有軌電車(chē)非接觸感應(yīng)耦合空心線圈的選型研究

吳 萍，羅 成，葉啟舟

（（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)，四川成都 610031）

有軌電車(chē)非接觸感應(yīng)耦合空心線圈的選型研究

吳 萍1，羅 成2，葉啟舟2

（（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)，四川成都 610031）

針對(duì)有軌電車(chē)非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的核心部分空心變壓器空心線圈的選型進(jìn)行分析和研究。首先對(duì)矩形空心線圈和圓形空心線圈的自感和互感進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)自感和互感計(jì)算出耦合系數(shù)。結(jié)合 Matlab 軟件編程計(jì)算，對(duì)比分析 2 種空心線圈的耦合性能隨初、次級(jí)線圈間隙、線徑、初、次級(jí)線圈尺寸、初、次級(jí)線圈相同及不同尺寸下偏移量變化的影響。結(jié)果表明：在尺寸較大時(shí)，隨著氣隙、導(dǎo)線截面半徑、線圈尺寸以及初、次級(jí)線圈相同尺寸下偏移量的增大，矩形線圈耦合性能都好于圓形線圈。反之，圓形線圈的耦合性能要好于矩形線圈。雖然隨著初、次級(jí)線圈不同尺寸下偏移量的增大，圓形線圈耦合性能略好于矩形線圈，但其耦合系數(shù)遠(yuǎn)小于相同尺寸下的耦合系數(shù)。結(jié)合有軌電車(chē)大功率、大尺寸的條件，得出有軌電車(chē)適合采用初、次級(jí)線圈相同尺寸的矩形線圈。

有軌電車(chē)；非接觸感應(yīng)耦合；圓形空心線圈；矩形空心線圈

0 引言

隨著交通擁堵、環(huán)境污染、城市規(guī)劃等各種問(wèn)題日漸突出，現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種運(yùn)行可靠、舒適、節(jié)能、環(huán)保的城市軌道交通越來(lái)越受到各國(guó)的重視。許多城市改建或新增現(xiàn)代有軌電車(chē)線路，如法國(guó)巴黎、西班牙馬德里以及我國(guó)的大連、天津、上海等城市［1］。而傳統(tǒng)的接觸式架空接觸網(wǎng)供電一直存在噪聲、磨損、設(shè)備腐蝕以及影響城市美觀等問(wèn)題［2］，非接觸式供電作為一種新型電能傳輸模式很好彌補(bǔ)了這些問(wèn)題。與采用超級(jí)電容和蓄電池供電方式相比，超級(jí)電容和蓄電池的使用壽命有限、成本較高以及增加車(chē)體重量等問(wèn)題，非接觸式感應(yīng)耦合供電方式顯得更為優(yōu)越。

非接觸式感應(yīng)耦合供電主要采用電磁感應(yīng)耦合供電，電磁感應(yīng)耦合供電是利用電磁感應(yīng)原理，將供電線圈預(yù)先埋設(shè)在軌道下方，在車(chē)輛底部加設(shè)耦合線圈。車(chē)輛通過(guò)車(chē)載儲(chǔ)能方式啟動(dòng)，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，供電線圈回路通電形成了電磁場(chǎng)，車(chē)底的耦合線圈不斷切割磁感線，發(fā)生電磁感應(yīng)，形成電流為車(chē)輛供電。同時(shí)還可為車(chē)載儲(chǔ)能裝置充電，方便車(chē)輛的下一次啟動(dòng)。

非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)主要供電方式有3種：采用初、次級(jí)帶鐵心感應(yīng)耦合；考慮到成本和復(fù)雜性，初級(jí)改用線纜，次級(jí)帶鐵心；考慮到鐵心重量和成本，初、次級(jí)都采用空心線圈耦合。但空心線圈存在耦合性能不強(qiáng)且線圈形狀多樣等問(wèn)題，為了提高能量傳輸效率，對(duì)于空心線圈的耦合性能的研究就顯得非常重要。對(duì)于空心線圈已有一定的研究［4-10］。但對(duì)于有軌電車(chē)非接觸感應(yīng)耦合空心線圈的選型研究缺乏。

本文對(duì)非接觸感應(yīng)耦合變壓器的矩形空心線圈和圓形空心線圈進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析，首先對(duì)矩形空心線圈和圓形空心線圈的自感、互感利用公式進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)對(duì)比 2 種線圈的耦合性能隨初、次線圈半徑、氣隙、線徑、偏移量的影響，為適用于有軌電車(chē)的線圈進(jìn)行選型。

1 空心線圈耦合計(jì)算

1.1 矩形空心線圈耦合計(jì)算

圖1 單匝矩形線圈相對(duì)位置示意圖

1.1.1 自感計(jì)算

如圖1，初級(jí)單匝線圈長(zhǎng)寬分別為 2l1和 2d，次級(jí)線圈長(zhǎng)寬分別為 2l2和 2e，兩線圈位置偏移量為 t，氣隙寬度為 h，磁導(dǎo)率為 μ0，線圈導(dǎo)體截面半徑為 R。線圈外自感利用磁通法對(duì)線圈 4 條有限長(zhǎng)邊進(jìn)行積分獲得，其初級(jí)單匝線圈外自感為［5］：

當(dāng)線圈周長(zhǎng)遠(yuǎn)大于線圈截面周長(zhǎng)時(shí)，初級(jí)單匝線圈內(nèi)自感可以表示為［5］：

所以，初級(jí)單匝矩形線圈的總自感為：

1.1.2 互感計(jì)算

2 個(gè)矩形線圈之間的互感可以通過(guò)計(jì)算 2 個(gè)線圈各導(dǎo)線之間互感之和而得到，利用聶以曼公式計(jì)算電感需要把矩形線圈分成幾段直導(dǎo)線來(lái)考慮，然后對(duì)各直線導(dǎo)線之間運(yùn)用公式進(jìn)行計(jì)算［5］。

對(duì)于回路 1：

對(duì)于回路 2：

公式（4）、（5）中：dx1、dy1為初級(jí)線圈寬度和長(zhǎng)度的微分， dx2、dy2為次級(jí)線圈寬度和長(zhǎng)度的微分。

應(yīng)用聶耳曼公式求解 a1、a2之間的互感為：

同理可以求得 Mb1b2、Mc1c2、Ma1c2、Mb1d2、Mc1a2。

所以，兩單匝矩形線圈之間的互感 M 為：

1.2 圓形空心線圈耦合計(jì)算

1.2.1 自感計(jì)算

線圈自感為［3］：

公式（8）中：Le為線圈外自感，Li為線圈內(nèi)自感。

如圖2所示，r1為線圈平均半徑，r 為導(dǎo)線內(nèi)半徑，l1為導(dǎo)線中心線，l2為導(dǎo)線內(nèi)側(cè)邊線，θ 為 r 與 x 軸的夾角，Φ 為 r 和 r1之間的夾角。

線圈內(nèi)自感公式為［3］：

根據(jù)聶以曼公式，線圈外自感公式［3］為：

推出外自感公式為：

圖2 單匝圓形線圈自感計(jì)算

1.2.2 互感計(jì)算

如圖3 所示，t 為初、次級(jí)線圈偏移量，h 為初、次級(jí)線圈氣隙，r1、r2為初、次級(jí)線圈平均半徑，l1、l2為初、次級(jí)線圈 1 匝的長(zhǎng)度，r3為坐標(biāo)原點(diǎn)到 dl2的距離。

圖3 單匝圓形線圈相對(duì)位置示意圖

根據(jù)聶以曼公式［3，4］，線圈互感公式為：

推出互感公式為：

考慮到公式（7）和公式（13）互感中的積分式子無(wú)法用解析求解，因此，必須用雙重積分定義求解積分的數(shù)值解。

2 空心線圈耦合系數(shù)的計(jì)算分析

耦合系數(shù)計(jì)算公式為：

公式（14）中：M 為初、次級(jí)線圈間的互感，L1、 L2為初、次級(jí)線圈的自感。

以下結(jié)合 Matlab 軟件對(duì)空心線圈耦合性能作進(jìn)一步分析。

2.1 耦合系數(shù)隨初、次級(jí)氣隙的變化

考慮到有軌電車(chē)的功率需求，設(shè)線圈導(dǎo)線截面半徑 R= 5 mm，初、次級(jí)偏移量 t= 0 mm，參數(shù)見(jiàn)圖4，則可以得到不同尺寸空心線圈間耦合系數(shù) k 隨氣隙 h 變化的曲線，如圖4 所示。

圖4 耦合系數(shù)隨氣隙的變化曲線

由圖4可以看出，耦合系數(shù)隨初、次級(jí)線圈氣隙增大下降得較快。且當(dāng)線圈尺寸較小時(shí)，圓形空心線圈的耦合性能略好于矩形線圈。反之，矩形線圈略好于圓形線圈。

2.2 耦合系數(shù)隨線圈導(dǎo)線截面半徑的變化

設(shè)初、次級(jí)線圈導(dǎo)線截面半徑為 R，為了和有軌電車(chē)實(shí)際相符，考慮了線圈導(dǎo)線直徑，初、次級(jí)線圈氣隙 h 取 20 mm，所取參數(shù)見(jiàn)圖5，耦合系數(shù) k 隨線圈導(dǎo)線截面半徑 R 的變化曲線如圖5 所示。

圖5 耦合系數(shù)隨線圈導(dǎo)線截面半徑的變化曲線

由圖5 可以看出，當(dāng)線圈尺寸較小時(shí)，耦合系數(shù)隨初、次級(jí)線圈導(dǎo)線截面半徑增大而增大，圓形空心線圈的耦合性能略好于矩形線圈。反之，矩形線圈耦合性能略好于圓形線圈，尤其在線圈導(dǎo)線截面半徑小于 5 mm時(shí)，矩形線圈耦合性能好于圓形線圈。

2.3 耦合系數(shù)隨線圈尺寸的變化

矩形線圈和圓形線圈初、次級(jí)線圈初始尺寸參數(shù)見(jiàn)圖6，其中 l1st、l2st、est、dst、r1st、r2st為矩形線圈和圓形線圈初、次級(jí)線圈初始尺寸，在此基礎(chǔ)上，同時(shí)按倍數(shù)增大初、次級(jí)線圈尺寸，得出耦合系數(shù) k 隨初、次級(jí)線圈導(dǎo)線尺寸增大倍數(shù) m 的變化曲線，如圖6 所示。

圖6 耦合系數(shù)隨線圈尺寸增大的變化曲線

由圖6 可以看出，當(dāng)線圈尺寸較小時(shí)，耦合系數(shù) k隨初、次級(jí)線圈導(dǎo)線尺寸的增大而增大，圓形空心線圈的耦合性能略好于矩形線圈。反之，隨著尺寸的增大，矩形線圈耦合性能好于圓形線圈，尤其在線圈尺寸大于2 倍時(shí)，矩形線圈耦合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于圓形線圈。

2.4 初、次級(jí)線圈相同尺寸下耦合系數(shù)隨偏移量的變化

線圈各參數(shù)見(jiàn)圖7，初、次級(jí)線圈相同尺寸下耦合系數(shù) k 隨初、次級(jí)偏移量 t 的變化曲線如圖7 所示。

由圖7可以看出，初、次級(jí)線圈相同尺寸下，在線圈尺寸較小時(shí)，圓形線圈正對(duì)時(shí)的耦合性能好于矩形線圈，但隨著偏移量的增加，圓形線圈耦合性能比矩形線圈差。當(dāng)線圈尺寸較大時(shí)，矩形線圈耦合性能完全好于圓形線圈。

2.5 初、次級(jí)線圈不相同尺寸下耦合系數(shù)隨偏移量的變化

前面的分析都基于初、次級(jí)線圈相同長(zhǎng)寬基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)初、次級(jí)線圈長(zhǎng)度不一樣，取初級(jí)線圈尺寸為次級(jí)線圈尺寸的 2 倍時(shí)，各參數(shù)見(jiàn)圖8，耦合系數(shù) k 隨偏移量 t 的變化曲線如圖8 所示。

圖7 初、次級(jí)線圈相同尺寸下耦合系數(shù)隨偏移量的變化曲線

由圖8 可以看出，耦合系數(shù)在一定偏移量范圍內(nèi)是較平穩(wěn)的，基本不變。當(dāng)初、次級(jí)線圈耦合系數(shù)在 t /2l1（ t/2r1）= 0.25 時(shí)取得最大，也就是當(dāng)次級(jí)線圈移動(dòng)到邊緣和初級(jí)線圈邊緣正對(duì)的時(shí)候，耦合系數(shù)最大。而再增大偏移量時(shí)，其耦合系數(shù)隨之減小。且圓形線圈的耦合性能都略好于矩形線圈。但相比于相同尺寸下的耦合性能差很多。

3 結(jié)論

本文對(duì)有軌電車(chē)非接觸感應(yīng)耦合的核心部分空心線圈進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析，推導(dǎo)出矩形和圓形空心線圈的自感和互感計(jì)算公式，探討了不同尺寸下，初、次級(jí)線圈的氣隙、導(dǎo)線截面半徑、線圈尺寸、偏移量對(duì) 2 種線圈耦合性能的影響。結(jié)果表明，在尺寸較大時(shí)，隨著氣隙、導(dǎo)線截面半徑、線圈尺寸以及初、次級(jí)線圈相同尺寸下偏移量的增大，矩形線圈耦合性能都好于圓形線圈。反之，圓形線圈的耦合性能要好于矩形線圈。雖然隨著初、次級(jí)線圈不同尺寸下偏移量的增大，圓形線圈耦合性能略好于矩形線圈，但其耦合系數(shù)遠(yuǎn)小于相同尺寸下的耦合系數(shù)。所以，根據(jù)以上分析，結(jié)合有軌電車(chē)大功率、大尺寸的條件，得出有軌電車(chē)適合采用初、次級(jí)線圈相同尺寸的矩形線圈。

圖8 初、次級(jí)線圈不同尺寸下耦合系數(shù)隨偏移量的變化曲線

［1］ 薛美根，楊立峰，程杰.現(xiàn)代有軌電車(chē)主要特征與國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究［J］.城市交通，2008，6（6）：88-91，96.

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Type Selection of Contactless Inductive Coupling Hollow Coil for Tram

Wu Ping， Luo Cheng， Ye Qizhou

The paper makes the tram calculation firstly of rectangular and circular hollow coil self inductance and mutual inductance， and then calculates the coupling coefficient.Based on the programming calculation of Matlab software， it also makes a comparative analysis on the coupling performance of two types of hollow coils of the primary and secondary coil gap， coil diameter， primary and secondary coil size， identical and difference of primary and secondary coil sizes under the influence of offset changes.The results show that when the size is larger，with the increase of the air gap， the cross section radius of conductor wire， the size of the coil and the offset of the same size of the primary and secondary coils， the coupling performance of the rectangular coil is better than that of the circular coil， but the coupling coeffi cient of the circular coil is smaller than that of the rectangular coil.With the increase of offset of the primary and secondary coils， the coupling performance of the circular coil is slightly better than that of the rectangular coil， but its coupling coeffi cient is much smaller than that of the same size.Under the condition of the high power and large size of the tram， the paper concludes that the tram is suitable for rectangular coil with same size for the primary coil and the secondary coil.

tram， contactless inductive coupling， circular hollow coil， rectangular hollow coil

U482.1∶U223.5

吳萍（1981—），女，高級(jí)工程師

2016-03-25