0 引言

    感應耦合式非接觸電能傳輸(Inductive Contactless Power Transfer,，ICPT)是一種電源與負載之間沒有直接的電氣接觸能量傳輸方式,，不會產生電火花，避免了導線拖拽帶來的不便,，減少了有線供電存在的安全隱患^[1],。因此，ICPT在一些特殊的場合下有著廣泛的應用前景,，比如應用在電動汽車的無線充電以及在一些起重運輸?shù)脑O備上^[2-4],。

    針對ICPT的耦合機構，國內外許多研究機構對此進行專門的研究,。以新西蘭BOY T教授為首的課題組提出了一種E型耦合結構,，這種耦合結構的初次級線圈耦合緊密,、效率高、傳輸功率大^[5-6],。文獻[7]針對電動汽車無線充電,，為使耦合機構提供一個較大的充電區(qū)域，設計了一種DLDD（Double Layer Double D-type）形式的耦合線圈,。文獻[8]中又提出一種新型的耦合結構——H型結構,，該機構具有效率高、橫向位移范圍大和質量輕等特點,。以上文獻中均未對耦合機構沿軌道相對運動時,，ICPT系統(tǒng)的平穩(wěn)性進行研究。

    本文利用ANSYS有限元軟件并設計了實驗,，最后得出在耦合機構沿軌道相對運動時,，ICPT系統(tǒng)能夠保持良好的平穩(wěn)性的結論。

1 沿軌道相對運動的耦合結構

    本文以起重運輸設備為背景,，為了便于對比,，設計并制作了兩種耦合結構沿軌道相對運動的ICPT系統(tǒng)，如圖1所示,，在后文分別稱為耦合機構1和耦合機構2,，它們的幾何參數(shù)如圖2所示。兩者主要區(qū)別是,，耦合機構1的發(fā)射線圈是水平纏繞,，而耦合機構2的發(fā)射線圈是豎直纏繞。其支撐框架均為木材和有機玻璃框架,，發(fā)射線圈固定在起承重作用的工字鋼梁上,，接收線圈與其他所有接收裝置沿工字鋼橫梁做水平直線運動。因而,，發(fā)射線圈與接收線圈存在長距離的相對運動,。

2 理論分析

2.1 耦合線圈參數(shù)的理論分析

    基于ANSYS有限元仿真得到的結果，通過ICPT系統(tǒng)的等效電路模型分析可得到耦合線圈的自感及互感,。圖1中所表示的沿軌道相對運動耦合結構的等效電路圖如圖3所示,。

    式(2)是一個復數(shù)方程組，根據(jù)互感線圈二端口輸入,、輸出能量守恒，可推出式(2)中只有3個實數(shù)方程線性無關,。因此式(2)中L_p,、L_s和M有唯一解。

2.2 非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率

    本文采用LC/S網(wǎng)絡補償方式,，其補償電路圖如圖4所示,，將接收端等效到發(fā)射端,，再將發(fā)射端電路用諾頓電路等效，其等效電路圖如圖5所示,，Z_eq為接收端等效到發(fā)射端的等效阻抗,。

    其諾頓等效源為：

    將圖4中接收側回路用受控源回路等效，如圖6所示,。

    接收側回路滿足：

    因此,，ICPT系統(tǒng)的傳輸功率為：

3 耦合機構的仿真結果

    本文使用通用電磁場仿真工具ANSYS有限元軟件，對上述這兩種耦合機構進行仿真,。設定耦合機構中發(fā)射線圈距工字鋼距離d=20 cm,，電源電壓U_s=351 V，負載電阻R_L=68 Ω,，仿真中所用到的電氣參數(shù)如表1所示,。工字鋼相對磁導率μ為4 000，電阻率為20×10^-8 Ω/m,。

3.1 兩種耦合機構傳輸能力的比較

    利用耦合線圈與工字鋼結構對稱特點,，采用其二分之一結構模型。借用ANSYS有限元仿真軟件,，得到如圖7所示耦合線圈感應電動勢的實部,，同理，還可得到耦合線圈感應電動勢的虛部及負載電壓,。圖7是耦合機構1接收線圈處于中間的位置,。

    因此，通過ANSYS有限元仿真可得出發(fā)射線圈和接收線圈的感應電動勢及負載電壓,。根據(jù)第2部分的理論推導,，可得耦合機構線圈的自感和互感如表2所示。

    由表2可知,，耦合機構1的M₁/L_p1=0.4,，耦合機構2的M₂/L_p2=1.1，而系統(tǒng)的傳輸功率正比于M與L_p比值的平方,，即耦合機構2比耦合機構1的傳輸能力強,，因此，下面將對耦合機構2沿軌道相對運動進行ICPT的平穩(wěn)性研究,。

3.2 耦合機構2沿軌道相對運動

    下面研究耦合機構2沿軌道相對運動時,，ICPT功率的變化情況。分為以下3種情況：(1)接收線圈相對于發(fā)射線圈沿水平方向運動,；(2)接收線圈相對于發(fā)射線圈在豎直方向上有偏離,；(3)接收線圈在發(fā)射線圈內前后側方向上有偏離。

    為了消除系統(tǒng)的無功損耗,，減小回路阻抗,，需要在接收回路中串聯(lián)補償電容,。耦合機構2中接收線圈的自感L_s2=667.848 μH，根據(jù)串聯(lián)諧振公式：,，得C_s2≈4.32 nF,。由于串聯(lián)補償電容的影響，導致接收側回路中的交流電流i2的變化很大,，這樣工字鋼會反過來影響耦合線圈的自感,，因此根據(jù)L_s2=667.848 μH計算出來的串聯(lián)諧振電容C_s2≈4.32 nF并不是最佳的補償電容值?？蓮膬?yōu)化方法的思想,，根據(jù)仿真尋找出串聯(lián)補償電容的最優(yōu)值，其結果如表3所示,。

    由表3可知,，接收回路中串聯(lián)補償電容的大小近似為4.65 nF，而實驗中串聯(lián)補償電容選為4.7 nF,，因此仿真中選用接收回路的串聯(lián)補償電容為4.7 nF,。

3.2.1 接收線圈相對于發(fā)射線圈沿水平方向運動

    下面仿真耦合機構2的接收線圈沿水平方向運動時ICPT系統(tǒng)的平穩(wěn)性情況。記發(fā)射線圈的中心位置為原點O,，以接收線圈在水平方向上的運動軌跡定為x軸,，分別對接收線圈的中心位于x=±105 cm、±75 cm,、±45 cm,、±15 cm這8個位置仿真，得到耦合機構2系統(tǒng)的傳輸功率隨水平位置的變化曲線如圖8所示,，其中系統(tǒng)的傳輸功率的相對變化量在2%之內,。

3.2.2 接收線圈相對發(fā)射線圈在豎直方向上有偏離

    接收線圈相對于發(fā)射線圈在豎直方向上有偏離的情況下，仿真耦合機構2系統(tǒng)的傳輸功率的變化情況,。其相對偏離量是在接收線圈的自身高度±10%內,，圖9是其傳輸功率隨偏離量的變化曲線，其中傳輸功率相對于無偏離時最大的相對變化量均不大于5%,。

3.2.3 接收線圈在發(fā)射線圈內前后側方向上有偏離

    接收線圈在發(fā)射線圈內前后側有偏離的情況下,，仿真系統(tǒng)的傳輸功率的變化情況。其相對偏離量是耦合線圈之間空隙的±20%內,，圖10是其傳輸功率隨偏離量的變化曲線,。其中系統(tǒng)的傳輸功率相對于無偏離時的相對變化量均不大于2%。

    從圖8～圖10的仿真結果可知,，耦合機構2沿軌道相對運動時,，ICPT系統(tǒng)傳輸功率的波動范圍均在5%之內，說明這種耦合機構在傳輸電能的過程中能夠保持良好的平穩(wěn)性。

4 實驗結果

4.1 耦合線圈中自感和互感的測量

    圖11是實驗中搭建的兩種耦合機構的實驗平臺,，左圖是耦合機構1實驗裝置，右圖是耦合機構2實驗裝置,。在接收線圈處于發(fā)射線圈的中間位置,，實驗測得這兩種耦合機構的自感和互感如表4所示。

    將表2中的仿真值與表4中的實驗值對比,，根據(jù)誤差計算公式：誤差=可知,，仿真與實驗測量的偏差在9%之內。

4.2 耦合機構2沿軌道水平運動時測互感的實驗

    當接收線圈沿軌道水平運動時,，利用PA2000mini功率測試儀對ICPT系統(tǒng)進行測試,。按照3.2.1小節(jié)中8個位置的傳輸功率進行測量，得到的結果如圖12所示,，其中傳輸功率的最大波動在6%之內,。圖13是接收線圈運動到某一位置時的測量結果，圖中星號標記點處系統(tǒng)的輸出功率為2.073 kW,。

    實驗結果表明,，由實驗測量到的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但數(shù)據(jù)相差不大,，并且變化趨勢基本保持一致,，主要原因是在仿真過程中，耦合結構的建模采用了簡化的模型,。

5 結論

    借用ANSYS電磁場仿真軟件分析了耦合機構沿軌道相對運動時,，ICPT系統(tǒng)能夠保持良好的平穩(wěn)性，并通過實驗驗證了該結論,。通過理論分析和實驗分析發(fā)現(xiàn),，工字鋼對耦合線圈的自感確實存在一定的影響，使得在接收回路中串聯(lián)補償電容的理論計算值和實驗值存在一定的差異,，而利用ANSYS電磁場仿真軟件能夠很好地解決這一問題,。

參考文獻

[1] 黃學良，譚林林,，陳中,，等.無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J].電工技術學報，2013,，28(10)：1-11.

[2] BUDHIA M,，COVIC G A，BOYS J T.Design and optimisation of magnetic structures for lumped Inductive Power Transfer systems[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,，San Jose,，CA，United states，2009：2081-2088.

[3] ELLIOTT G A J,，RAABE S,，COVIC G A，et al.Multiphase pickups for large lateral tolerance contactless power-transfer systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2010,，57(5)：1590-1598.

[4] 潘振方，陳希有,，牟憲民,，等.以電動機為負載的非接觸供電技術[J].電工技術學報，2016,，31(s1)：16-24.

[5] COVIC J T B G A,，REEN A W G.Stability and control of inductively coupled power transfer systems[J].IEE Proceedings-Electric Power Applications，2000,，147(1)：37-43.

[6] GREEN A W,，BOYS J T.10 kHz inductively coupled power transfer-concept and control[C].International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drives，London,，UK,，1994：694-699.

[7] 王智慧，胡超,，孫躍,，等.基于輸出能效特性的IPT系統(tǒng)耦合機構設計[J].電工技術學報，2015,，30(19)：26-31.

[8] 鄭穎楠,，陳紅，張西恩.非接觸電能傳輸系統(tǒng)的松耦合變壓器實驗研究[J].電工電能新技術,，2011,，30(1)：64-68.

作者信息:

楊  杰，陳希有,，李冠林,，吳茂鵬

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連116024）