摘?? 要: 非接觸" title="非接觸">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" title="非接觸式">非接觸式" 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關鍵詞： 非接觸； 能量傳輸； 系統設計
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??? 眾所周知，接觸式能量傳輸系統主要通過導線進行能量傳輸。在傳輸能量的過程中，由于插頭與插座的接觸摩擦而產生火花，這樣在有些場所（如石油、化工企業）就很容易產生危險，甚至引起爆炸，對企業和人身造成重大傷害。由于上述問題的存在，非接觸式能量傳輸系統變得尤其具有吸引力。近年來,非接觸式感應能量傳輸在許多方面都得到了應用，例如：電動剃須刀充電、電動汽車充電、電機驅動等。非接觸式能量傳輸系統的主要優點有：無接觸磨損、無接觸電阻、無火花等。
1 系統組成及基本原理
非接觸式能量傳輸系統主要應用了電力電子技術和電磁感應原理。系統通常由原邊電路、非接觸磁系統、副邊電路以及驅動電路組成，如圖1所示。原邊電路與副邊電路均有一塊磁芯，它們之間有一段空氣間隙，彼此通過磁場耦合聯系。原邊電路將輸入的220V交流電整流、濾波，輸出穩定的直流電。然后再經過控制電路的驅動，將直流電轉換成高頻的交流電，作用于原邊線圈，從而使原邊線圈產生磁場并通過空氣間隙將磁場能量傳遞到副邊。根據電磁感應原理可知，副邊將產生交流電，對副邊采用整流、濾波后得到直流電輸出。最終，整個系統實現了非接觸能量傳輸。
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2 非接觸式磁系統
非接觸式磁系統是整個能量傳輸系統的核心部分，主要由可分離的變壓器構成。目前使用比較多的非接觸磁系統的繞線方法主要有如圖2所示的幾種形式。
? 在實際應用中發現，圖2(b)和圖2(d)兩種繞線方法更加合理，線圈耦合得較好，本文采用的是圖2(b)磁系統。但是，無論哪種形式的非接觸式磁系統都可以用如圖3所示的電路等價，圖中，Lh代表非接觸式磁系統的主電感， L1δ和L2δ代表泄露電感，R1和R2代表初、次級線圈的等效阻抗。其中，Lh、L1δ以及 L2δ可以用相應的仿真軟件來獲得，例如FLUX2D[1]仿真工具。但是，在實際的應用中，如果忽略R1、R2的影響，主電感Lh及泄露電感L1δ、L2δ完全可以根據下面的經驗公式[2]來獲得：
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式中, Lh和L1δ是在次級線圈空載的情況下求得的，L2δ是在次級線圈帶負載的情況下求得的。
??? 在實際的應用中發現，影響非接觸能量傳輸效率的因素很多，如初、次級線圈的尺寸以及匝數的多少，線圈中是否有高頻磁芯，初、次級空氣間隙的大小，傳輸頻率等。其中空氣間隙的大小是影響系統能量傳輸效率的最主要因素。在系統設計的過程中得到了如表1所示的實驗數據，實驗中選取的磁芯為E型高頻軟磁鐵氧體，如圖4所示，初、次級線圈的匝數均為60匝，線徑為0.4mm。從表1中可以看出，在不同空氣間隙下，主電感Lh和泄露電感L1δ、L2δ之間的參數值的變化情況，隨著空氣間隙的不斷加大，主電感Lh急劇減小，泄露電感L1δ、L2δ急劇增加，從而嚴重影響了系統能量傳輸的效率。在實驗中還發現，提高傳輸頻率可以增加Lh的值，進而提高能量傳輸的效率，但是當傳輸頻率太高時（超過100kHz）會導致線圈的交流阻抗迅速增加，使得電路中線圈的能量消耗巨大，反而又影響了整個系統的能量傳輸。
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3 泄露電感的補償
??? 非接觸磁系統的一個重要特性就是它的主電感較小而泄露電感較大，這就嚴重影響了能量傳輸的效率。因此，如何對非接觸能量傳輸系統的泄露電感進行很好的補償將成為提高系統傳輸效率的關鍵所在。目前采用的方法主要有串聯補償和并聯補償，即在原邊線圈和副邊線圈中串聯或并聯高耐壓值的電容，以達到補償泄露電感的目的，本文采取的方法是在副邊電路串聯電容C2，如圖1所示。串聯電容的計算公式[3]如下：
??? 
式中，
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??? 在實際應用中發現，電路中加入電容C2后，系統的傳輸效率得到了顯著的提高。
4 高頻逆變電路
??? 高頻逆變電路" title="逆變電路">逆變電路也是非接觸式能量傳輸系統的重要組成部分。本系統的高頻逆變電路主要由4個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構成，如圖1所示。IGBT的優點有飽和壓降小、開關損耗小、耐壓高，并且每個IGBT內部反并聯了快速恢復二極管，可以及時地釋放掉線圈中儲存的能量。高頻逆變電路的驅動部分由STC系列單片機和EXB841芯片構成，首先由單片機產生50kHz的高頻脈沖信號，然后作用于EXB841的輸入端產生專門用于驅動IGBT的電壓信號，驅動電壓為15V，具體的時序圖如圖5所示。從圖中可以看出，4個IGBT(S1/S4與S2/S3)交替導通與關斷，從而將原邊輸入的直流信號轉變成高頻交流信號。為了防止逆變電路出現短路現象，即防止4個IGBT同時導通，加入延時tv是十分必要的。圖中φ的變化范圍為0～180°，當φ=0時，S2和S3同時導通，原邊電路壓降最小；當φ=180°時，壓降最大。
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5 實驗結果
??? 圖6給出了在50kHz條件下高頻逆變電路的電壓輸出波形。從圖中可以看出，整個電壓波形近似于方波，而且具有很小的諧波信號（主要原因是IGBT具有微小的開關損耗），因此高頻逆變電路的損耗功率是很小的。圖7給出了在空氣間隙為10mm的條件下原邊能量耦合到副邊后的高頻電壓波形。從圖中可以看出，副邊電路輸出的電壓幾乎是方波信號。副邊電路經過高速整流橋整流及電容濾波后得到穩定的直流信號供負載使用。
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非接觸式感應能量傳輸作為一種新的能量傳輸形式變得越來越具有吸引力。本文首先介紹了非接觸式感應能量傳輸系統的組成及基本原理，然后詳細分析了系統的各個部分，給出了影響能量傳輸效率的幾種因素，并且給出了相應的解決方案。實驗結果表明，本系統實現了較好的能量傳輸。
參考文獻
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[6] ?武瑛，陸嚴光，黃常綱.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術，2003，22 (4):10-13.