非接觸感應供電技術及其在扭矩測試中的應用

目前，向處于旋轉狀態的扭矩測試系統提供能量的方法主要有兩種：滑環供電，電池供電。滑環供電采用電刷與集電環滑動接觸的方式，在使用上存在諸如滑動磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導體等局限;而電池供電存在電能有限以及對供電環境要求高等一系列缺點和不足，使得這兩種供電方式均不能滿足扭矩測試的需要，所以研究一種為旋轉軸扭矩測試系統供電的方式尤為重要。非接觸感應供電技術的發展為旋轉軸扭矩測試供電提供了新的方向。

非接觸感應供電結合電子電力技術與電磁感應耦合技術，實現了不通過物理連接或接觸進行電能傳輸，克服了傳統供電方式存在的缺點與不足，從而保證了傳輸過程中的安全、可靠。相對于傳統的變壓器感應供電，非接觸感應供電屬于疏松耦合供電，通過采用原、副邊諧振補償技術并控制電源輸出電流頻率，不但提高了傳輸性能，同時降低了成本。

國外對該技術的研究始于20世紀70年代，目前已取得了一定的進展，有關非接觸供電系統項目的開發研究仍在不斷進行中，而國內在該領域的研究還是一片空白。

1 非接觸感應供電系統構成及原理

非接觸感應供電系統利用電磁感應原理通過非接觸的耦合方式實現能量傳遞，圖1給出了能量傳輸框圖。

系統通過逆變電路將直流電轉換為高頻等幅交流信號驅動原邊繞組，使其在周圍一定范圍的空間內產生磁場強度不大但高頻變化的電磁場。副邊繞組位于該電磁場中，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產生一定幅值的高頻感應電動勢，經過整流、濾波、穩壓可得到具有一定驅動能力的直流電，為扭矩測試提供能量。感應供電系統的原邊繞組和副邊繞組之間沒有任何直接的接觸，實現了電能的無線傳輸。

該供電系統不同于傳統的變壓器感應能量傳輸系統，其原、副邊組之間耦合性能較差，處于松耦合狀態，漏感不能忽略不計，原、副邊繞組電壓不滿足繞組匝數比例關系。為了改善系統性能，提高系統功率傳輸能力，本文通過建立互感模型，對原、副邊繞組分別采用諧振補償技術。副邊補償能夠有效提高系統的傳輸功率，原邊補償能夠有效改善原邊的功率因數，降低對直流電源的視在功率要求。

1.1 非接觸感應供電系統的互感模型

非接觸原、副邊繞組耦合的互感模型如圖2 所示，忽略原、副邊繞組的電阻。圖中，V-p、V-s 分別表示可非接觸感應供電系統的原、副邊繞組電壓，Lp、Ls 分別表示原邊電感和副邊電感，M 表示原、副邊繞組的互感系數，ω 是逆變電流角頻率，原、副邊繞組電流I-Lp、I-Ls 參考方向如圖所示。jωMI-Lp 表示原邊繞組電流I-Lp 在副邊繞組上的感應電壓，-jωMI-Ls 是副邊繞組電流I-Ls 在原邊繞組上的反映電壓。

1.2 原、副邊補償

1.2.1 副邊補償

在松耦合感應電能傳輸系統中，如果副邊沒有補償電路，副邊繞組直接與電阻為R 的負載相連，則副邊輸出電壓Uo 、輸出電流Io 以及輸出功率Po 分別為：

由公式(3)~公式(6)可知，系統輸出電壓和電流隨負載大小的變化而變化，限制了功率輸出。為此，必須對副邊繞組進行有效的補償設計，如圖3所示，基本的補償拓撲有電容串聯補償和電容并聯補償兩種形式。

圖3(b)中，補償電容Cs 與副邊電感Ls 在諧振頻率處，副邊等效為一純電阻，輸出電壓與負載無關，等效于輸出電壓為副邊感應電壓的恒壓源，圖3(d)給出了副邊串聯補償且處于諧振時的等效變換電路，V-oc 是副邊繞組感應電壓。

實際工作時，副邊補償電路不一定處于完全諧振狀態，然而越接近諧振狀態，電路的輸出特性越好。

1.2.2 原邊補償