什么是无接触供电？

电源

1.引言

7 ]; h+ `) `$ R3 [/ ]6 j: ^

传统的输电方式需要供电

系统

和负载之间有

电气

连接，所以，在一些恶劣环境下（如地下采矿，水下作业等）或负载在高速移动中对其供电时，

应用

会受到很大的限制。因此，寻求一种更为有效、安全的输电方法显得非常必要。无接触供电系统CPS（Contactless Power System）利用磁场耦合进行电能传送，不需要任何电气连接，可以在一些恶劣环境下及负载移动时有效地替代传统的输电系统。

无接触供电，是指输电线路和负载方在没有电气连接和物理接触，甚至它们之间还有相对运动的情况下，实现电能的传输。无接触供电系统的理论依据是电磁感应

原理

。目前国际上普遍采用的具体解决

方案

是利用气隙

变压器

来实现电能的无接触传输。常规变压器的原、副边线圈绕在共同的闭合的铁芯上，虽然磁路耦合系数很高，但原、副边线圈不能相对运动。而CPS变压器的原边绕组可安置在输电轨上，延伸为很长的环线，副边线圈绕在围着原边绕组可以移动的开口铁芯上，其原理图如图1所示。因其磁路经气隙而闭合，故可称之为气隙变压器，其原、副边之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高原边输入

电源

的频率加以补偿。正是这种结构，使得无接触供电与传统方式相比有以下优点：

1）供电系统和负载之间无任何接触，无磨擦，易维护；

. j) e( l: T2 ! {: ?+ a" @

2）不受负载运动速度的限制；

7 Z! g$ U7 p, ~& y7 x0 F2 R. v4 C7

3）无噪声污染；

+ G2 J d! b: f8 W- D9 d- a- [! ]5 {) O

4）能在各种恶劣的条件下工作（如水下、冰雪天气和地下等）；

: Z5 E, s4 P0 Q1 e% r

5）由于频率高，因此体积小。

近年来无接触供电系统受到国际上学术界和

工程

技术

界的瞩目，已经在集装箱起重机、传送

设备

、机器人、深海采油、地下采矿等领域得到广泛的应用。

2.无接触供电原理

在无接触供电系统中，利用气隙变压器实现原副边之间的电能输送。在外加电压作用下，变压器原边的交流电在铁芯中产生交变磁通，由于磁势主要降落在变压器的气隙两端，所以磁通密度以下式计算：

其中，s为气隙变压器的气隙长度，I0为励磁电流。

4 u" A0 S" u4 F4 `6 R5 f+ T" H, A

根据电磁感应定律，原、副边的电势为：

其中，Np为气隙变压器的原边线圈匝数，Ns为气隙变压器副边线圈匝数，AFe为铁芯截面积。

+ N4 w9 U: n7 C! u% x

由上式可见，与常规变压器不同，CPS中的变压器由于大气隙的存在，其铁芯中的磁通密度B很小。这样，为了产生足够的电势、增加传输功率以满足负载的需要，目前普遍采用的方法是提高原边交流电的频率，以增大变压器铁芯内交变磁场的频率，从而得到较大的副边感应电势。由于现在大功率开关器件（如IBGT、MOFET等）的

发展

，也保证了这种方法的可行性。

一般的CPS系统如图2所示：

9 p( . u* [; p- ~$ ?3 A

该系统中除变压器以外，原、副边侧都有变换器。先将普通工频的交流电整流成直流，再经DC－AC转变成高频交流电，作为变压器原边输入，经磁路耦合，在副边感应出高频交流电，然后，根据负载的需要，再将该交流电进行各种处理，也可以有多个副边输出。

3.无接触供电系统的发展和应用

近年来，无接触供电系统正不断发展和完善，形式多样，并在很多领域得到了应用。目前，最大功率可达45KW左右（最大输出电压为600V或最大输出电流为100A），而气隙变压器的工作频率一般可以达到25KHz以上。根据负载要求，研发了不同结构形式的变压器，如滑动式变压器（Sliding Transformer），同轴绕组变压器（Coaxial winding Transformer）等。无接触供电系统已经开始广泛地得到应用，以下为几个主要的实际应用领域：

' y$ F/ J2 L; C' L

1）机器人

电力

驱动的机器人技术由于其各种优势而被广泛地应用于各种场合，但是传统的机器人的关节处，往往需要通过移动电缆进行电能传输和信号控制，这样，不仅大大限制了机器人的灵活性，而且电线的断裂等

故障

极易对机器人的控制造成严重影响。而CPS系统可以实现电源与负载之间的无接触电能传输，所以，在机器手关节处使用无接触供电，不仅可以使机器手自由转动，而且也更为安全可靠。其主要结构如图3所示：

图3中的变压器包括两段可以相对转动的铁芯，原副边之间可以通过磁路耦合进行电能传输。而且，由于原副边电压的频率达到25KHz，使气隙变压器的体积很小，很容易被安装于机器人各关节中。

! |0 t1 ]$ H' I, }- D6 X" a

2）深水作业

在深海作业中，许多水下设备需要提供电能。若直接由电缆输电，则存在着不易安装、负载与电缆之间的金属接头易受海水腐蚀等困难。而且，目前使用的一些深海供电系统效率很低，有的甚至只有1％左右。而CPS系统应用于深海潜水装置和海底钻井等设备，则可较好地解决上述问题，其主要结构如图4所示。

+ L6 _; x0 T: C

高频交流电沿原边线圈形成回路，气隙变压器的铁芯套于原边线圈外，如图4所示，一个原边线圈可以同时有几个副边线圈，其数量仅受原边线圈大小和传输功率的限制。原副边之间没有任何电气连接和物理接触，原边线圈不动，而副边相对于原边可以上下或左右自由移动，在深海中方便地向负载供电。此外，CPS系统省去了电缆与负载之间的金属接头，具有易于安装、不易受海水腐蚀等优点。而且，根据实验证明，一台3KVA的无接触水下供电系统的效率可达85％，并且通过对气隙变压器铁芯的优化

设计

，还可望进一步提高该系统的效率。

3）集装箱起重机

为了提高码头的利用率，现在对集装箱起重机速度的要求越来越高。由于无接触供电系统不受负载速度的限制，因此，将其应用于集装箱起重机上，可以大大提高起重机的

运行

速度。而且，随着电力电子技术和铁芯新材料的发展，目前CPS系统可以达到比较高的功率。这样，也使该系统应用于更大功率的起重机上成为可能。

3 [, `. Q0 4 b r% p5 N6 v

1997年8月安装于美国弗吉尼亚的基于无接触供电的集装箱起重机的传输功率可以达到50KW，其主要结构如图5所示：

+ w6 V. D( O3 y7 x1 `1 v7 X: O

其中，CPS系统的副边输出分三部分：三相415V/50KW向起重机的移动小车供电、单相230V/10KW给控制系统供电、24VDC/300W向数据通信系统供电。与传统起重机相比，CPS系统不仅成本较低，而且省去了电缆，体积大大减小。此外，还具有无噪声、安全可靠、不影响起重机运行速度等优点。

4）矿藏开采

2 o. i t# U! 7 E

在采矿中，无接触供电系统有其得天独厚的优势。由于一般矿井中的环境比较恶劣，输电电缆和负载的金属接头很容易被腐蚀或断裂，而用CPS系统可以较好地避免上述问题。因此，在矿井中很多输电场合都可以采用CPS系统，图6为电动采矿车中CPS系统的结构图。

" e9 O8 d7 S- J/ b/ N

图6中，采矿车由副边线圈供电，并且通过次级控制器调整输出电压，以满足车内不同用电设备的需要，这样就可以省去车身上的蓄电池，并且不会存在因为蓄电池电能不足而被迫停止工作的情况。

由于CPS系统的诸多优点，除上述领域外，该系统也可以应用于电梯、流水线传送带等场合，也有学者提出将CPS作为动力电源应用在磁浮列车上。

. `' F. ? k* s1 F9 o* E

4.结论

无接触供电系统（CPS）利用电磁原理实现向移动的负载传输电能的功能，具有安全、快速、无噪声、易维护等优点，适合应用于高速运动或环境恶劣的场合。目前，无接触供电系统在国际上已经成为产品，在一些工程实际中得到应用。随着技术的发展，如果能进一步优化其结构和性能，提高其传输能力，无接触供电系统将能在更多的领域得到广泛的应用。