l 引言
感应电能传输技术(Inductive Power Transfer简称IPT)是为了弥补在给移动设备进行供电时，由导线直接接触传输所存在的诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等等问题而发明的一种新技术。这种能量传递的方式的主要优点有，它可以保证系统各部分之间电气绝缘；没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传递能力不受尘土、污物、水等环境因素的影响；这种方式比起通过电气连接来传递能量，更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦；采用多个次级绕组接受能量可同时为多个用电负载供电；变压器初、次级可以相互分离。处于相对静止或运动状态，是一种新型的耦合方式。
它首先由新西兰奥克兰大学包尔斯教授(Prof. Boys)等从20世纪90年代初开始研究的，经过十几年的努力，该技术在理论和实践上已获得重大突破。目前，这项技术除新西兰外已被成功地推广到日本、德国、美国等地。IPT系统的研究必将导致大量新的研究领域的出现和产生新的经济增长点，使电能的应用更为广阔。
根据工作过程中初、次级之间的运动状态，该系统可分为三类：分离式、滑动式和旋转式感应能量传输系统。分离式、滑动式感应能量传输技术的应用产品较多，其典型的商业化产品包括以下几种。日本大阪富库(DAIFUKU)公司的单轨行车和无电瓶自动运货车；德国奥姆寓尔(WAMPELER)公司的载人电动火车及电动游船；新西兰奥克兰大学奇思(UNISERVICES)公司的高速公路发光分道猫眼系统和感应电动汽车项日，等等。旋转式感应能量传输系统作为感应能量传输系统的一个重要部分，它的研究和应用相对来说要少一些。
本文介绍——旋转式感应能量传输技术的原理和特点，基于旋转变换器能量传输技术的国内外研究现状，并对它的应用前景作了捕述。
2 旋转式感应能量传递技术的原理和特点
旋转式感应能量传递技术利用了变压器进行能量传输不受转速影响的特点，并将传统变压器的感应耦合方式改为旋转变压器的耦合方式，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，初、次级系统之间可以保持相对静止和旋转状态，实现在电源和负载单元之间不需要物理连接就能进行能量耦合。初级边与供电电源相连，次级边与负载相连。这种初、次级分离的能量传输技术不仅消除了磨擦、触电的危险，而且大大提高了系统供电的灵活性，显著减小了负载系统的重量。
旋转变压器作为系统的重要组成部分，除了结构特殊外，仍能保持能量传递。由图l可以看出由于磁芯为圆形，一个磁芯相对另一磁芯同轴转动时，穿过次边的由线圈原边产生的磁力线不会发生变化，从而其互感不会变化，这样保证了旋转时，信号传递不受转速的影响，这也是可旋转变压器进行非接触能量传输的基本原理。图2是它的结构示意图，为径向气隙结构，它还可以设计为轴向气隙结构，两种结构在理论上都可以很好的进行能量传输。
旋转式感应能量传递技术不仅具有以上感应电能传输技术的优点，还有它自身的特点。首先它应用于旋转系统中，原、副边的位置和结构相对固定，同其它感应电能传输技术相比，它节约了运行的有效空间，减少了使用的磁性材料，节约了运行成本；其次合理的利用现代电力电子技术，它的能量传输效率也会大大提高。当然，它的应用场合为旋转部件系统，这也是它的应用受到限制的主要因素。
3 基于旋转变换器的感应能量传递系统的研究现状
在电力电子技术飞速发展的今天，应该更加充分的利用好这个契机，合理的利用电力电子变换技术，让旋转式感应能量传输技术得到更好的应用前景。电力电子变换器是基于高频开关电路，具有功率密度大，体积小，重量轻，效率高的特点，广泛应用于电能变换中。人们对电力电子变换器的另一基本概念是静止的，常冠以“静止功率变换器”。但如果把电力电子技术同旋转变压器有机的结合起来，就一定能实现较大功率、较高转速的能量传输功能。我们把这种新型的变换器称为可旋转变换器。
目前，国内和国外的有些机构已在从事这种新型技术的研究，相关技术的应用产品也已出现。其现状如下。
文献[6]研究给多轴机器人如何进行提供能量的问题，把可旋转变换器应用于机器人肢体关节处，为机器人提供所需的电能。它使用旋转式全桥变换器，通过25kHz的频率，传递10kW功率的能量。图3为旋转全桥变换器的等效电路图。变换器Ⅰ是把直流电压Uz1变换成25kHz的方波电压。变换器Ⅱ等效为将要和变压器次级相连的所有并行的变换器。S1和S2各在半个周期内导通。
其优点是：整个驱动系统包括驱动电机、变换器、电流、速度和位置控制回路都设置在机器人肢体中。在这种构造方式中，除了电源电压以外，只需从外部获得控制信号即可。这个信号可以同样的方式进行传递，从而避免了采用移动电缆导致机器的运动受限，以及由于电缆磨损所带来的操作失误等缺点。
文献[7]讲述了用在伺服电机中，完成电机位置控制的旋转变换器能量传输系统。传输系统使用如图4的旋转的变压器，可完成能量和信号从发送器到接收器的传输，也可完成从传感器到发送器的回传。变换器的工作原理如图5，它通过OSC控制开关门驱动电路，对旋转桥式变换器进行输入控制，变压器发送信号，通过探测电路控制它的输出，来调节变换器的开关频率，这种方法有效的解决了传输过程中，由于变换器的高频给信号传输带来的噪声干扰问题。实验结果显示，其输出效率可达92％。输出功率达600W。这个思想还可用于机器人技术和数控(NC)机器方面。
文献[8]描述了有四个通道的旋转变压器能量传输系统。从图6可以看出，该系统可传递信号和功率二种类型。功率的传输使用功率可旋转变换器进行，通过25kHz的矩形波载体，可传输几千瓦功率的能量。图7变压器结构示意图中可以看出，多种传输通道集成在一个旋转变压器中，这对变压器的结构设计和加工工艺提出了较高的要求，同时它的控制相对复杂。当然，该系统有着使用较小的磁芯空间，却获得较高的控制精确度，较高的可靠性，较好的数据安全性的特点，因此，可应用在一 重要部件的连接接接口处，也可用于可靠性要求较高的系统中，如机器人、人造卫星和可旋转的测量系统中等。
文献[9]在讲述用于自动分散制造系统(ADMS)中的无线能量和信号传输技术(WTPI)时，也提到了旋转变换器能量传输技术。并对在研究过程中出现的三个问题进行了解决：一是传输能力（功效和数据传输带宽），二是自身干扰（电磁干扰）问题，三是对环境的耐久性。
 国内也已开始对感应电能传输的研究，但主要是集中在对信号传输或小功率能量传输的研究。文献[15，16，17，18]都是对信号的非接触传输系统进行的研究。文献[13，14]虽然也实现了功率的传输，但传输功率并不大。
南京航空航天大学的航空电源重点实验室，也正在把基于旋转变换器的感应电能传输技术运用到同步电机中。代替碳刷和滑环，为同步电机提供可靠、稳定的无刷励磁电能。同步电机的无刷励磁方案很多，如人们熟知的永磁电机、旋转整流器式无刷同步发电机等等，都是采用无刷励磁的结构形式。但永磁电机有造价昂贵，不能调节的缺点；旋转整流器式无刷同步发电机增加了励磁机部分使得功率密度下降，电压调节器的输出转变过程比较复杂，影响系统的动态性能等。因此，为解决现有的电机无刷励磁方案存存的问题，他们提出一种将电力电子变换器与电机从结构上结合，研究全新的电机无刷励磁解决方案，即电力电子可旋转变换器的无刷励磁技术。
他们所选用的旋转变换器基本结构如图8，这是一个反激式变换器的电路拓扑构成的旋转变换器，静止部分安装于电机的机座上，旋转部分安装于转轴上，包括两只工作二极管。工作原理即反激式变换器的工作原理，当功率开关导通时，变压器静止绕组电流增长，变压器储能，当开关关断，旋转变压器的储能通过旋转绕组、二极管、电机励磁线圈构成的回路形成放电回路，达到为电机励磁的目的。通过调整功率开关的占空比，达到调节电机励磁电流的目的。
这是一项传输功率较大、旋转转速较高的感应电能传输技术，如果取得成功，不光是同步电机无刷励磁技术的新突破，而且是为研究高转速、大功率的旋转变换器打开了一扇新窗口。
3 结语
在以上的探讨中，人们已经认识到基于旋转变换器的感应能量传输系统的重要性，都认为它具有安全、可靠、耐用、简单、轻便的特点，对它的研究也日益深入，但也要看到，目前的研究仅是初期阶段，还有多方而的问题值得深入的探讨和研究。比如，如何充分利用现代电力电子技术优势的问题；如何减小旋转变压器漏磁严重的问题；变压器磁芯选材的问题等等。
随着科技的发展，基于旋转变换器感应电能传输技术也会日益成熟，它可以广泛的应用在航天、化工、钻井、工矿、机电、机器人、生物医学等特殊而又重要的场合，为电能的应用开辟更广阔的领域。因此该系统的研究不仅具有重要的科学意义，而且有很大的使用价值和广阔的应用前景，具有巨大的经济和社会效益。
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作者简介
孙登亚，男，1974年生，南京航空航天大学，硕士生，研究方向为电力电子及电力传动。