运动设备无接触供电系统耦合特性的研究.pdf

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1、第24卷第3期电工电能新技术VoI.24，No.32005年7月AdvancedTeclnoIogyofEIectricaIEngineeringandEnergyJuIy2005!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!运动设备无接触供电系统耦合特性的研究武瑛，严陆光，徐善纲（中国科学院电工研究所，北京100080）摘要：本文采用磁通方法和诺伊曼公式研究了不同形状线圈自感以及线圈间发生位移时互感的计算，进一步分析研究了初、次级线圈的形状和尺寸对耦合变化特性的影响，最

2、后通过实验研究，验证了分析所得结果。实验和计算结果均表明，运动设备无接触供电系统采用矩形线圈对于稳定耦合性能更为有效，稳定性主要由线圈宽度和初、次级长度比决定。线圈越窄，初、次级长度比越大，稳定性越好。关键词：运动设备；无接触供电；空心线圈；耦合特性中图分类号：TM724文献标识码：A文章编号：1003-307（62005）03-0005-04!引言新型无接触供电系统利用电磁感应耦合技术与现代电力电子技术相结合，实现在电源和用电设备之间不需要机械接触进行电能传输［1］。这种初、次级分离的耦合电能传输技术不仅消除了传统的接触式供电带来的触电、发火花等安

3、全隐患，而且大大提高了系统供电的灵活性，不仅可以为静止设备供电，图1典型的运动设备无接触供电电磁耦合结构而且可以为运动中的设备供电［1，3~5］。该技术在国Fig.1TypicaIeIectromagneticstructureforcontactIess外已得到了一定程度的研究［3，5，10］，而在国内刚刚powersuppIyformovingapparatus起步［1，9］。为运动设备供电时，比较典型的电磁耦合结构有两种，即同轴绕组变压器和扁平空芯变压器，如图（1a）、（D）所示。通过开关控制设备给连续排列的初级绕组分段供电，运动设备底部的次级

4、绕组通过感应耦合接收电能。由于扁平空芯变压器重量轻，在给水平运动设备供电时具有很大的优势。目前，瑞士磁浮列车方案就采用这一技术为车载设备供电。图2新型无接触电能传递系统构成框图"系统构成及原理Fig.2BIockdiagramslowingcomponentsofnewcontactIesspowersuppIysystem新型无接触供电系统的基本构成包括：初级变换器，无接触式的变压器结构，次级变换器。初、次级通常采用高频交流电流驱动。级子系统之间不存在物理连接。图2给出了系统构当次级线圈随运动设备发生位移时，必然导致成框图。为了增大系统的感应耦合能

5、力，变压器初收稿日期：2005-03-01基金项目：国家86“3十五”科技攻关项目资助（高速磁悬浮交通技术专项）作者简介：武瑛（1977-），女，内蒙古籍，助理研究员，博士，研究方向为新型无接触电能传输；严陆光（1935-），男，浙江籍，中国科学院院士，乌克兰科学院外籍院士，第三世界科学院院士，电工学家。6电工电能新技术第24卷耦合性能周期性变化，次级变换器通过功率调节设感Le，分别进行求解。备保证输出恒定。初、次级之间的耦合变化特性是同理，两个各为Nl和N2匝线圈的互感M，为系统设计的核心和基础。耦合性能越好，稳定性越相应整体线匝的互感M/的NlN

6、2倍，即高，对初、次级功率变换设备的要求就越低。影响这M=NlN2M/（2）类结构耦合特性的主要因素为线圈形状和几何参两整体线匝之间的互感M/，可以近似地认为等数。因此，本文将围绕这两个方面对耦合变化特性于两线匝轴线回路之间的互感［2］。本文下面自感和的影响进行研究。考虑到最基本的线圈形状为圆形互感的计算将围绕单匝线圈进行。和矩形，本文将首先研究这两个形状线圈的自感及通常构成线形回路的导线横截面的半径远小于线圈间发生位移时互感的计算方法，进一步分析计该回路的曲率半径，所以导线内的电流可近似地认算线圈形状和尺寸对耦合变化特性的影响，最后通为作均匀分布。

7、利用诺伊曼公式过实验研究验证分析计算结果。##cll·cl2Le=和磁通方法可以分别求得!电感的计算4""l2r圆形和矩形线圈的内、外自感表达式，列于表l。其线圈的自感和互感现普遍采用整体线匝法进行中，R为线圈半径，r为导线半径，2l、2i分别为矩计算［2］，即通过求解与被研究的线圈有相同的外形形线圈的长度和宽度。和尺寸的单匝线圈的自感和互感来获得。在电流密根据初、次级选用线圈的不同，初、次级之间的度相同的情况下，线圈与相应整体线匝的磁场应是相对位置有三种情况，分别如图3（a）、（b）、（c）所一样的，Nl匝线圈的电流只是相应的整体线匝电流示。初、次

8、级参数分别用下标l和2来表示。初、次的l/N。因此，从公式L=L=l级间距为h，两者中心线之间的水平距离为t