非接觸感應(yīng)供電技術(shù)及其在扭矩測(cè)試中的應(yīng)用

目前，向處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的扭矩測(cè)試系統(tǒng)提供能量的方法主要有兩種：滑環(huán)供電，電池供電。滑環(huán)供電采用電刷與集電環(huán)滑動(dòng)接觸的方式，在使用上存在諸如滑動(dòng)磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導(dǎo)體等局限;而電池供電存在電能有限以及對(duì)供電環(huán)境要求高等一系列缺點(diǎn)和不足，使得這兩種供電方式均不能滿足扭矩測(cè)試的需要，所以研究一種為旋轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)試系統(tǒng)供電的方式尤為重要。非接觸感應(yīng)供電技術(shù)的發(fā)展為旋轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)試供電提供了新的方向。

非接觸感應(yīng)供電結(jié)合電子電力技術(shù)與電磁感應(yīng)耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不通過物理連接或接觸進(jìn)行電能傳輸，克服了傳統(tǒng)供電方式存在的缺點(diǎn)與不足，從而保證了傳輸過程中的安全、可靠。相對(duì)于傳統(tǒng)的變壓器感應(yīng)供電，非接觸感應(yīng)供電屬于疏松耦合供電，通過采用原、副邊諧振補(bǔ)償技術(shù)并控制電源輸出電流頻率，不但提高了傳輸性能，同時(shí)降低了成本。

國(guó)外對(duì)該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，目前已取得了一定的進(jìn)展，有關(guān)非接觸供電系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)研究仍在不斷進(jìn)行中，而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究還是一片空白。

1 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)構(gòu)成及原理

非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式實(shí)現(xiàn)能量傳遞，圖1給出了能量傳輸框圖。

系統(tǒng)通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻等幅交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)原邊繞組，使其在周圍一定范圍的空間內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度不大但高頻變化的電磁場(chǎng)。副邊繞組位于該電磁場(chǎng)中，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓可得到具有一定驅(qū)動(dòng)能力的直流電，為扭矩測(cè)試提供能量。感應(yīng)供電系統(tǒng)的原邊繞組和副邊繞組之間沒有任何直接的接觸，實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。

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

1.1 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)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(yīng)供電系統(tǒng)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(shù)，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(yīng)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(bǔ)償

1.2.1 副邊補(bǔ)償

在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，如果副邊沒有補(bǔ)償電路，副邊繞組直接與電阻為R 的負(fù)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(tǒng)輸出電壓和電流隨負(fù)載大小的變化而變化，限制了功率輸出。為此，必須對(duì)副邊繞組進(jìn)行有效的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，如圖3所示，基本的補(bǔ)償拓?fù)溆须娙荽?lián)補(bǔ)償和電容并聯(lián)補(bǔ)償兩種形式。

圖3(b)中，補(bǔ)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(fù)載無(wú)關(guān)，等效于輸出電壓為副邊感應(yīng)電壓的恒壓源，圖3(d)給出了副邊串聯(lián)補(bǔ)償且處于諧振時(shí)的等效變換電路，V-oc 是副邊繞組感應(yīng)電壓。

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

1.2.2 原邊補(bǔ)償