• 头条感应式与电场式结合的无线电能传输系统:体积小、辐射低
    2019-09-09 作者:罗颖、麦瑞坤 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语西南交通大学电气工程学院的研究人员罗颖、麦瑞坤、罗博、龙涛,在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文(论文标题为“感应式与电场式结合的无线电能传输系统的设计与实现”)指出,感应电能传输(IPT)系统能够实现大功率的高效传输,但当周围的金属体处于磁场中时,高频交变的磁场会在金属体上产生涡流,导致金属体温度升高,具有潜在的危险。电场式电能传输(CPT)系统不会在金属体上产生涡流,但依然存在极板电压过高、电场辐射范围大等问题。基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统可以解决以上问题,但传统的耦合器都是分开放置,体积较大,且结构松散。因此,本文提出一种集成式耦合器的结构及其设计方法。通过Maxwell仿真设计集成式耦合器的结构参数和电气参数,使其达到系统要求。最后,通过实验验证了集成式耦合器的优越性及参数设计方法的正确性,实验系统实现了1kW功率输出,整体效率为88.24%。本文为感应式和电场式结合系统提供了一种耦合器设计方法,能够有效缩小耦合器体积,同时耦合器中的极板能够阻隔磁场辐射。

    感应电能传输(Inductive Power Transmission, IPT)技术能够实现较远距离的大功率传输,在近几年受到广泛关注和应用,涉及的领域包括电子设备、轨道交通、医疗器械和工业生产等。随着IPT技术的普及,其安全问题也受到人们的高度关注,磁场辐射是大家尤为关心的一点。

    IPT系统利用电磁感应定律,以高频磁场作为传输介质,将电能从发射线圈传输到接收线圈侧。而高频的磁场也带来一系列的安全问题,如:它会在金属体上产生涡流使金属发热,存在火灾隐患,同时也会降低系统效率;对周围通信设备造成电磁干扰;磁场辐射在一定强度下会危害人体健康等。因此,通常需要加入额外的铝板来屏蔽磁场,系统复杂性增加。

    与感应式对偶的电场式电能传输(Capacitive Power Transmission, CPT)技术,依靠两对金属极板间的电场传输能量,传输机构质量轻、成本低、对金属敏感度低,发热小。但CPT系统的传输功率和效率受传输距离的影响较为显著,由于空气的介电常数比较低,当距离为10~100mm时,极板构成的等效电容值非常小,通常在几pF到几十pF。

    为了降低极板电容的容抗,开关频率通常设置在MHz级,同时需要很大的电感进行补偿,若还需获得足够的输出功率,输入电压也非常大,因此逆变器的开关管将承受较大的开关应力和切换损耗。同时,为了提高CPT系统的电能传输能力,会提高极板两端的电压,造成电场辐射范围大的问题。

    对比CPT和IPT两种传输方式,IPT系统中需要额外的电容来补偿线圈的等效自感,常用的补偿拓扑包括串串(SS)、串并(SP)、并串(PS)和并并(PP)四种方式。在CPT系统中,需要额外的电感来补偿极板的等效电容。

    目前,已有CLC、LCL、CLLC等补偿拓扑。为了简化电路,充分利用电路中的补偿元件,文献[13]提出了将两种传输方式相结合的系统,系统效率得以显著提高,但将电感耦合器和电容耦合器分开放置,造成耦合器体积大,结构不紧凑;同时传输能量密度低,实用性不高。

    综上所述,本文基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统,提出了一种集成式耦合器的结构及其设计方法。集成式耦合器是将电感耦合器和电容耦合器集成到一体,能够有效整合两个耦合器,缩小系统整体体积,使结构更为紧凑。

    通过合理设计参数能使磁场和电场传输的功率按一定比例输出,同时减小极板对线圈的影响。其结构能够有效屏蔽磁场,减小电磁辐射对人体的危害,同时,能够防止周围的金属物落入高频磁场引发危险。其中,极板既作为IPT系统的补偿元件,也用于产生电场传输能量;耦合线圈既作为CPT系统的补偿元件,也用于产生磁场传输能量,电路中的元件得到充分利用。同时,在CPT系统中加入IPT,能够分担系统总功率,降低极板上的电压,缩小电场辐射的范围,提高系统安全可靠性能。

    感应式与电场式结合的无线电能传输系统:体积小、辐射低

    图15 实验实物装置

    结论

    本文基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统,提出了一种集成式耦合器结构及其设计方法,结合了感应式和电场式两种传输方式,充分利用电路中的补偿元件。通过合理设计电感耦合器和电容耦合器的结构和参数使IPT传输功率和CPT传输功率按一定比例输出,同时简化了结合式无线电能传输系统耦合器的结构。

    与单独的IPT系统相比,该系统具有如下特点:①磁场辐射范围缩小,金属物也不易掉落至磁场中;②铝板不仅作为屏蔽磁场的物体,也充当部分补偿线圈等效电感的电容,同时也是传输能量的通道。

    与单独的CPT系统相比,该系统具有如下特点:①在传统CPT系统中作为补偿的电感也能够传输能量;②IPT系统分担了系统总功率,降低了CPT的极板电压,缩小了电场辐射范围。

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