隙耦合电能传输系统 【6 l o 表2 2 是部分产品参数，一般实验应用可以选用功率铁氧体磁芯p c 4 0 ，较 大功率的场合用p c 5 0 或更高级材料。 表2 2 功率铁氧体部分产品性能参数 2 4 3 3 绕组线圈选择 高频耦合下集肤效应更加明显，引起导线有效横截面积减小，交流实际电 阻增大。因此选择线圈直径及其电流密度时，应考虑高频集肤效应带来的影响。 集肤效应使用用穿透深度表示，即高频集肤电流沿导线表面穿透到导线圆心 的径向深度。 =x 1 0 3( 2 7 ) ( 2 7 ) 式中：为穿透深度( m 朋) ；w = 2 7 【f 是角频率( r a d ) ；p 是导磁 率( h m ) ，t 是电导率( s m ) ： 可见穿透深度由工作频率，导线的导磁率以及电导率决定的，采用的铜导 线相对导磁为l ，则l 上= 4 n x1 0 一h m ，电导率丫= 5 8 1 0 6 s m ，使用m a t l a b 画出 铜导线的频率在1 l d - i z 1 0 0 k h z 变化时的穿透深度a ( n u n ) ，如图2 6 。 2 高速旋转气隙功率传输系统 穿透深度与工作频率f 关系 图2 6 工作频率与穿透深度关系 一般的电路设计选择的电流密度为中间范围，3 - - 6 a m m 2 或者4 5a m m 2 。 根据变压器功率要求和工作频率要求，选合适的漆包线绕制变压器。如表2 3 、 表2 4 、表2 5 是常用的漆包线型号。 表2 3 常用漆包线的铜径、测每外径、截面积、直流电阻、击穿电压 2 高速旋转气隙功率传输系统 表2 4 常用十种国产高强度漆包线在电流密度较小时对应的载流 铜芯直 漆包线 载流量( a ) 径( n u n )外径 1 5 a r a m 。2 0 a r a m 22 5 a m m 2 3 0 a r a m 23 5 a