1 引言
传统电动机是利用碳刷、滑环接触式励磁机构激发励磁系统，可靠较低并且需要定期维护。为了提高可靠性，近年来开展了无刷励磁技术研究，无线电能传输技术（WPT）凭借微波、电磁波及电磁共振等无物理接触式电能传输形式得到了广泛关注[1]。用于此类应用的最常见的无线电能传输类型[2]是电磁感应式WPT、电场耦合式WPT和磁耦合谐振式WPT，其中磁耦合谐振式WPT在传输距离范围和效率方面有较高的优势。
在磁耦合谐振式WPT系统中，电能是通过发射端和接收端线圈之间的磁耦合完成传输，因此发射端与接收端的感应线圈上是相同的谐振频率，但是接收端线圈的电容较小，功率管的开关频率达不到谐振频率，导致系统效率偏低。因此，通常是在补偿电路中使用，如补偿电容结构（串-串、串-并、并-并、并-串）或复合补偿结构（含LLC、LCC的拓扑结构）[3]。此外，磁耦合谐振式WPT系统需要高频逆变器、半桥或全桥整流器等，以激励发射端和输出端的线圈。
考虑到磁耦合谐振式WPT系统中所用的高频逆变器和滤波整流器会产生不必要的高频开关电压谐波，容易致使频率失谐，从而降低系统的传输效率和输出功率。本文提出一种新型磁耦合谐振式WPT系统，发射端线圈直接利用这些高频电压谐波将电能传输到接收端线圈，而低频调制电流仍用于驱动电动机。因此，不再需要额外的高频逆变器和滤波整流器，从而降低了整个系统的复杂性和成本。由于这些系统的额定功率为低于主电动机的额定功率，可以使用现有的传统电动机驱动无需任何修改。
对于传统电动机，由于硅基晶体管的开关损耗，开关频率通常低于20kHz。在此频率范围内，磁耦合谐振式系统不可行。因为随着频率降低，发射端-接收端线圈变得更大。然而，半导体技术的最新发展为更高的开关频率（高达数百kHz）铺平了道路，使用基于碳化硅或氮化镓的电动机驱动仍能实现高效率。因此，现在可以将这些高频谐波用于在磁耦合谐振式系统。所提出系统的框图如图1所示，与他励直流电动机共用一个整流器，与传统的磁耦合谐振式WPT相比，减少了独立的高频逆变器和额外的滤波整流器，从而降低原有结构的复杂程度，并且降低生产使用成本。
图1基于无线电能传输技术的无刷励磁系统框图
2基于无线电能传输技术的无刷励磁系统结构
由电动机、基于无线电能传输技术的无刷励磁系统和全桥整流器组成，如图2所示。全桥整流器由非对称双极PWM方案驱动，产生直流输出电压与高频开关谐波。当电动机绕组衰减电动机电流中的高频谐波时，磁耦合谐振式无线电能传输系统会放大发射端线圈上的开关频率。此外，由于串联补偿电容器，驱动电动机的直流电压分量被磁耦合谐振式无线电能传输系统滤除。
图2 基于无线电能传输技术的无刷励磁系统电路图。
对于小于0.5的占空比(D)值，可实现负直流输出电压。在D=0.5时，直流输出变为零，这意味着传输到电动机的功率为零。对于D>0.5，获得正直流输出电压。因此，可以通过改变占空比来获得正负直流输出电压电平，并且可以控制电动机速度和旋转方向。用于生成不对称PWM的每个支路顶部开关（SA和SB）的栅极信号和全桥整流器电压-电流波形如图3所示。开关模式产生脉动输出电压(Vo)，具有直流和开关元件。电动机电流（IM）主要是直流电，电流纹波很小。假设磁耦合谐振式无线电能传输系统处在理想状态表，则发射端电流(ITX)为正弦曲线。全桥整流器电流(IFB)是IM和ITX之和。然而，IFB由IM主导，因为磁耦合谐振式无线电能传输系统用于辅助系统，其额定功率小于电动
图3 不对称的PWM信号及相应的电压电流波形
3 设计与性能分析
该系统选择输入电压为100V，电动机额定功率为500W，而磁耦合谐振式无线电能传输系统的额定功率为50W，输出电压为20V。
3.1 全桥整流器
全桥整流器由两个基于氮化镓的半桥板组成。尽管电动机驱动可以使用高达100kHz的开关频率，但在选择最佳开关频率时需要考虑一些因素。一方面，增加开关频率会增加开关损耗，从而缩短整流器的使用寿命。另一方面，降低开关频率会增加电流和转矩纹波。此外，增加开关频率会缩小磁耦合谐振式无线电能传输系统的无源元件，但会增加线圈损耗。
3.2磁耦合
考虑到谐振频率与负载条件和互耦合无关，因此串-串磁耦合谐振式WPT系统拓扑是首选。由于磁耦合谐振式WPT系统线圈和电动机在所提出的系统中共享同一个整流器，这种独立性提供了控制灵活性。谐振频率选择为65kHz。因此，65kHz和100kHz之间的余量用于通过频率失谐方法控制输出电压。由于电机驱动也用于激励发射端线圈，因此基于无线电能传输技术的无刷励磁系统的输入电压（实际上是全桥整流器输出电压的一次谐波分量）随占空比在40V和90V之间变化。因此，设计应该能够在如此宽的输入电压范围内提供额定功率。由于频率失谐提供了在VRx大于它时降低功率的能力，因此针对最小输入电压完成了系统设计。首先，可以使用（1）计算接收端电感，其中ωo是谐振、频率单位为每秒弧度，Q为品质因数，RL为负载电阻。
根据经验，QRX 应介于2-10之间。较高的QRX 会增加接收端线圈的尺寸，但会减小发射端线圈的尺寸。
可以使用(2)找到发射端线圈的电感。耦合系数(k)在0和1之间变化。
磁耦合谐振式无线电能传输系统电压增益特性取决于k和QRX 的选择。在常规磁耦合谐振式无线电能传输系统中，k受到限制以提供无分叉设计，保证零电压高于谐振频率的开关。但是，由于电动机的电流，谐振频率的开关可能无法在建议的系统中实现。因此，应该考虑发射端线圈电感来选择k。增加k会减小发射端线圈的尺寸。此外较高的QRX 会增加接收端线圈的电感，并降低发射端线圈的电感，以获得恒定的k。然而，QRX 和k也会影响增益频率特性，增加QRX 和k会导致在低于和高于谐振频率的两个不同谐振处的增益增加。考虑到发射端和接收端线圈的尺寸大小，QRX和k选择为2.6和0.40。谐振频率下的电压增益为0.5。
4 总结
本文提出了一种将动力传输到旋转系统的新型磁耦合谐振式WPT系统。 与传统的磁耦合谐振时WPT系统不同，所提出的方法不需要额外的高频逆变器和整流器，并且利用现有的电动机驱动方式来同时运行电动机和无线传输功率。 因此，降低了复杂性和成本。 然而，选择合适的开关频率具有挑战性，因为高开关频率会增加转换器损耗，而低开关频率会增加新型磁耦合谐振式WPT系统线圈的尺寸和成本。 随着碳化硅或氮化镓等元器件的发展，可以找到满足这两个要求的最佳点。 因此，可用作电动机和新型磁耦合谐振式WPT系统同时运行的单个整流器。
参考文献
[1] 王超. 基于阻抗匹配网络的磁耦合谐振式无线电能传输系统[D].
[2] 陈尚,陈曦冉.无线电能传输技术研究现状及应用前景[J].电脑知识与技术,2017,13(6):240-242.
[3] 范松海,李均龙,李晓宁,宫大为.磁耦合谐振无线电能传输线圈仿真设计[J].控制工程,2015,22(S1):94-99.