感应电能传输系统的松耦合变压器结构研究_图文

1、第十八届全国电源技术年会论文集感应电能传输系统的松耦合变压器结构研究郑颖楠，陈红，张西恩燕山大学电气工程学院，秦皇岛：中船重工船舶设计研究中心有限公司大连分公司，大连：摘要松耦合变压器作为非接触供电系统的关键部分之一，由于磁路中有较大距离的空气磁路，变压器漏感较大，耦合系数不高，因此严重影响了能量传输功率和效率。文中针对影响变压器耦合系数的因素，利用有限元软件分别对、型两种形状磁芯的磁场分布随气隙大小和绕组位置进行有限元仿真研究，由磁力线的分布和走向可以看出这两个量对耦合系数的影响。进而提出一种可以提高耦合系数的改进磁结构的松耦合变压器，实验验证了理论分析。关键词松耦合变压器非接触供电引言目前

2、，电能主要是由导线通过插头插座直接接触进行传送的，这种电能传输方式由于存在物理接触和电气接触，在诸如潮湿、易燃易爆等环境中的应用受到限制，而且可靠性差。新型无接触供电系统综合运用电磁感应耦合技术、高频变换技术以及电力电子等高新技术，通过采用一、二次侧可分离的松耦合变压器将电能从电源侧经气隙传递给一个或多个负载，从而安全、高效、可靠、灵活地实现了电能的无接触传输，克服了传统的电能传输中存在的裸露导体、接触火花、电击、短路等不安全因素，广泛应用于喷漆车间、水下矿下作业、石油、医疗、军事等领域，应用前景十分广酣。实现非接触电能传输的关键组成部分是初、次级可分离的松耦合变压器，这是和开关电源中的变压器

3、的本质区别。此外。松耦合变压器可以保持相对静止或是运动状态。使之应用场合更加广泛。但是由于松耦合变压器磁路中存在气气隙，变压器漏感较大，耦合系数不高，因此严重影响了功率传输能力和传输效率。本文针对影响变压器耦合系数的因素，利用有限元软件分别对、型两种形状磁芯的磁场分布随气隙大小和绕组位置进行有限元仿真研究，进而提出一种可以提高耦合系数的改进磁结构的松耦合变压器，并以实验验证了理论分析。拓扑结构和工作原理新型无接触能量传递系统的基本构成包括：交流电源，初、次级整流、逆变电路，感应耦合电磁结构。因初、次级子系统之间不存在物理连接，为了提高供电系统的输出功率、传输效率和提高供电质量，通常在初次级加入

4、补偿环节【。图给出了系统构成框图。相对于传统的感应能量传递系统，非接触能量传输系统耦合程度较小。为了提高系统的功率传输能力，初级绕组通常采用高频交流驱动【。系统工作时，在输入端将单相频交流电经整流、逆变转换为高频交流电流供给初级绕组。次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，若为直流负载，则将高频电流经过整流为负高频串联谐叠藏滤波振逆变嚣整瀛滤波】次次级可分离变压器级补补偿偿拓无电气物理连拄拓扑扑【图变换器拓扑载供电；若为交流负载，则还需要进行变频处理。新型非接触电能传输系统发展的主要问题是提高效率和适用性。松耦合变压器是非接触电能传输系统的关键部分。它和常规变压器在工作原理上类似，都是

5、应用电磁感应原理实现电能从变压器原边到副边的变换。但是松耦合变压器的原副边之间存在较大的气隙，空气磁路长度远远超过了常规变压器的空气磁路长度，使之磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，变压器漏感较大，耦合系数不高。而常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势主要分布在磁芯磁路部分，磁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器的磁阻较小，需要的激磁电流较小。松耦合变压器属于疏松耦合磁结构。不仪影响能量传输的功率和效率，而且会加大功率器件的电应力。通过补偿的方式可以减小开关器件的应力。但是变压器原副边分离所带来的耦合系数低这个问题却没有办法解决，补偿电容并不能增大互感值，因为耦合系数由变压器的结构本身决定。所以

6、如何提高松耦合变压器的耦合系数是研究非接触式能量传输系统中的一个重要问题。在相同气隙下增大感应耦合能力，选择合适的电磁结构和参数，从而提高供电系统的传输效率及供电能力具有重要意义。影响松耦合变压器耦合系数的因素河北省自然基金项目（资助号：）感应电能传输系统的松耦台变压器结构研究圈为除耦台系教以外的其他一切电路参数相同的情况下输出电压随耦台系数变化的仿真图，由圈可以看出相同负载下船耦台变器的耦台系数越高输电压越高。目此要提高系统的传糖能力，兢要尽量提高橙耦台变压器的耦台系数。通常影响松耦台变压器的耦台系数的囚素±要有磴材料、磁葚形状、绕组位嚣，气隙大小等，率立的研究集中在相同磁性材料前

7、提下，醴芯形状厦绕组位置对于耦音系数的影响。”。“图墒出电压随耦音系数变化的仿真图气隙大小对耦合系数的影响（时中心绕组变器伪）端置绕组变压嚣图两种不同绕组位置的磁芯变压器示意图常用的碓芯形状有型、型、型、型和罐型等多种结构可以根据不同的应用场音选择音适的铁芯下面蚍型和型碓甚为例进行分析其它形状的碰芯也可以得到相同的结论。罔为型碰甚不同绕组位置的示意图。圈（）巾绕组缠在了船耦台变压器磁芯底部，这是一种传统的绕祛在圈中绕组是缠在了橙耦台变压器碓芯的端部，这样原副边绕组的距离拉近，这是一种新型的缠绕方法”圈所示为型碰芯变压相刷气晾不同绕组方式时的磁场分布和磁力线走向。圈（曲是气隙时中。绕组的情况；图

8、是端置统绕组的情况；圈叫是蛐气隙下中。绕组时的情况；图州）是气隙下端置绕组的情况下磁场分布仿真圈。对比速四副罔我们可毗清楚的看到相同绕组下随着气隙的增大匝链原融边绕组的碰通变少，嗣磁变多，耦台系教也相应地降低。这与理论分析一致。“争蠹鬻囊磁廿，乒善、瞄磁芯彦室妻湘茁副瞳边誊蝥（）中心绕组气隙曲）端置绕组气隙锄忙）中心绕组气隙锄（）端置绕组气隙图变器在不同气隙下的磁场分布圈绕组位置对松耦台变压器参数的影响硪性材料、碰芯状、气隙大小相同的情况下绕组位置的小蚓也会影响松耦台变压嚣的耦音系数。这可以甩圉的（砷目（）和巾）与门）的仿真结果对比看出。相同气隙下采用圉）绕组方式时变压器的诵磁较多耦台系数较低

9、，采用圈的方式将绕组拆分成两半后放置在型融芯的芯柱端部时，变压器的据碰较少耦台系教较高。可知在图）的绕组缠绕方式中。原、副让绕组的线圈接触比较紧密，更多的碰力线可驵在原、副边绕组之问垂直地通过，锅破较少，有利于提高耦音系数。型碰芯两种不同绕组方式具有和型磁茁相同的结论幽。这里不再绪出仿真圈罔耦合系数随气隙变化围绕组位置对耦合系数影响的测试由图所示的研究结果我们知道耦台系数和输出电堆成【匕关系，町见研究高耦台系数的松耦变嚣对提高传输功率的要性。由型、型磁替的圉中碰力线的分布和走向可以看出随着气隙的增太耦舍系数蓬渐减小但绕组位置的改变可以政变磁力线的分布和走向，从而改变耦音系数。罔足采用±

10、;述改变绕组位簧前后两种橙耦音变耦台系教的测试结果可见，梧耦台变压器经过上面绕组绕制方法的改进耦合系数经得到了报太的提高，从而为变换器传输功率能力的提高创造条件。捆感在一定程度得到了有效降低后变换罂对环境的电磁十扰也相应地有所降低。国骚第十八届全国电源技术年会论文集自于两种变压嚣足同磁性材料磁芯形状、同气静人小、同匝赣的变压器，唯一不同的是境组位置由图实验数据阻看随着气障的增大，耦台系数都运新减少，但是端簧绕组变压器的耦合系数要明显高于中。绕组变压嚣的耦合系数尤其足气隙较大的时候端置绕组变压器的优势越明显高耦合系数变压器绕组和磁结构前面的研究表明：当原剁边绕组中。位置距离较近时，相同气骧大小耦

11、系数较大戳芯面较大时漏礁毂少。基十这样的认“在本文中从改进松耦告变竹硪形状以及绕制方法两方而手提小了一种采用十而磁和平面绕组的捡耦合变压器。礁芯及绕组缠绕方式如图所示。崩为目前没有成晶雒芯可用磁甚采用超扁型代替。绕组做成平面式放置枉图中所最的矩彤耐这样做既日以实埋两绕组中心位簧且有蛀近矽缈熏田新型松耦台蛮器的碰芯和绕组意罔的距离使磁芯打散面！得以坩加，井日由于绕组外国也存在形成的磁路所以以有效降低融阻。秆利于原、副绕组的鞋。罔为气障磁场分布的仿真。由于砒葚的巧妙利用，使得原副边绕组接触的鞍紧南并目由横截面积变大磁力拽可以在躁副边绕组之删垂直的通过，从原副边匝链的磁力线增多，因此嗣礁较少。新磁结

12、构松耦台变压器测试图是新型磁路结构结合端置绕组方式的松耦合变压器耦合系数测试结果。与图对比新颦松耦台变压器有效地提高了耦台系致。对提高功率传输能力十分有利。圈新型挫耦合变压礁场分布圈圈改进硅结构和绕组的耦合秉教随气穰的变化关系应用效果的实验对比图为松耦台变压嚣赌置绕组气隙分别为，时，原边串联补倦副边未补偿时效率实验数据对比圈，讷振额串为。巾圉目以看随着气障的增大变压嚣的散率降低了，这是由于气隙壹大导致橙耦台变压嚣的耦台系翦下降：作频率在谐振频率附近传精效率明显增加，偏离静限频率时传输散率避渐蕞小圈为变换器输入电压和负戴相同，气赣，采用不蔚巍组位置的变压和改进的变压器的散卑随作频率变化的曲线圈谐

13、振频率为由圈可以看出作颏串接近谐振频率时效率较高改进绕组的变器的效率要太于传统绕组结构的变压嚣。这也是由于变压器绕组位置不同从而造成的耦台系教不同所致改进的变压器教睾最高。由于耦台系数的摧离，教率曲线也斐得更加平直。采用改进的变压器优于结果圈变压教卓曲作频卑变化曲线（不同气隙）圈变压器效宰随怍频率变化曲线（不同绕组簧）结论有限元磁力线分弗和走向的研究袭明肖原副边绕组位置距离较近时相同气静大小下耦台系教较大。使用相同砒芯时使绕自扁平尽量靠近气穰。可有教提高梧耦合变压器的耦台系数：采用平面磁芯和平面绕组适当增加越芯面积能够更有效地提高变压船的耦台系戥提出的新型磁绕组结构在气隙咖时耦台系数，远远大于

14、普通的橙耦台变器样机测试结果寰明新型磁绕组结构变压嚣效率要大且它两种轻组方式。如果采用特殊设计的专用融芯和绕组鲒构。有望进一步提高橙耦音变器的儡台系数。（下转第页）掣第十八届全国电滚技术年舍论文集高功牢因数馈月剖老呦蛳槲圈为并瞬态实验波形幞幞”、厂一监了一枷“枷罔为脱瞬态实验波彤】¨。“罔井阿稳态实验被形表逆变嚣井嘲实骑数据、。，、，一、）井网电流为时并网电流波形）并月电流为时并月电流波形罔小侧电嘲电流给定的实验波形参考文献，蛳帅蚵州：蛐“【：闭，“吖目栅啪，嘲赵为太阳能光伏并阿发电系统的研究博±学位论文】台肥台肥工业大学，作者简介高华丽（，女，河北人，南京航空航天大学顽研

15、究生，研究方向为电力电子电力传动。（上接第页）参考文献【，髓瑚”“酣曲伽田咖时，（乃：【跏，。如咖蚰删锄删咄啪雌（）：武瑛，严陆光徐善纲新型无接触电能传输系统的性能分析】电工电能新技术，（）：川韩腾，卓放，±兆安分离变压器窭现的非接触电能传输系统研究【电力电子技术，（）：嘲张峰，慧贞秦海蚺松耦音夸桥谐振变换器的原理分析与实现力屯力电子技术，（）作者简介：“：霎：篱；，器：；：；慧：；：警张恩男午。硕士研究生，目前主要从事旌直电能传输技术研究 感应电能传输系统的松耦合变压器结构研究作者：郑颖楠， 陈红， 张西恩作者单位：郑颖楠,张西恩(燕山大学电气工程学院,秦皇岛 066004， 陈红

16、(中船重工船舶设计研究中心有限公司大连分公司,大连 116005本文读者也读过(10条1. 詹厚剑. 吴杰康. 赵楠. 蒋程. 齐佳鑫. Zhan Houjian. Wu Jiekang. Zhao Nan. Jiang Cheng. Qi Jiaxin 非接触感应电能传输系统松耦合变压器参数设计期刊论文-现代电力2009,26(12. 姜田贵. 张峰. 王慧贞. JIANG Tian-gui. ZHANG Feng. WANG Hui-zhen 松耦合感应能量传输系统中补偿网络的分析期刊论文-电力电子技术2007,41(83. 崔明浩. 刘丽. 卓放. 王兆安 非接触感应电能传输系统中可分离变压器磁场的有限元仿真分析会议论文-20064. 刘建 基于松耦合变压器的全桥谐振变换器的研究学位论文20085. 高奇峰. 杨兆建. 何吉利. GAO Qifeng. YANG Zhaojian. HE Jili 分离式变压器电磁结构与参数分析期刊论文-电力自动化设备2009,29(96. 张磊. 周静. 南洋. Zhang Lei. Zhou Jing. Nan Yang 松耦合电能传输系统的分析与研究期刊论文-电气技术2009(37. 秦海鸿. 王慧贞. 严仰光 非接触式松耦合感应电能传输系统原理分析与设计会议论文-20038. 郑颖楠. 陈红. 张西恩. ZHENG Yi