感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的松耦合變壓器結(jié)構(gòu)研究

1、第十八屆全國電源技術(shù)年會論文集感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的松耦合變壓器結(jié)構(gòu)研究鄭穎楠，陳紅，張西恩燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，秦皇島：中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司大連分公司，大連：摘要松耦合變壓器作為非接觸供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，由于磁路中有較大距離的空氣磁路，變壓器漏感較大，耦合系數(shù)不高，因此嚴(yán)重影響了能量傳輸功率和效率。文中針對影響變壓器耦合系數(shù)的因素，利用有限元軟件分別對、型兩種形狀磁芯的磁場分布隨氣隙大小和繞組位置進(jìn)行有限元仿真研究，由磁力線的分布和走向可以看出這兩個量對耦合系數(shù)的影響。進(jìn)而提出一種可以提高耦合系數(shù)的改進(jìn)磁結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器，實驗驗證了理論分析。關(guān)鍵詞松耦合變壓器非接觸供電引言目前

2、，電能主要是由導(dǎo)線通過插頭插座直接接觸進(jìn)行傳送的，這種電能傳輸方式由于存在物理接觸和電氣接觸，在諸如潮濕、易燃易爆等環(huán)境中的應(yīng)用受到限制，而且可靠性差。新型無接觸供電系統(tǒng)綜合運用電磁感應(yīng)耦合技術(shù)、高頻變換技術(shù)以及電力電子等高新技術(shù)，通過采用一、二次側(cè)可分離的松耦合變壓器將電能從電源側(cè)經(jīng)氣隙傳遞給一個或多個負(fù)載，從而安全、高效、可靠、靈活地實現(xiàn)了電能的無接觸傳輸，克服了傳統(tǒng)的電能傳輸中存在的裸露導(dǎo)體、接觸火花、電擊、短路等不安全因素，廣泛應(yīng)用于噴漆車間、水下礦下作業(yè)、石油、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣酣。實現(xiàn)非接觸電能傳輸?shù)年P(guān)鍵組成部分是初、次級可分離的松耦合變壓器，這是和開關(guān)電源中的變壓器

3、的本質(zhì)區(qū)別。此外。松耦合變壓器可以保持相對靜止或是運動狀態(tài)。使之應(yīng)用場合更加廣泛。但是由于松耦合變壓器磁路中存在氣氣隙，變壓器漏感較大，耦合系數(shù)不高，因此嚴(yán)重影響了功率傳輸能力和傳輸效率。本文針對影響變壓器耦合系數(shù)的因素，利用有限元軟件分別對、型兩種形狀磁芯的磁場分布隨氣隙大小和繞組位置進(jìn)行有限元仿真研究，進(jìn)而提出一種可以提高耦合系數(shù)的改進(jìn)磁結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器，并以實驗驗證了理論分析。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理新型無接觸能量傳遞系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括：交流電源，初、次級整流、逆變電路，感應(yīng)耦合電磁結(jié)構(gòu)。因初、次級子系統(tǒng)之間不存在物理連接，為了提高供電系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率和提高供電質(zhì)量，通常在初次級加入

4、補償環(huán)節(jié)【。圖給出了系統(tǒng)構(gòu)成框圖。相對于傳統(tǒng)的感應(yīng)能量傳遞系統(tǒng)，非接觸能量傳輸系統(tǒng)耦合程度較小。為了提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，初級繞組通常采用高頻交流驅(qū)動【。系統(tǒng)工作時，在輸入端將單相頻交流電經(jīng)整流、逆變轉(zhuǎn)換為高頻交流電流供給初級繞組。次級端口輸出的電流為高頻電流，根據(jù)負(fù)載用電需要，若為直流負(fù)載，則將高頻電流經(jīng)過整流為負(fù)高頻串聯(lián)諧疊藏濾波振逆變囂整瀛濾波】次次級可分離變壓器級補補償償拓?zé)o電氣物理連拄拓?fù)鋼洹緢D變換器拓?fù)漭d供電；若為交流負(fù)載，則還需要進(jìn)行變頻處理。新型非接觸電能傳輸系統(tǒng)發(fā)展的主要問題是提高效率和適用性。松耦合變壓器是非接觸電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它和常規(guī)變壓器在工作原理上類似，都是

5、應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能從變壓器原邊到副邊的變換。但是松耦合變壓器的原副邊之間存在較大的氣隙，空氣磁路長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)變壓器的空氣磁路長度，使之磁動勢中相當(dāng)一部分消耗在空氣磁路部分，變壓器漏感較大，耦合系數(shù)不高。而常規(guī)變壓器的磁路中氣隙很小，其磁動勢主要分布在磁芯磁路部分，磁芯所具有的高磁導(dǎo)率決定了常規(guī)變壓器的磁阻較小，需要的激磁電流較小。松耦合變壓器屬于疏松耦合磁結(jié)構(gòu)。不儀影響能量傳輸?shù)墓β屎托剩視哟蠊β势骷碾姂?yīng)力。通過補償?shù)姆绞娇梢詼p小開關(guān)器件的應(yīng)力。但是變壓器原副邊分離所帶來的耦合系數(shù)低這個問題卻沒有辦法解決，補償電容并不能增大互感值，因為耦合系數(shù)由變壓器的結(jié)構(gòu)本身決定。所以

6、如何提高松耦合變壓器的耦合系數(shù)是研究非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中的一個重要問題。在相同氣隙下增大感應(yīng)耦合能力，選擇合適的電磁結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而提高供電系統(tǒng)的傳輸效率及供電能力具有重要意義。影響松耦合變壓器耦合系數(shù)的因素河北省自然基金項目（資助號：）感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的松耦臺變壓器結(jié)構(gòu)研究圈為除耦臺系教以外的其他一切電路參數(shù)相同的情況下輸出電壓隨耦臺系數(shù)變化的仿真圖，由圈可以看出相同負(fù)載下船耦臺變器的耦臺系數(shù)越高輸電壓越高。目此要提高系統(tǒng)的傳糖能力，兢要盡量提高橙耦臺變壓器的耦臺系數(shù)。通常影響松耦臺變壓器的耦臺系數(shù)的囚素要有磴材料、磁葚形狀、繞組位囂，氣隙大小等，率立的研究集中在相同磁性材料前提下，醴芯形

7、狀廈繞組位置對于耦音系數(shù)的影響?！?。“圖墑出電壓隨耦音系數(shù)變化的仿真圖氣隙大小對耦合系數(shù)的影響（時中心繞組變器偽）端置繞組變壓囂圖兩種不同繞組位置的磁芯變壓器示意圖常用的碓芯形狀有型、型、型、型和罐型等多種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同的應(yīng)用場音選擇音適的鐵芯下面蚍型和型碓甚為例進(jìn)行分析其它形狀的碰芯也可以得到相同的結(jié)論。罔為型碰甚不同繞組位置的示意圖。圈（）巾繞組纏在了船耦臺變壓器磁芯底部，這是一種傳統(tǒng)的繞祛在圈中繞組是纏在了橙耦臺變壓器碓芯的端部，這樣原副邊繞組的距離拉近，這是一種新型的纏繞方法”圈所示為型碰芯變壓相刷氣晾不同繞組方式時的磁場分布和磁力線走向。圈（曲是氣隙時中。繞組的情況；圖是端置統(tǒng)繞組

8、的情況；圈叫是蛐氣隙下中。繞組時的情況；圖州）是氣隙下端置繞組的情況下磁場分布仿真圈。對比速四副罔我們可毗清楚的看到相同繞組下隨著氣隙的增大匝鏈原融邊繞組的碰通變少，嗣磁變多，耦臺系教也相應(yīng)地降低。這與理論分析一致?！盃庴煎髂掖咆?，乒善、瞄磁芯彥室妻湘茁副瞳邊謄蝥（）中心繞組氣隙曲）端置繞組氣隙鋤忙）中心繞組氣隙鋤（）端置繞組氣隙圖變器在不同氣隙下的磁場分布圈繞組位置對松耦臺變壓器參數(shù)的影響硪性材料、碰芯狀、氣隙大小相同的情況下繞組位置的小蚓也會影響松耦臺變壓囂的耦音系數(shù)。這可以甩圉的（砷目（）和巾）與門）的仿真結(jié)果對比看出。相同氣隙下采用圉）繞組方式時變壓器的誦磁較多耦臺系數(shù)較低，采用圈的方

9、式將繞組拆分成兩半后放置在型融芯的芯柱端部時，變壓器的據(jù)碰較少耦臺系教較高。可知在圖）的繞組纏繞方式中。原、副讓繞組的線圈接觸比較緊密，更多的碰力線可駔在原、副邊繞組之問垂直地通過，鍋破較少，有利于提高耦音系數(shù)。型碰芯兩種不同繞組方式具有和型磁茁相同的結(jié)論幽。這里不再緒出仿真圈罔耦合系數(shù)隨氣隙變化圍繞組位置對耦合系數(shù)影響的測試由圖所示的研究結(jié)果我們知道耦臺系數(shù)和輸出電堆成【匕關(guān)系，町見研究高耦臺系數(shù)的松耦變囂對提高傳輸功率的要性。由型、型磁替的圉中碰力線的分布和走向可以看出隨著氣隙的增太耦舍系數(shù)蓬漸減小但繞組位置的改變可以政變磁力線的分布和走向，從而改變耦音系數(shù)。罔足采用述改變繞組位簧前后兩種

10、橙耦音變耦臺系教的測試結(jié)果可見，梧耦臺變壓器經(jīng)過上面繞組繞制方法的改進(jìn)耦合系數(shù)經(jīng)得到了報太的提高，從而為變換器傳輸功率能力的提高創(chuàng)造條件。捆感在一定程度得到了有效降低后變換罌對環(huán)境的電磁十?dāng)_也相應(yīng)地有所降低。國騷第十八屆全國電源技術(shù)年會論文集自于兩種變壓囂足同磁性材料磁芯形狀、同氣靜人小、同匝贛的變壓器，唯一不同的是境組位置由圖實驗數(shù)據(jù)阻看隨著氣障的增大，耦臺系數(shù)都運新減少，但是端簧繞組變壓器的耦合系數(shù)要明顯高于中。繞組變壓囂的耦合系數(shù)尤其足氣隙較大的時候端置繞組變壓器的優(yōu)勢越明顯高耦合系數(shù)變壓器繞組和磁結(jié)構(gòu)前面的研究表明：當(dāng)原剁邊繞組中。位置距離較近時，相同氣驤大小耦系數(shù)較大戳芯面較大時漏礁

11、轂少。基十這樣的認(rèn)“在本文中從改進(jìn)松耦告變竹硪形狀以及繞制方法兩方而手提小了一種采用十而磁和平面繞組的撿耦合變壓器。礁芯及繞組纏繞方式如圖所示。崩為目前沒有成晶雒芯可用磁甚采用超扁型代替。繞組做成平面式放置枉圖中所最的矩彤耐這樣做既日以實埋兩繞組中心位簧且有蛀近矽緲熏田新型松耦臺蠻器的碰芯和繞組意罔的距離使磁芯打散面！得以坩加，井日由于繞組外國也存在形成的磁路所以以有效降低融阻。稈利于原、副繞組的鞋。罔為氣障磁場分布的仿真。由于砒葚的巧妙利用，使得原副邊繞組接觸的鞍緊南并目由橫截面積變大磁力拽可以在躁副邊繞組之刪垂直的通過，從原副邊匝鏈的磁力線增多，因此嗣礁較少。新磁結(jié)構(gòu)松耦臺變壓器測試圖是新

12、型磁路結(jié)構(gòu)結(jié)合端置繞組方式的松耦合變壓器耦合系數(shù)測試結(jié)果。與圖對比新顰松耦臺變壓器有效地提高了耦臺系致。對提高功率傳輸能力十分有利。圈新型挫耦合變壓礁場分布圈圈改進(jìn)硅結(jié)構(gòu)和繞組的耦合秉教隨氣穰的變化關(guān)系應(yīng)用效果的實驗對比圖為松耦臺變壓囂賭置繞組氣隙分別為，時，原邊串聯(lián)補倦副邊未補償時效率實驗數(shù)據(jù)對比圈，訥振額串為。巾圉目以看隨著氣障的增大變壓囂的散率降低了，這是由于氣隙壹大導(dǎo)致橙耦臺變壓囂的耦臺系翦下降：作頻率在諧振頻率附近傳精效率明顯增加，偏離靜限頻率時傳輸散率避漸蕞小圈為變換器輸入電壓和負(fù)戴相同，氣贛，采用不蔚巍組位置的變壓和改進(jìn)的變壓器的散卑隨作頻率變化的曲線圈諧振頻率為由圈可以看出作頦

13、串接近諧振頻率時效率較高改進(jìn)繞組的變器的效率要太于傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)的變壓囂。這也是由于變壓器繞組位置不同從而造成的耦臺系教不同所致改進(jìn)的變壓器教睪最高。由于耦臺系數(shù)的摧離，教率曲線也斐得更加平直。采用改進(jìn)的變壓器優(yōu)于結(jié)果圈變壓教卓曲作頻卑變化曲線（不同氣隙）圈變壓器效宰隨怍頻率變化曲線（不同繞組簧）結(jié)論有限元磁力線分弗和走向的研究襲明肖原副邊繞組位置距離較近時相同氣靜大小下耦臺系教較大。使用相同砒芯時使繞自扁平盡量靠近氣穰?？捎薪烫岣呶囫詈献儔浩鞯鸟钆_系數(shù)：采用平面磁芯和平面繞組適當(dāng)增加越芯面積能夠更有效地提高變壓船的耦臺系戥提出的新型磁繞組結(jié)構(gòu)在氣隙咖時耦臺系數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的橙耦臺變器樣機測試

14、結(jié)果寰明新型磁繞組結(jié)構(gòu)變壓囂效率要大且它兩種輕組方式。如果采用特殊設(shè)計的專用融芯和繞組鮚構(gòu)。有望進(jìn)一步提高橙耦音變器的儡臺系數(shù)。（下轉(zhuǎn)第頁）掣第十八屆全國電滾技術(shù)年舍論文集高功牢因數(shù)饋月剖老呦螄槲圈為并瞬態(tài)實驗波形幞幞”、廠一監(jiān)了一枷“枷罔為脫瞬態(tài)實驗波彤】?！柏杈⒎€(wěn)態(tài)實驗被形表逆變囂井嘲實騎數(shù)據(jù)、。，、，一、）井網(wǎng)電流為時并網(wǎng)電流波形）并月電流為時并月電流波形罔小側(cè)電嘲電流給定的實驗波形參考文獻(xiàn)，螄帥蚵州：蛐“【：閉，“吖目柵啪，嘲趙為太陽能光伏并阿發(fā)電系統(tǒng)的研究博學(xué)位論文】臺肥臺肥工業(yè)大學(xué)，作者簡介高華麗（，女，河北人，南京航空航天大學(xué)頑研究生，研究方向為電力電子電力傳動。（上接第頁）參

15、考文獻(xiàn)【，髓瑚”“酣曲伽田咖時，（乃：【跏，。如咖蚰刪鋤刪咄啪雌（）：武瑛，嚴(yán)陸光徐善綱新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析】電工電能新技術(shù)，（）：川韓騰，卓放，兆安分離變壓器窶現(xiàn)的非接觸電能傳輸系統(tǒng)研究【電力電子技術(shù)，（）：嘲張峰，慧貞秦海蚺松耦音夸橋諧振變換器的原理分析與實現(xiàn)力屯力電子技術(shù)，（）作者簡介：“：霎：籬；，器：；：；慧：；：警張恩男午。碩士研究生，目前主要從事旌直電能傳輸技術(shù)研究 感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的松耦合變壓器結(jié)構(gòu)研究作者：鄭穎楠， 陳紅， 張西恩作者單位：鄭穎楠,張西恩(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,秦皇島 066004， 陳紅(中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司大連分公司,大連 1160

16、05本文讀者也讀過(10條1. 詹厚劍. 吳杰康. 趙楠. 蔣程. 齊佳鑫. Zhan Houjian. Wu Jiekang. Zhao Nan. Jiang Cheng. Qi Jiaxin 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)松耦合變壓器參數(shù)設(shè)計期刊論文-現(xiàn)代電力2009,26(12. 姜田貴. 張峰. 王慧貞. JIANG Tian-gui. ZHANG Feng. WANG Hui-zhen 松耦合感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)中補償網(wǎng)絡(luò)的分析期刊論文-電力電子技術(shù)2007,41(83. 崔明浩. 劉麗. 卓放. 王兆安 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中可分離變壓器磁場的有限元仿真分析會議論文-20064. 劉建 基于松耦合變壓器的全橋諧振變換器的研究學(xué)位論文20085. 高奇峰. 楊兆建. 何吉利. GAO Qifeng. YANG Zhaojian. HE Jili 分離式變壓器電磁結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析期刊論文-電力自動化設(shè)備2009,29(96. 張磊. 周靜. 南洋. Zhang Lei. Zhou Jing. Nan Yang 松耦合電能傳輸系統(tǒng)的分析與研究期刊論文-電氣技術(shù)2009(37. 秦海鴻. 王慧貞. 嚴(yán)仰光 非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設(shè)計會議論文-20038. 鄭穎楠. 陳紅. 張西恩. ZHENG Ying