简介：在一些大型复杂设备的运行过程中，需要设置大量的传感器来连续监测设备的工况。当这些传感器通过传统的“碳刷”方式供电时，由于设备的正常运行，碳刷极易磨损。基于此，频繁停机和维护供电部件的模式不能满足相关需求。为了解决这些问题，我们需要探索一种通过“无线”供电特定部件的方式。本文主要分析了紧耦合旋转无线电源技术在副侧的应用。

1.副侧无补偿紧耦合旋转无线供电系统的组成

1.1系统原理分析

紧耦合工作条件的标准是：部分旋转设备采用无线供电时，供电系统定转子之间的最大间隙不超过10mm，最小间隙不小于1mm，耦合系数最小值也可达到0.5[1]。满足上述要求，可视为“紧耦合”。需要注意的是，绝大多数紧耦合旋转无线供电系统都需要根据“装载”设备的特点和“装载位置”进行设计。例如，无线供电系统通常设置在盾构机设备的刀盘上。供电系统的电路为补偿电路，配备高频逆变器、空心变压器和高频整流器。根据盾构机刀盘的运行原理和运行过程中的情况，应尽量减少开关处的电流应力。在此基础上，逆变器设备的结构不应为常规结构，而应设置为“全桥”结构。该结构的特点是，虽然变压器原侧只有一个线圈，但由于“双边磁化”的特点，变压器的综合利用率将大大提高。当电流通过时，变压器圆边的工作电压为输入电源电压。该结构的缺点是变压器在运行过程中可能出现直流偏磁问题，原边也可能出现电压短路。当设备正常运行时，直流电流会逆变为交流电流，然后在原边线圈谐振腔滤波的作用下，交流磁场可以根据交流电流进一步生成。为了进一步利用这个交变磁场，需要设置副边线圈来产生感应电势，最终在闭合电路中产生感应电流。同样设置全桥整流电路，可将感应电流重新转化为直流电，完成相关设备的供电。

一般来说，基于副侧无补偿的紧耦合旋转无线电源技术的核心原理是“电磁感应”，主要过程可总结如下：①电磁线圈处于“紧耦合、无直接接触”状态[2]。②供电侧电路首先基于逆变器（全桥结构），将稳定供应的直流电流逆变为交流电。③在谐振腔滤波作用下，原边线圈处的交流电相应产生相对稳定的交变磁场。④在交变磁场(基于电磁感应原理)的作用下，副边线圈会产生感应电势。⑤逆变器设备也设置在副边线圈连接的电路中。逆变器设备用于逆向使用本段②步骤可将感应交流电（电势）转换为稳定的DC电压（与主侧初始DC电压完全一致），实现相关设备的无线电源。

1.2系统参数分析

上述副侧无补偿紧耦合旋转无线供电技术在实际应用中，必须充分考虑设备运行过程中“携带”设备区域的客观情况，否则技术难以真正应用。以盾构机刀盘为例，经实际调查，无线供电系统只能安装在盾构机中心旋转体上方的合适区域，整体安装空间相对有限。基于此，上述逆变器、变压器、整流器等设备本身的体积应尽可能压缩。此外，无线供电电路的整体尺寸也应尽可能小，副侧结构也应尽可能简化。

基于上述条件，设计的副侧无补偿紧耦合旋转无线电源电路的总体概念如下：

（1）补偿谐振结构为“原边串联结构-副边无补偿”结构；

（2）只有一个电容器可以提供“外部补偿”；

（3）上述单个电容器设置在外部补偿电路后，与空心变压器完成传统的漏感谐振。同时，还可以平衡变压器的磁通量，大大降低磁通量饱和现象的发生率。

如果将逆变器的输出电压设置为u（t），然后，基于傅里叶转换计算，逆变器输出电压可转换为由电路系统工作频率和谐波次数两个参数组成的表达式：

（1）

在表达式(1)中，U表示初始直流电压；n是谐波次数，取值为正奇数(1)、3、5……）；f（t）即系统的工作频率。

根据上述情况，逆变器输出的电压电流将直接进入谐振腔。此时，用于外部补偿的电容C将隔断DC电压电流，并将其转换为交流电压电流。受此影响，后电路中很难产生有功功率。表达式（1）中等号右侧和“+”后的内容为“基波”表达式，其中有两个谐振点，即外部电容C主线圈的串联谐振和与自身并联的另一个电感线圈的并联谐振。

当副侧整流桥二极管处于导通状态时，系统理论上也处于正常工作状态。此时，副侧将受到二极管的作用，相应地产生交流电势。受电感线圈材料和电路中其他部件质量的影响，无线电源系统基于电磁感应原理，转换前后的电压电流仅在理论层面保证“完全一致”。一般来说，电感比、电路材料等因素引起的电压电流转换质量因素会影响转换后的无线供电效果。研究表明，当副侧无补偿紧耦合旋转无线电源电路的电感比增加时，转换电压从初始状态到第二谐振点附近区域的区间呈逐渐上升趋势，但上升范围逐渐平缓。这一趋势表明，虽然电压整体呈增益状态，但对转换频率的敏感性从高到低。当电路电感比逐渐降低时，电压增益曲线的“陡度”会提高，即接近第二谐振点时，电压增益曲线的温和度不如第一个。根据恒压输出结果，确定应增加电路电感比。这种设置的目的是尽量减少工作频率变化对电压增益的影响，尽量减少开关损耗

[3]。

2.副侧无补偿紧耦合旋转无线供电系统实际应用结果分析

根据上述对副侧无补偿紧耦合旋转无线电源系统的组成、运行原理和参数设计过程的相关思考，设计简单，进行模拟验证。试验设备包括整流稳压电路、屏蔽磁环、发射线圈、接收线圈、耦合机构、谐振电容器和逆变器。电路的主要参数如下：①励磁电感8.30μH；②漏感3.50μH；③谐振电容0.995μF；④副边自感，分别为1.98μH、2.57μH、2.55μH；⑤谐振变化比例为7∶3∶3∶3；⑥开关频率为85kHz；⑦互感为2.29μH、2.88μH、2.43μH。

仿真实验结果显示：①当开关频率无限接近85.00kHz区域时（由于模拟试验条件有限，检测设备无法准确确定开关频率是否能在一段时间内保持为85.00kHz）。因此，理论上只能“无限接近”这个值），电流的相位与电压的相位基本一致，没有发现任何明显的“相反”情况。②谐振电流的整体波动变化符合“正谐波”的变化规律，表明原边基本保持在第二个谐振点附近的正常工作条件。③对副侧多个子绕组在多重负载条件下的输出电压值进行模拟试验。最终结果表明，当空载和负载存在时，输出电压差较大；如果功率等级较低，可以清楚地看到线圈内阻对装置的影响较大，随着负载的增加，电压增益率会降低。

结论：一般来说，副侧无补偿紧耦合旋转无线电源技术的应用主要采用电磁感应原理，首先在逆变器的作用下将稳定供应和输出的直流电压转换为交流电流，产生电磁场后，副侧线圈产生感应电势，在逆变器的作用下再次转换为直流电压。该技术应用于大型复杂设备的无线电源，具有成本低、稳定性强、长期使用等特点，应推广。