郭會(huì)平，張　政，李　斌

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；

2.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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非接觸電能傳輸系統(tǒng)松耦合變壓器傳輸效率分析

郭會(huì)平1，張政2，李斌2

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；

2.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

摘要：在非接觸能量傳輸系統(tǒng)中，松耦合變壓器是影響能量傳輸效率的關(guān)鍵因素之一.對(duì)松耦合變壓器的磁芯和線(xiàn)圈進(jìn)行仿真建模，通過(guò)改變變壓器磁芯和繞組的結(jié)構(gòu)，可得到影響傳輸效率的關(guān)鍵因素.針對(duì)U型磁芯和不同繞組形式傳輸效率較低的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)型變壓器.該變壓器采用扁平U型磁芯和平面螺旋式繞組，仿真分析可得該改進(jìn)型松耦合變壓器結(jié)構(gòu)可以大大提高系統(tǒng)能量傳輸?shù)男?

關(guān)鍵詞：非接觸能量傳輸；松耦合變壓器；傳輸效率

傳統(tǒng)的電能傳輸方式主要是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，在電能傳輸過(guò)程中易產(chǎn)生火花、電擊、滑動(dòng)磨損等問(wèn)題，會(huì)對(duì)企業(yè)和人身造成危險(xiǎn).隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電能傳輸方式在易燃易爆、潮濕等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用受到限制，已不能滿(mǎn)足這些場(chǎng)合的供電要求.因此，非接觸電能傳輸(Contactless Inductive Power Transfer，CIPT)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.CIPT技術(shù)克服了傳統(tǒng)供電方式的缺陷，在水下作業(yè)、噴漆車(chē)間、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、航空航天、鉆井工礦和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3].

非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)主要由高頻逆變部分、松耦合變壓器和整流濾波等構(gòu)成.在整個(gè)非接觸能量傳輸系統(tǒng)中，松耦合變壓器是其核心組成部分[4-5].松耦合變壓器原副邊之間存在氣隙，漏磁較多，耦合系數(shù)不高，所以對(duì)電能傳輸效率有較大的影響.分析了影響常規(guī)變壓器傳輸效率的主要因素，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型變壓器，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)型變壓器能夠大大提高傳輸效率.

1松耦合變壓器傳輸效率的主要影響因素

磁芯是松耦合變壓器重要的組成部分，選擇合適的磁芯材料是提高傳輸效率的途徑之一.松耦合變壓器磁芯要求具有較高的磁感應(yīng)密度、磁導(dǎo)率、居里溫度及較低的鐵損和合適的尺寸等.軟磁鐵氧體材料具有高頻損耗小、抗渦流電阻率高、繞組的耦合特性好、成形方便、化學(xué)特性穩(wěn)定、不易生銹等特點(diǎn)，故得到了廣泛應(yīng)用[6].

1.1　氣隙大小

對(duì)U型磁芯進(jìn)行仿真，圖1為U型磁芯松耦合變壓器的示意圖.圖1(a)中繞組纏繞在變壓器磁芯的底部，圖1(b)中繞組纏繞在變壓器磁芯的端部.

圖1　U型磁芯松耦合變壓器示意圖Fig.1　Schematic diagram for U core loosely coupled transformer

在A(yíng)nsys軟件中建立松耦合變壓器的模型并進(jìn)行仿真，圖2給出了U型磁芯變壓器繞組放置在端部時(shí)的磁力線(xiàn)分布.圖2(a)是端部繞組在氣隙為1 mm時(shí)的磁力線(xiàn)分布，圖2(b)是端部繞組在氣隙為2 mm時(shí)的磁力線(xiàn)分布.對(duì)比兩幅圖可以清楚地看到，當(dāng)氣隙增大時(shí)，原副邊之間交鏈的磁力線(xiàn)有所減少，漏磁明顯增多，導(dǎo)致傳輸效率較低.

圖2　不同氣隙時(shí)U型磁芯的磁場(chǎng)分布Fig.2　The distribution diagram of U core magnetic field in different air gap

針對(duì)U型磁芯變壓器，繞組放置在磁芯端部時(shí)，其傳輸效率與氣隙間的關(guān)系如圖3所示.從圖3中可以清楚地看到，隨著氣隙的增大，傳輸效率降低，這主要是由于松耦合變壓器的耦合系數(shù)逐漸降低導(dǎo)致的.

圖3　傳輸效率與氣隙的關(guān)系Fig.3　The relational graph for transmission efficiency and the air gap

1.2　繞組繞制方法及安放位置

圖4給出了松耦合變壓器的原副邊繞組的兩種放置方式.圖4(a)是將繞組放置在磁芯的底部，圖4(b)是將繞組放置在磁芯的端部.

圖4　兩種繞組放置位置示意圖Fig.4　Schematic diagram for winding in two places

采用U型磁芯變壓器，針對(duì)不同繞組放置方式下的磁場(chǎng)分布和磁力線(xiàn)走向進(jìn)行分析.圖5給出了U型變壓器不同繞組位置的磁場(chǎng)分布圖(氣隙都為1 mm時(shí)).其中,圖5(a)是繞組放置在磁芯端部時(shí)的磁力線(xiàn)分布，圖5(b)是繞組放置在磁芯底部中心位置時(shí)的磁力線(xiàn)分布.對(duì)比可以看到，圖5(a)中的漏磁比圖5(b)少，即繞組放置在磁芯的端部時(shí)，U型磁芯原副邊之間通過(guò)的磁力線(xiàn)較多，漏磁較少，耦合系數(shù)較高.這說(shuō)明繞組放置位置的不同，會(huì)影響松耦合變壓器的耦合系數(shù).

圖5　U型磁芯不同繞組方式的磁場(chǎng)分布Fig.5　The distribution diagram of different winding magnetic of U core

圖6所示是繞組均放置在端部、氣隙大小相同、線(xiàn)圈的有效面積不同時(shí)的磁力線(xiàn)走向.

圖6　端部繞組磁力線(xiàn)示意圖Fig.6　Schematic diagram for the end winding magnetic field lines

圖6(a)是線(xiàn)圈有效面積較小時(shí)的磁力線(xiàn)分布，圖6(b)是線(xiàn)圈有效面積較大時(shí)的磁力線(xiàn)分布.對(duì)比兩圖可以看出，在相同氣隙時(shí)，采用圖6(a)的繞組方式時(shí)漏磁較多；采用圖6(b)的繞組方式時(shí)漏磁較少，耦合系數(shù)會(huì)相應(yīng)提高.這表明在相同的氣隙時(shí)，原副邊繞組間的有效面積增加，可以產(chǎn)生更多的磁力線(xiàn)垂直通過(guò)原副邊繞組，漏磁較少，能有效地提高耦合系數(shù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的傳輸效率.

2新型變壓器的設(shè)計(jì)

綜合以上仿真結(jié)果可以看出，氣隙大小和繞組的放置方式對(duì)傳輸效率都有影響.變壓器原副邊之間的氣隙越大，傳輸效率越低；原副邊繞組的有效面積越小，會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)變小，進(jìn)而降低傳輸效率.由此得到啟發(fā)，從改進(jìn)松耦合變壓器的磁芯形狀和繞組的繞制方法入手，提出了一種采用扁平式磁芯和平面式繞組的松耦合變壓器.繞組做成平面式放置在扁平U型磁芯的凹槽面上，有效面積得以增加，可以使更多的磁力線(xiàn)在原副邊繞組之間垂直通過(guò)，減少漏磁，提高系統(tǒng)的傳輸效率.

2.1　變壓器尺寸和線(xiàn)圈設(shè)計(jì)

2.2　新型變壓器的仿真分析

在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，采用扁平U型磁芯要考慮足夠的裕量，采取最大的磁芯面積，將原副邊繞組放置到有效的位置上，使原副邊繞組接觸得比較緊密，增大橫截面積，故原副邊匝鏈的磁力線(xiàn)增多，耦合系數(shù)變大.松耦合變壓器磁芯形狀和繞組纏繞方式如圖7所示.將磁芯設(shè)計(jì)成扁平U型，平面式繞組放置在U型磁芯的凹槽內(nèi)，使變壓器原副邊之間的有效面積增加.

圖7　改進(jìn)的變壓器磁芯和繞組示意圖Fig.7　Schematic diagram for improvement of transformer core and winding

通過(guò)GUI方法對(duì)實(shí)體模型自上而下建模，得到了模型的二維圖形.然后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.Ansys軟件的網(wǎng)格劃分有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種，本設(shè)計(jì)采用自由網(wǎng)格劃分.扁平U型磁芯的網(wǎng)格劃分如圖8所示.

圖8　扁平磁芯網(wǎng)格劃分Fig.8　Mesh generation for flat core

對(duì)新型U型松耦合變壓器原副邊氣隙為1~8 mm時(shí)分別進(jìn)行仿真，得到其磁力線(xiàn)的走向分布圖.圖9(a)是氣隙為1 mm時(shí)的磁力線(xiàn)分布，圖9(b)是氣隙為2 mm時(shí)的磁力線(xiàn)分布.由圖9(a)和(b)可以看出，改進(jìn)后的新型變壓器的磁力線(xiàn)密度遠(yuǎn)高于普通U型變壓器，這是由于原副邊之間耦合系數(shù)的增大所致.

圖9　不同新型變壓器的磁力線(xiàn)走向分布Fig.9　The distribution diagram for the magnetic field lines of different transformer

分析可知，和普通U型磁芯相比，扁平U型磁芯中的原副邊繞組間通過(guò)的磁力線(xiàn)較多.普通U型磁芯由于磁芯柱較長(zhǎng)，一部分磁通在磁芯柱中流失，降低了原副邊之間的耦合系數(shù)，導(dǎo)致了傳輸效率的降低.另外，對(duì)原副邊繞組的電路分析發(fā)現(xiàn)，在相同輸入電流的條件下，扁平U型磁芯副邊的電壓電流要高于普通U型磁芯.

圖10為普通U型磁芯變壓器及新型變壓器的效率分布.由圖10可以看出，隨著氣隙的增大，變壓器的傳輸效率降低.采用改進(jìn)的新型變壓器后,耦合系數(shù)得到了提高，傳輸效率也得到了明顯提高，曲線(xiàn)也更加平緩.

圖10　變壓器傳輸效率Fig.10　Schematic diagram for transformer transmission efficiency of transformer

3結(jié)語(yǔ)

利用Ansys軟件對(duì)松耦合變壓器進(jìn)行了有限元仿真分析，得到了影響松耦合變壓器傳輸效率的關(guān)鍵因素;對(duì)松耦合變壓器的磁芯形狀和繞組的繞制方法進(jìn)行了改進(jìn),采用扁平U型磁芯和平面式繞組，磁芯面積得到了一定的增加，有效地提高了松耦合變壓器的耦合系數(shù)和系統(tǒng)的傳輸效率，得到了傳輸效率較高的變壓器結(jié)構(gòu).

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The transmission efficiency analysis of loose coupling transformer

in contactless power transmission system

GUO Huiping1, ZHANG Zheng2, LI Bin2

(1.DepartmentofElectricalInformationEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China；

2.DepartmentofMechanicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract:In the contactless energy transmission system, loose coupling transformer is one of the key factors affecting energy transmission efficiency. The model of loose coupling transformer is established in this paper. By changing the structure of the magnetic core and winding, the main parameters which impact loose coupling transformer transmission efficiency have been analyzed. According to characteristics that transmission efficiency is low of the U type core and different winding form, the flat type core and plane winding is used to design loose coupling transformer. Through the simulation and comparison, the new loose coupling transformer structure can improve the system energy transfer efficiency greatly.

Key words:contactless energy transmission; loose coupling transformer; transmission efficiency

作者簡(jiǎn)介：郭會(huì)平(1981-)，女，河南舞陽(yáng)人，講師，主要從事自動(dòng)控制和設(shè)備管理方面的研究.

收稿日期：2015-09-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TM421

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-330X(2015)04-0040-04