非接觸電能傳輸系統松耦合變壓器傳輸效率分析

郭會平，張　政，李　斌

(1.河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451191；

2.河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州 451191)

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非接觸電能傳輸系統松耦合變壓器傳輸效率分析

郭會平1，張政2，李斌2

(1.河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451191；

2.河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州 451191)

摘要：在非接觸能量傳輸系統中，松耦合變壓器是影響能量傳輸效率的關鍵因素之一.對松耦合變壓器的磁芯和線圈進行仿真建模，通過改變變壓器磁芯和繞組的結構，可得到影響傳輸效率的關鍵因素.針對U型磁芯和不同繞組形式傳輸效率較低的特點，提出了一種改進型變壓器.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型松耦合變壓器結構可以大大提高系統能量傳輸的效率.

關鍵詞：非接觸能量傳輸；松耦合變壓器；傳輸效率

傳統的電能傳輸方式主要是通過導線實現的，在電能傳輸過程中易產生火花、電擊、滑動磨損等問題，會對企業和人身造成危險.隨著社會經濟的飛速發展，傳統的電能傳輸方式在易燃易爆、潮濕等惡劣環境中的應用受到限制，已不能滿足這些場合的供電要求.因此，非接觸電能傳輸(Contactless Inductive Power Transfer，CIPT)技術應運而生.CIPT技術克服了傳統供電方式的缺陷，在水下作業、噴漆車間、醫療、交通運輸、航空航天、鉆井工礦和軍事等領域有著廣泛的應用[1-3].

非接觸式感應電能傳輸系統主要由高頻逆變部分、松耦合變壓器和整流濾波等構成.在整個非接觸能量傳輸系統中，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，耦合系數不高，所以對電能傳輸效率有較大的影響.分析了影響常規變壓器傳輸效率的主要因素，在此基礎上提出了一種改進型變壓器，通過仿真實驗證明了改進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密度、磁導率、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、化學特性穩定、不易生銹等特點，故得到了廣泛應用[6].

1.1　氣隙大小

對U型磁芯進行仿真，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Ansys軟件中建立松耦合變壓器的模型并進行仿真，圖2給出了U型磁芯變壓器繞組放置在端部時的磁力線分布.圖2(a)是端部繞組在氣隙為1 mm時的磁力線分布，圖2(b)是端部繞組在氣隙為2 mm時的磁力線分布.對比兩幅圖可以清楚地看到，當氣隙增大時，原副邊之間交鏈的磁力線有所減少，漏磁明顯增多，導致傳輸效率較低.

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

針對U型磁芯變壓器，繞組放置在磁芯端部時，其傳輸效率與氣隙間的關系如圖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逐漸降低導致的.

圖3　傳輸效率與氣隙的關系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，針對不同繞組放置方式下的磁場分布和磁力線走向進行分析.圖5給出了U型變壓器不同繞組位置的磁場分布圖(氣隙都為1 mm時).其中,圖5(a)是繞組放置在磁芯端部時的磁力線分布，圖5(b)是繞組放置在磁芯底部中心位置時的磁力線分布.對比可以看到，圖5(a)中的漏磁比圖5(b)少，即繞組放置在磁芯的端部時，U型磁芯原副邊之間通過的磁力線較多，漏磁較少，耦合系數較高.這說明繞組放置位置的不同，會影響松耦合變壓器的耦合系數.

圖5　U型磁芯不同繞組方式的磁場分布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、線圈的有效面積不同時的磁力線走向.

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

圖6(a)是線圈有效面積較小時的磁力線分布，圖6(b)是線圈有效面積較大時的磁力線分布.對比兩圖可以看出，在相同氣隙時，采用圖6(a)的繞組方式時漏磁較多；采用圖6(b)的繞組方式時漏磁較少，耦合系數會相應提高.這表明在相同的氣隙時，原副邊繞組間的有效面積增加，可以產生更多的磁力線垂直通過原副邊繞組，漏磁較少，能有效地提高耦合系數，進而提高系統的傳輸效率.

2新型變壓器的設計

綜合以上仿真結果可以看出，氣隙大小和繞組的放置方式對傳輸效率都有影響.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，會導致耦合系數變小，進而降低傳輸效率.由此得到啟發，從改進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在原副邊繞組之間垂直通過，減少漏磁，提高系統的傳輸效率.

2.1　變壓器尺寸和線圈設計

2.2　新型變壓器的仿真分析

在滿足設計要求的同時，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增多，耦合系數變大.松耦合變壓器磁芯形狀和繞組纏繞方式如圖7所示.將磁芯設計成扁平U型，平面式繞組放置在U型磁芯的凹槽內，使變壓器原副邊之間的有效面積增加.

圖7　改進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GUI方法對實體模型自上而下建模，得到了模型的二維圖形.然后，對模型進行網格劃分.Ansys軟件的網格劃分有自由網格劃分和映射網格劃分兩種，本設計采用自由網格劃分.扁平U型磁芯的網格劃分如圖8所示.

圖8　扁平磁芯網格劃分Fig.8　Mesh generation for flat core

對新型U型松耦合變壓器原副邊氣隙為1~8 mm時分別進行仿真，得到其磁力線的走向分布圖.圖9(a)是氣隙為1 mm時的磁力線分布，圖9(b)是氣隙為2 mm時的磁力線分布.由圖9(a)和(b)可以看出，改進后的新型變壓器的磁力線密度遠高于普通U型變壓器，這是由于原副邊之間耦合系數的增大所致.

圖9　不同新型變壓器的磁力線走向分布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的磁力線較多.普通U型磁芯由于磁芯柱較長，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，導致了傳輸效率的降低.另外，對原副邊繞組的電路分析發現，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.采用改進的新型變壓器后,耦合系數得到了提高，傳輸效率也得到了明顯提高，曲線也更加平緩.

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

3結語

利用Ansys軟件對松耦合變壓器進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鍵因素;對松耦合變壓器的磁芯形狀和繞組的繞制方法進行了改進,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和系統的傳輸效率，得到了傳輸效率較高的變壓器結構.

參考文獻：

[1]詹厚劍，吳杰康.非接觸感應電能傳輸系統松耦合變壓器參數設計[J].現代電力，2009(2)：40-44.

[2]STANIMIR V,SENIOR M.Resonant contactless energy transfer with improved efficiency[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009，24(3):685-699.

[3]武瑛，陸嚴光，黃常綱.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術，2003，22(4)：10-13.

[4]姜田貴，張峰，工慧貞.松耦合感應能量傳輸系統中補償網絡的分析[J].電力電子技術，2007，41(8)：42-44.

[5]龐明鑫，高曉旭.松耦合感應式電能傳輸技術的應用研究[J].機械工程與自動化，2010(10)：121-126.

[6]周靜，安慰東.提高感應電能傳輸效率的研究[J].電子測試，2010(1)：5-10.

[7]韓亞榮，熊小娟，張琦，等.非接觸式電能傳輸系統的松耦合變壓器特性分析[J].中國制造業信息化，2007(15)：55-57.

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

作者簡介：郭會平(1981-)，女，河南舞陽人，講師，主要從事自動控制和設備管理方面的研究.

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TM421

文獻標志碼：A

文章編號：1674-330X(2015)04-0040-04