试析非接触电能传输系统电磁机构研究

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重庆大学硕士学位论文非接触电能传输系统电磁机构研究姓名：张宗明申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：孙跃20070420 重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着工业生产与科学技术(尤其是电力电子技术)的发展，电气设备日益普及。纵观各种电气设备的能量获取手段，不难看出，传统的供电方式基本上都是采用接触式电能直接传导的传输方式。这种传统的方式存在着移动灵活性差、不安全、特别不适合恶劣环境(水下、潮湿等)等问题，显然已经不能满足社会发展的需求。非接触电能传输系统综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术(包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等)，借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电网向移动设备的安全、可靠、。高效、灵活的非接触传输，克服了传统电能传输的诸多不足，迎合了工业生产和人们生活电气化、智能化、安全高效性和灵活性的需求，开创了电能传输的新方法。论文首先系统地概述了非接触电能传输技术与产品的国内外研究现状，并对非接触电能传输系统的基本原理与系统的基本结构和各部分功能进行了分析。接着论文简要介绍了非接触电能传输系统的电磁机构的分类和特点，并对电磁机构的特性进行了详细的分析，包括磁芯材料特性、导线材料特性、磁路特性、耦合特性、能量特性等。其中对磁路进行很详细的分析，引入了分割法计算空气磁阻的方法，用此方法可以比较精确的计算空气磁阻。在忽略次要因素的前提下，对大开口气隙的u型磁芯和E型磁芯的磁路进行了简化，得出了这两种磁芯的等效磁路。论文利用MAXWELL仿真平台，对U型、E型电磁机构的互感耦合进行了很详细的仿真研究分析，制定了合理的仿真方案，深入的研究了磁性材料、线圈位置、绕制方式、线圈长短等因素对互感耦合的影响，得到了上述因素对互感祸合的影响规律，对优化电磁机构有一定的指导作用。最后通过实验装置对感应电压值进行测量。实验结果表明：实验结果与仿真分析所得出的规律基本一致。这为非接触电能传输系统电磁机构的优化设计提供了理论与实践依据。关键词：非接触电能传输感应耦合电磁机构仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTWiththedevelopmentofindustryandscience，especiallyPowerElectronics，electricdevicesbecomepopulargradually．Itiseasytoseethatconventionalmethodsofpowersupplyarealmostdirectelectricalcontactingmode．Thesemethodsareobviouslynotfitforthedevelopmentofsociety．CPT(ContactlessPowerTransfer)systemrealizesafe,reliableandhi曲efficiencycontactlesspowertransferfromstationarysoBrcetomovableloadsviamagneticcoupling．Itcombinesofmodempowerelectronics，magneticcouplingtechnology,highpower-hi曲frequencyconverttechnology(includingresonanttransferandElectroMagneticCompatibilitytechnologyand80on)andmodemcontroltheoryandmethods．Itovercomesdisadvantagesoftraditionalpowertransfersystem，It’Sanewwayofpowertransfer．Inthispaper,researchstatusandproductsofCPTarebrieflyintroduced．Theprincipleofcontactlesspowertransfer,basicstructureandfunctionofeachpartareanalyzedlater．TheclassificationandcharacteristicoftheelectromagneticstructureinCPTsystemarebrieflyintroduced，andthecharactersofthestructureareanalyzedparticularly,includingmaterialofmagneticcore,materialofcoil，magneticcircuit,inductivecouplingandenergycharacteristic．Especially,themagneticcircuitisanalyzed．Thedivisionmethodisusedtoaccuratelycalculatethegapmagneticresistance．ThemutualinductivecouplingoftheelectromagneticstructureaboutUstructureandEstructureisresearchedrespectivelywiththeMaxwellsimulatingsoftware．111esimulationplanisproperlymade．Thefactorsaffectedthemutualinductivecouplingareresearchedparticularly,suchasmagneticmaterial，positionofthecoil，thewayofthecoilwindingthelengthofthecoiletc．atlast,drawaconclusion,anditcalltake托activeroletothedesigntheelectromagneticstructure．Finally,theexperimentresultverifiedsimulation．ItCallsupplythetheoryandpracticegisttotheoptimizeddesigntoCPTsystem．Keywords：contactlesspowertransfer,inductivecoupling,electromagneticstructure，simulationⅡ 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重庆态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密()，在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密()。(请只在上述一个括号内打“√”)学位论文作者签名：渺导师签名：签字日期：勿衫年5月6日签字日期：≥研∥月易日 重庆大学硕士学位论文1绪论1．1引言长期以来，移动电设备(如工厂移动吊装设备，无轨电车、城市轻轨交通等城市载客交通工具、电力机车、矿井采掘与运输设备等)的供电都是采用接触式电能直接传导的传输方式(包括直接导线传输方式、滑动接触方式和滚动接触方式)将电能从供电网络传递给移动设备。这些电能传输(取电)方式存在着设备移动灵活性差以及环境不美观等缺点，特别是滑动和滚动取电方式还带来了大气高频电磁污染(接触火花等)、机构磨损和大电流载体不安全裸露等影响环境清洁问题，同时给安全供电和环境安全问题带来了很大的影响。尤其要指出的问题是非可靠接触产生的电磁火花对于有些特殊场合(如含易燃易爆气体的厂矿、生产车闻等)极为不利，可能给生产活动带来重大灾难。以采矿业为例，在2002年中由于接触取电产生的电火花而导致的各种矿难事故死亡人数占整个工矿企业事故死亡人数(12554)qb的46％t“，电能直接传导的另一个问题是由于接触火花对周边环境产生的高频强电磁干扰。事实证明，随着人们生活以及生产活动范围的扩大，传统的导线接触式电能传输模式已经不能满足生产和生活的要求，人们追切地需要一种新型的电能传输技术来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。针对从固定电力系统向移动用电设备的供电问题，新西兰奥克兰大学Boys教授为首的课题组率先研究并实现了基于电磁耦合原理实现电力能量传导的技术，产生了感应耦合电能传输技术(InductiveCoupledPowerTransfer)【2】{3】，简称为ICPT技术。这是一种基于电磁耦合与感应原理，综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术(包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等)，借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电网向移动设备的非接触传输技术，由此诞生了一种非接触式电能传输模式。基于ICPT原理的非接触式电能接入技术是用电设备向固定电网系统获取电能的一种全新模式。它的出现彻底改变了几百年来人们仅仅依赖于采用接触式电能传导方式的用电设备取电模式，实现了非接触式电能传输。此外，这种供电方式的另一个重要意义是对其环境的亲和性：一方面，它可以在非常恶劣的环境下运行，不受环境尘埃、潮湿及化学腐蚀物的影响；另一方面，它本身不对环境形成危害、或释放有害污染，如碳积，废气等。它的出现打破了在化工、工矿、水下作业等特殊行业中电气设备馈电的限制，开拓了如电气化交通、医疗电予和办公家用电器等方面的应用，并带动了相关技术的发展，具有重要的科学意义，较高的实用价值和广阔的应用前景，可带来巨大的经济和社会效益，因此，专家认为，非接触式电能传输技术必将成为现代工业自动化领域的最新的具 重庆大学硕士学位论文1绪论有重大意义的研究方向。1．2国内外研究现状和发展趋势1．2．1国外的现状早在20世纪80年代，E．Abel和s．M．Third就提出了非接触式功率传输概念【4】，以替代利用炭刷或拖线获取电能的方式。进入90年代，该问题引起学术界和工业界的极大关注。新西兰、日本和德国等国家相继投入了一定的技术力量和经费从事该技术及系统的研究和实用化产品开发，经过十多年的发展，并与电力电子电能变换技术与现代控制技术的发展相结合，在理论与应用发面取得了重大的突破。①基础理论研究方面从上世纪90年代以来，新西兰奥克兰大学电子计算机工程系以J．T．Boys为首的团队在此领域作了较为深入的研究，其成员主要有呼爱国博士(PatrickAiguoHu)，GA．Covie，O．H．Stielau．A．W．Green等，他们在IEEE期刊及会议上先后发表了二十余篇论文，对非接触电能传输技术从原理到设计以及在非接触供电轨道车及感应充电等应用方面进行了较为详尽的分析。文献【5】综述了感应电能传输系统的理论与实际设计要点，因为很多实际ICPT系统的耦合效果都是介于紧耦合与松耦合之间，这种情况下，在设计过程中，必须仔细考虑耦合效应以使其对相位或者频率的影响最小。对此文中提出了一种新的初级回路补偿设计方法并在一个非接触汽车电池充电器上进行了验证。文献[6】介绍了ICPT系统的框架。该系统采用初、次级双谐振模式。初级采用推拉式谐振电力变频电路将电力电源的频率提升到10KHz，并在传导介质中产生低畸变和低RFI的高频正弦波电流，从而产生交变磁场，而次级采用开关模式谐振变换器，在交变磁场中感应出电流，并实现电压、电流、频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。本文还对ICPT系统的初级与次级的控制方法作了一定的讨论，并对一个实验系统进行了仿真研究，得到了相应的仿真数据。文献【7】介绍了一种用于150KW移动机构(电动汽车、移动起吊装置等)的多级拾取ICPT系统。该系统初级采用推拉式谐振电力变换电路，次级采用开关模式谐振变换器，实现了从初级到次级的电压、电流和频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。文章对这种系统所表现出来的能量与频率及电路品质因数的关系、最大负载条件以及一定频率条件下的次级拾取线圈的数量等系统参数进行了分析，同时进行了系统相关特性的仿真研究。文献[8】研究了LCL负载谐振逆变器在感应电能传输系统中的应用，详细分析了电流断续模式下系统的功率传输特性，通过使用逆交器和谐振回路之间的功率平衡分析推导了稳态工作情况，理论预测了逆变器工作点并找到串联电感的最优值，2 重庆大学硕士学位论文1绪论分析结果在电动车非接触电池充电器中进行了实验验证。文献[9】研究了松耦合感应电能传输系统的功率传输能力及系统存在的分岔现象。另外，日本KumamotoInstituteofTechnology的HiroshiSakamoto，KoosukeHarada等人也对非接触电能接入技术进行了较为深入的研究，自1992年以来，他们先后在IEEE期刊及会议上发表十余篇论文。文献[10】中研究-J't}接触电能传输系统中负载电压的稳定性。日本东北大学的FumihiroSato等研究了移动机器人的非接触供电技术‘¨1及植入式功能电子仿真模块中的非接触电能及信号传输技术【12】，为人造器官的体外非接触供电以及信息传递进行了理论探索。韩国KyungpookNationalUniversity的ByungchoChoi等研究了手机非接触充电装置的设计与制作，通过采用印刷电路板上刻制的线圈来大大减小初、次级线圈的体积，从而使得次级拾取及整流充电电路部分可以全部内置于手机I”】。美国DeltaProductsCorporation的YungtackJang及MilanM．Jovanovic研究了高性能的非接触电能传输技术，并将其应用到便携式电话的非接触充电中，实现了较高效率和功率密度传输【14】。日本日立研究实验室的HidekiAyano等对电磁能量传输机构的磁芯形状和绕圈的形状及绕制作了较为详细的研究【151；Byeong-MunSong等比较充分的研究了电磁机构的E·I型结构对耦合率的影响【16】；美国的R．L．Steigerwald等对选择磁芯材料给出了依据071：日本H．Sakamoto论述了提高耦合电感及减少涡流损耗的问题【坤】。文献[19]针对电动车的非接触电能传输系统设计提出了一种新的观念和充电方案，文章重点设计采用了一个基于软开关的谐振变换器，使系统初、次级耦合间距在10毫米，能达到较高效率的传输。由此可看出国外对非接触电能传输技术已逐步展开，不断提出新的概念，新的理论，新的设计，不断完善系统的供电性能，不断优化改进磁耦合机构，以及不断开发新的应用领域。②实例化产品研究开发情况。新西兰奥克兰大学Boys教授为首的课题组在九十年代初就制作出了多个实验装置，并与多家公司合作开发出相应的产品。早在九十年代前期，课题组就与日本大阪富库公司合作开发出单轨行车“Ramrun”系列，已成功应用于许多材料运输系统中。该系列中的单轨行车，导轨线圈长130m，导轨线圈电流70A，拾取线圈长220mm，可有效实现750W功率的传递。该课题组研制的用于Rotorua国家地热公园的30kW感应电动汽车，现已安全运行约4年。另外课题组还研制出利用非接触式电能接入技术的新型道路照明系统，并且已经应用在新西兰的部分高速公路和隧道中。德国Wampfler公司在非接触式电能接入技术的研究和产品开发上取得了很大的成绩，主要产品分为感应供电和感应充电二类。BMWAG公司部分汽车装配车 重庆大学硕士学位论文1绪论间的自动化装配线的搬运系统采用了该公司的产品来实现电能供应，装配线总长170m，导轨电源的额定功率为60kW。2003年lO月，Wampfler公司和意大利EPT合作研制的短途电车运行成功。该电车在行驶到终点时，埋在地下的充电站自动对汽车电池进行非接触方式充电。2005年在上海光大会展中心举办的第十届中国国际物料搬运与物流技术展览会上，Wamplfer公司展示了其最新的非接触式充电产品。日本的Junjihirai等人提出无线传输功率和信息(WTPI)技术，即能量、信号同时传输。利用该技术，他们研制出一种用于电动汽车和移动机器人的智能充电系统，其传输效率较高，数据传送的频带宽度能达到8．5MHz，可辨识电池类型，实时反馈或监测电池端电压、充电电流和温度，并且能实时调整充电电压和充电模式以达到最优充电效果。2004年，日本精工．爱普生公司开发了用于笔记本等嵌入式设备供电的非接触式电能传输模块，当线圈轴心偏差保持在2mm以内工作时，电能传输效率最大可以达到74％，已经试制完成了功率达IOOW的产品。英国Splashpower和美国MobileWise公司主要从事非接触式电能接入技术的小型化应用，在赌城拉斯维加斯举办的2003CES(国际消费电子产品)展上，二家公司展出了无线充电器等相关产品。2005年lO月在日本的东京举行的CEATEC消费类电子产品展上Splashpower公司展示了最新研制的可用于多电器充电的MultiSplashPad产品，目前，日本的NTrDoCoMo和美国的苹果公司已经表示出了相当浓厚的兴趣。近年来，德国研发出一种内植遥感勘测装置，用于监测内植医疗辅助设备的状态。该装置接收线圈采用镍锰铁高导磁率合金40L，功率小，频率低(3．5～4．5kHz)，可实时非接触传递能量和数据。另外，日本奥林巴斯医疗系统公司研制了一种用于检测消化道的“胶囊内窥镜”，“胶囊内窥镜”尺寸为直径llmm、长26mm，接收线圈内置胶囊里面，由外晃磁场提供胶囊活动所需能量。还有，北卡罗来纳州立大学电子计算工程系等研究机构开发出一种眼睛内神经刺激器以弥补视网膜功能缺陷【20】。但由于非接触式电能接入技术的若干关键理论和技术尚未得到彻底解决，尚处于实用化技术开发和技术产业化的初级阶段。由此可见，国外在非接触式电能接入技术产品的研发上已经取得一定进展，并逐渐进入市场。毫瓦级的生物体内装置，由于其应用领域的特殊性(需要着重考虑装置的可靠性、生物电磁效应和电磁机构材料的生物适应性)，目前还处在研究阶段，需要进一步开发研究。1．2．2国内研究现状目前，国内对非接触式电能接入技术及装置的研究比较薄弱，更无成熟产品可言。国内在该领域的研究起步较晚，西安石油学院的李宏在2001年第2期的《电气传动》上发表了一篇综述性文章。香港城市大学的s．Y．Hui、H．Chung和S．C．Tang4 重庆大学硕士学位论文1绪论等人研究了非接触式电能接入技术及微型化应用，如手机充电器等。近年来中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国内杂志上发表了几篇文章。文献【21]研究了可分离变压器传输能量的非接触电能传输系统，通过分析可分离变压器的工作特性，得出了影响传输功率的几个因数，并给出了采用串联谐振式逆变器和可分离变压器优化绕法的实验结果。文献[22]描述了非接触电能传输系统系统中出现的频率分岔显现，提出了一种在频率分岔现象下的次级并联补偿电容选择方法，得出了使用该方法选择的并联补偿电容能使系统传输效率显著增大。文献[23】对非接触电能传输系统稳定性进行了分析，建立了系统电磁耦合结构的互感模型，对系统中采用各种初、次级补偿拓扑所带来的系统稳定性进行了较深入的研究，得出了要保证系统的稳定性，零相角谐振频率必须是唯一的，并给出了仿真数据。上述主要对非接触电能传输系统的可分离变压器、系统稳定性及出现的非线性现象等部分理论进行了分析，但在全系统的建模理论方面特别是基于软开关的系统建模理论及输出稳压控制等方面还没发现相关研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外“非接触式电能接入技术”相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯(Pro．Boys)教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu(呼爱国)博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破【20]4241，【25】，[261，[271。课题组先后获得重庆科技计划项目和重庆自然科学基金重点项目支持(3项)。在国内核心科技期刊和国内外重要学术会议上共发表学术论文十余篇，申报发明专利3项，并多次在科技竞赛中获奖。戴欣博士在《单轨行车新型供电方式及其相关技术分析》文中，详细分析和探讨了非接触电能传输技术应用在单轨行车系统中存在的工作频率的选定、多负载控制、效率特性、谐波影响等问题，并给出了相应的解决方案；在《广义状态空间平均法在CMPS系统建模中的应用》文中，建立了系统的平均化模型，并应用于系统中对其性能进行了分析研究；在发表于《自动化学报》的《自治分段线性振荡系统的离散映射数值建模与稳定性分析》一文中，对系统中出现的非线性特性进行了详细探讨，并推导出了用于判断系统周期闭轨稳定性的Jacobian矩阵求解模型，对系统稳定性进行了分析，得出了系统的稳定条件，为非接触电能传输系统的研制提供了理论依据。杜雪飞在《非接触式移动电源新技术》文中，对非接触电源系统原理及实现的关键性问题进行了研究。在系统频率稳定性方面，王智慧同学探讨了次级拾取回路分别为并联调谐和串联调谐模式时对初级主回路工作频率的影响，并于2005年在《电工技术学报》上发表了论文《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》，5 重庆大学硕士学位论文1绪论提出了在初级主回路中并联附加相控电感电路，运用动态调谐方式实时调节回路固有谐振频率。1．2．3非接触感应电能传输技术的发展趋势非接触电能传输技术是一项新技术，涵盖功率变换技术、现代控制理论、电磁感应技术等。它与其他新技术一样，非接触电能传输技术的发展也面临着很多的挑战。非接触电能传输技术的理论基础是功率变换技术、非线性电路理论等，工程应用中的技术限制也制约着非接触电能传输技术的发展，如无源器件和有源器件的电压和电流定额等问题。另一方面，社会经济效益和环保问题也是非接触电能传输技术应考虑的一个重要方面。如何降低非接触电能传输技术的成本，提高电能变换效率、减小电磁干扰也是在实际工程应用中必须考虑的问题。此外，不断提高功率等级、系统稳定性和可靠性，增加电磁机构拾取级磁芯的气隙也是非接触电能传输技术中需要解决的重点和难点问题。非接触电能传输系统的研究正在向大容量、高效率、低成本、大气隙、高稳定性等方向发展【28】。1．3课题研究的目的、意义及主要内容1．3．1研究目的本文研究的目的就是在紧跟国际前沿趋势的前提下，整理和消化国内外相关技术资料。研究非接触电能传输系统电磁机构的相关特性，通过仿真、实验等手段，寻求电磁机构的优化设计方案，为提高非接触电能传输系统电磁机构能量传输效率和传输功率容量提供设计依据。1．3．2研究意义在非接触电能传输技术中感应祸合环节的功率传输效率是整个系统中的重要环节，由于大气隙的存在使得感应耦合很低，从而成为影响整个系统功率传输效率提高的一个瓶颈。因此本文对非接触式电能接入技术中的电磁机构进行深入研究很有价值。1．3。3主要内容对非接触电能传输系统来讲，感应耦合部分属松耦合方式，要增大感应耦合的能力，必须提高系统工作频率，选择合适的电磁机构和参数，但在很多情况下，电磁机构参数要受到具体应用的限制。目前，非接触电能传输系统的研究多集中在变换器技术的改进上，通过改变变换器结构来达到提高效率的目的。但对于分析电磁机构的感应耦合能力、稳定性等问题方面还没有太多的论述。因此本文在继承前人工作的基础上，分析比较了常用的非接触电能传输系统的电磁机构的结构参数、原副边线圈位置变化、磁芯材料等对耦合性能的影响，得出了相应的结论，对电磁机构的优化设计可以起到一定的指导作用。6 重庆大学硕士学{i)=论文1绪论本文对非接触电能传输系统电磁机构研究主要内容是，简单介绍了非接触电能传输技术的国内外研究现状和发展趋势，指出了本文研究目的、研究意义以及研究内容；较为详细的介绍了菲接触电能传输系统的的组成部分，重点介绍了电磁机构特点及能量传输特点；对非接触电能传输系统中电磁机构的种类进行了简单介绍，重点论述了非接触电能传输系统中电磁机构的材料特性、磁路特性、祸合特性以及能量特性等；对非接触电能传输系统中常见的电磁机构进行分析研究，重点研究的是影响电磁机构互感耦合的因素，利用MAXWELL软件仿真这些因素对互感耦合的影响程度，得出了互感耦合随影响因素变化的关系；在理论分析的基础上，用实验方式进一步研究这些影响因素对互感耦合的影响以及对感应压的影响，从而可以推断出对系统功率传输的影响；最后总结了研究的实际价值，明确提出了对CPT系统电磁机构研究的实际贡献，并指出需要进一步研究的内容。1．4小结本章对非接触电能传输技术进行了较为详细的综述，研究了国内外在这项技术方面的现状，经过分析论证，明确了论文研究的方向，即对非接触电能传输系统的电磁机构进行研究，并提出了该项研究的目的、意义及主要研究内容。 重庆大学硕士学位论文2非接触电能传输系统介绍2．1引言一般的移动设备供电都是通过采用“拖线”传输方式或滑(滚)动接触取电方式，如前所述，通过这种能量直接传导模式来为移动设备供电会带来安全隐患、环境污染及电磁污染和不便等一系列问题。非接触电能传输技术主要利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术，借助于现代控制理论和微电子控制技术，实现电能从静止电源系统向移动用电设备以非接触方式传输。能量直接传导模式和非直接传导模式(非接触电能传输模式)的比较见表2．1。表2．1供电方式及其特点比较Tab．2．1Methodsandcharacteristicsofpowersupply供电对象固定设备移动设备传导能龟直非直接传导能量直接非直接接传导模式传导模式模式具体实导线+非接触式电拖线滑(滚)动蓄电池非接触式电能现连线器能接入模式方式接触方式供电接入模式多点多点接接触高频电磁体积能特触的不的不污染(接触量比大设备移动灵活可靠性美观可靠火花)成本不受环境影响大方性过高点机构磨损不污染环境染不美观移动不安全裸充电时免(低)维护灵活露导体间长性差非接触电能传输系统的上述优势注定了它具有广阔的应用前景，该技术及其装置将会在电气设备的电能供应中广泛使用。由于非接触式电能传输系统造价昂贵以及传输功率和效率受距离的限制等问题，此项技术的研究及其产品应用仍处在起步阶段。这为我国研发该技术及其装置提供了一个很好契机，如果现在开始加紧研发其相关技术及产品，就可以在较短的时间内赶上国际先进水平，缩小与发达国家在此领域的差距。另外，国家计划在“十五”电动汽车国家重大科技专项中为研发投入8．8亿元人民币，这为我们提供了一个很好的契机发展非接触式电能传输技术在感应充／供电方面的应用。关于非接触电能(或能量)传输有许多不同的名称：非接触电能传输技术(Contact．1essElectricalEnergyTransmissionTechnique，CEET)[14l；非接触能量传 重庆大学硕士学位论文2非接触电能传输系统介绍输系统(ContactdessEnergyTransferSystem，CETS)【29】；非接触供电(ContactlessPowerSupply，CPS)t划；感应耦合电能传输(InductiveCoupledPowerTransfer，ICPT)Jail，以前称为感应电能传输(InductionPowerTransfer，IPT)【321；无线传输电能和信息(Wire．1essTransmissionofPowerandInformation，WTPI)[331，这个名称有一个附加的含义：非接触地同时传输电能和信息。其实，这些称呼只是文字上的不同，其本质都是基于电磁感应耦合原理来实现电能的非接触传输。本文所述的非接触电能传输系统可表示为contactlesspowertransformationsystem，在后文中简写为CPT系统。2．2CPT系统的基本原理非接触电能传输技术是通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的一项新颖技术。该技术利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术，借助于现代控制理论和微电子控制技术，实现了从静止电源系统向移动用电设备以非接触方式的电能传输。电[至匦叵]封囹孵[匦匦]蓟囹感应耦合图2．1非接触电能传输系统的原理框图Fig．2．1Principleschemeofcontactlesspowertransfersystem一种典型的非接触电能传输技术的原理框图如图2．1所示，利用交流工频电源作为非接触电能传输系统的能量供应源，可采用市电或三相工频交流电源，具体情况根据系统实际容量需求合理的选取，2．1图中选取了三相工频交流电源。工频电源经过整流滤波环节后向高频逆变电路提供平稳的直流电流，该电流经过逆变电路后在初级导轨线圈中产生高频交流电流，即就在导轨周围产生了高频交变的磁场，次级拾取机构通过空气隙以松散磁感应耦合方式在磁场中拾取电能产生感应交变电动势，该交变的电动势经过交一直或交一直一交变换和功率补偿与调节后变换成负载所需的电源给其供电，从而完成了整个非接触电能传输过程。通常一路导轨线圈可为多个拾取线圈供电，实现多负载的同时供电。非接触电能传输技术与传统的电源供电技术相比最大的优势就是能够实现电9 重庆大学硕士学位论文2非接触电能传输系统介绍能的非接触传递，而实现这一过程主要是通过初级导轨中的高频交流电流向次级通过空气隙辐射电磁波的形式实现的，可等效地看成一种松耦合变压器，初级导轨线圈与次级拾取机构有较大的空气磁路，这也是与传统变压器之间的区别。根据磁路的欧姆定律和安培环路定律，考虑到空气的磁阻远大于磁芯的磁阻，因此磁路的磁动势降主要分布在空气磁路上，随着空气磁路磁阻的增加，就需要在初级导轨线圈中产生较大的激励电流，而激励电流的增大一方面会增大电磁机构的体积和质量，另一方面会降低电磁能量传输机构的传输效率。为了提高系统的电能传输效率，减小器件的体积，提高功率密度，就需要在电磁能量传输机构的初级导轨线圈中通过高频电流，通过高频化来提高整个系统的功率密度，减小器件体积，提高电能传输效率。因此需要在初级回路加入整流及高频逆变环节，提高电磁能量传输机构的初级导轨电流频率，达到减小系统体积、提高系统的传输功率密度和效率的目的。2．3CPT系统的基本结构本论文所介绍的非接触电能传输系统主要由两大部分组成(见图2．2所示)，一部分是电能变换与发送电路，又称初级电路，其功能是实现电源能量变换并产生用于能量传输的高频磁场，它由整流滤波电路、高频逆变电路和导轨线圈(高频载流电缆)组成。另一部分是可在一定范围内沿导轨线圈移动的能量拾取电路，又称次级电路，其功能是实时拾取能量并进行相应的电源变换输出，它主要由拾取机构、整流滤波电路以及功率补偿与调节器组成。两个部分相对独立(无机械、电气连接)但又通过磁场耦合具有能量相关性。整个非接触电能传输系统的基本结构如图2．2所示。⋯．塑絮粤暨⋯⋯⋯⋯⋯⋯．交电图2．2非接触电能传输系统的基本结构图Fig．2．2Structureofcontactlesspowertransfersystem经过初级功率变换电路将工频电源，转换成为基本恒定的高频交变电流，该电流流过导轨，在其周围形成高频交变磁场；拾取线圈通过电磁感应及耦合产生感应交变电动势，再通过功率调节器，将能量转化为负载所需的形式，然后向用电设备提供电能。10 重庆大学硕士学位论文2非接触电能传输系统介绍2．3．1电磁能量传输机构电磁能量传输机构是初级电路与次级电路耦合关系的桥梁，它由初级导轨线圈和次级拾取机构组成，初级导轨线圈是高频电流的载体，此高频电流用以在导轨周围产生高频交变磁场，向拾取线圈发射能量；拾取机构扮演的是“能量收集者”的角色，它利用电磁感应原理，从导轨电流产生的交变磁场中感应电能，并提供给其后的电能变换器，它的状态决定着整个系统的性能。根据系统的实际情况，考虑到移动电气设备的移动性要求，电磁结构必须有利于负载灵活性的要求，因此我们在初级回路采用单匝线圈作为导轨线圈，而次级拾取机构的线圈与磁芯可根据实际需求设置。电磁机构的结构原理如图2．3所示，左边为原理框图，右边为具体剖面图，导轨线圈通过支架固定，E型磁芯的拾取机构可沿导轨线圈灵活滑动，当然也可以是U型或环形磁芯。导轨线E形7磁芯拾取线圈图2。3电磁机构的结构原理图F碴．2．3stmctIl∞schematicofelectromagnetismoutfit选用E型或者u型磁芯，保证了装置灵活性的要求，但由于大气隙的存在，使得磁阻大大增加。又由于原副边是通过电磁耦合来传输能量的，因此大气隙的存在，使得原副边的互感耦合也大大降低，严重制约了系统功率传输的效率和传输容量，这是一对非常突出的矛盾体。从目前可查阅相关文献可以看出，为了改善这一矛盾体，几乎所以的作者都是通过改善发射电路与拾取电路的拓扑结构以及优化品质因数来提高传输效率或传输容量的，鲜有作者对电磁机构进行深入的研究，即使有对电磁机构有所研究，也是局限在气隙不太大的情况下进行研究。因此，本文对大气隙的电磁机构进行特性分析与仿真研究，对突破制约系统传输效率和传输容量会起到积极的作用。非接触电能传输技术的发展趋势力也是逐渐朝大容量，大气隙方向发展，从本文的研究方向来看是很有研究价值的。在已查阅的文献中，对非接触电能传输系统电磁能量传输机构的研究通常是借鉴变压器的原理来进行分析的，但二者之间又有很大的差别。变压器通常情况下气隙非常小，在工程范围内是可以当作理想变压器来处理的，其电流电压关系与匝数是成反比或者正比关系；但非接触电能传输系统由于在保证系统的灵活性 重庆大学硕士学位论文2非接触电能传输系统介绍等优点，电磁机构必然存在较大的空气气隙，此时再用变压器的相关关系来分析显然不再适用。因此文献[33[21]等把这种存在较大气隙电磁机构看作是松耦合形式，利用耦合原理进行分析，这种分析更接近非接触电能传输系统电磁机构本身的情况，因此被广泛的用来进行分析研究。文献【3】中分析了传输的功率容量与原边电流的大小，交流品质因数以及原边的自感大小有关系，更为重要的是与原副边的互感系数有关，而影响互感的因素包括原副边线圈的相对位置、磁芯特性、副边线边的匝数、副边绕线方式有关系。因此，本文把研究电磁机构原副边问的互感耦合作为一个重要研究内容，以期从中发现一些有借鉴意义的规律。2．3．2能量拾取与输出电路由于拾取机构与导轨线圈间的距离总是处于一种随机变化状态，导致拾取线圈中的感生电动势幅值也不断发生改变。因此，由其形成的电压源不能直接驱动负载，必须经过整流、滤波、稳压等环节，才能以稳恒电压源的形式给负载提供稳定、有效电能。同时为了改善负载性质，使其在初级回路的反射阻抗呈纯阻性，提高系统的传输功率和效率，需在整流前加入一个功率补偿与负载阻抗匹配控制电路，能量拾取电路原理如图2．4所示。负载图2．4能量拾取与输出电路原理框图Fig．2．4Principleschematicofloadpick-upsandOuqmt上图中稳压调节器必须能够适应负载动态变化，保证能在各种情况下向负载提供稳定和高效的能量供应。其次为避免多负载供电时功率传输阻碍现象的发生，稳压调节器必须能在合适的时候对拾取线圈进行解耦，以保证导轨部分对其它拾取负载的有效能量供应。2．4小结本章对非接触电能传输技术作了简要介绍，从总体上描述了非接触电能传输系统的基本结构，重点描述了该系统中电磁能量传输机构，并剖析了与电磁机构能量传输有相关性的能量拾取与输出电路。12 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析3．1CPT系统电磁机构概述非接触电能传输电磁机构在非接触式电能传输系统中是非常关键的部分，通过它才能实现电能的非接触传输。CPT系统的电磁机构在原理上与常规变压器有相似之处，都是应用电磁感应原理实现电能从电磁机构的原边到副边的变换。常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势主要分布在铁芯磁路部分，而铁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器磁阻较小，需要的励磁电流也较小。但在CPT系统中的电磁机构原副边是分离的，存在较大的空气介质，原副边处于松耦合状态，磁路中有较大气隙的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，使得CPT系统电磁机构漏磁较大，耦合系数不高。这种结构对非接触电能传输系统的传输效率和传输容量有着较大的影响【33】。因此优化非接触电能传输系统电磁机构成为众多研究人员研究的重点内容。3．2CPT系统电磁机构分类及特点非接触电能传输系统电磁机构作为非接触式电能传输系统的关键机构，有多种不同的实现形式，但其共同的特点是原边线圈与副边线圈通过松耦合的形式来传递电磁能量。根据非接触电能传输系统电磁机构原边和副边的运动状态，可以非接触电能传输电磁机构分为三类”“⋯。：(1)静止式原边和副边保持静止；(2)滑动式原边和副边处于相对滑动状态，主要用于有轨电车，磁浮列车等交通运输领域。(3)旋转式利用电磁传输能量不受转速的影响，原边和副边保持旋转状态。3．2．1静止式非接触电能传输电磁机构在某些场合，需要采用一种相对静止的非接触式供电方式，如对于人体内植式医疗电子设备，如各种电气设备的电池充电、各种小型家电手机、笔记本、PDA等非接触式供电等，如图3．1所示。这种电磁结构的共同点是原边、副边没有相对运动的场合。静止式非接触电能传输电磁机构目前常采用两种结构类型，～是用无铁芯的形式，另外一种是采用有铁芯的结构，这种结构通常是利用一个或者两个E型、u型、C型磁芯进行非接触式电能传输。 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析图3．1静止式非接触电能传输Fig3．1Staticcontactlesspowertransformation3．2．2滑动式非接触电能传输电磁机构滑动式非接触电能传输电磁机构适用于原、副边线圈具有相对滑动豹情况，它解决了现代移动电气设备的灵活性供电需求，实现了对移动电气设备在运动中供电的功能。这种电磁机构通过原、副边线圈的相对滑动来实现电气设备运动中的非接触式供电。根据这种电磁机构的特点，其原边线圈通常做成导轨形式，即原边线圈匝数通常为一匝，副边线圈通常做成多匝的形式绕在某种磁芯上面与负载相连。根据实际需求，滑动式非接触电能传输电磁机构可以做成0型、U型、E型、EI型等结构，如图3．2所示。本文结构我们实际研究的非接触电能传输装置，主要分析U型和E型电磁机构的特性以及对这两种电磁机构的相关仿真研究。(8)(b)【c)‘d)图3．2滑动式非接触电能传输Fig．3．2Slidingcontacflesspowertransformation3．2．3旋转式非接触电能传输电磁机构在非接触电能传输系统中，电能的传输是通过电磁感应原理来实现的，根据电磁机构传输能量不受转速影响的特点，电磁机构原边和副边可以保持旋转状态。因此非接触电能传输系统电磁机构也可以做成旋转式，如图3．3所示。14 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析原边宣捌边菘底座转向图3．3旋转式非接触电能传输Fig．3．3Rotationcontactlesspowertransformation3．3非接触电能传输系统电磁机构材料特-性分析在非接触电能传输系统中，只要以实现系统的灵活性为目的的电磁机构，它们在结构上都具有一定的共性，那就是主磁路中有一段较长的空气磁路。由于空气磁阻的存在，使电磁机构整个磁路磁阻磁大，因此负载要得到相同的感应电压，就必须提高原边磁动势或者增大磁芯体积以改善磁通密度不足的现象。若构成磁路的磁芯材科选择合适，不仅有利于集束磁通，而且还有利于减少磁元件的体积，有利于电磁机构的传输能量的大功率化和体积小型化。本部分重点分析非接触电能传输系统的u型滑动式电磁机构和E型滑动式电磁机构的磁芯材料特性3．3．1电磁机构磁芯材料特性分析在非接触电能传输系统中，电磁机构采用的是松耦合的感应方式，因此原、副边存在比较大的漏感，为了减小整个装置的体积，提高系统的能量密度，因此这种系统必须工作于较高的频率下，目前所采有的工作频率一般是从lOKllz到1000KHz。工作频率提高能有效减小整个装置的体积，减小绕组匝数；随着绕组匝数的减小，绕组的铜损也相应的减小。频率提高，使得磁芯中的损耗随着频率的上升而大大增加。因此选用一款合适的磁芯显得十分重要。由于软磁材料应用范围广，可根据不同工作条件对软磁提出不同的要求，但有其共同的要求，可以概括为以下几点嘲Ⅱ”3：①磁导率要高⑦要求具有很小的矫顽力狭窄的磁滞回线@电阻率要高④有足够大的饱和磁感应强度风⑤磁损耗要小@居里温度要高通过分析常见的软磁材料，粗略来看，铁氧体、铁镍软磁合金、非晶合金三种 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析软磁，都能够满足非接触电能传输系统电磁机构要求的磁性材料的需求，但从总体性能上面来讲，非晶合金的各项指数总体优于其他软磁材料。在非晶合金中，分为铁基合金、钴基合金、铁镍基非晶合金、超微晶合金、宽恒导磁合金等几种。铁基非晶合金的饱和磁导率夙(1．4T～1．8T)，磁芯损耗比较低；钴基非晶合金磁导率极高，矫顽力极低，高频损耗也小，但饱和磁感应曰。(0．5T～0．8T)比较低，且价格昂贵。铁镍基非晶合金参数介于铁基和钻基非晶合金之间，中等饱和磁感应强度，较低的磁芯损耗和很高的磁导率。超微晶合金综合了所有非晶合金的优异性，高的磁导率(105)，高饱和磁通密度(1．2T)，低比损耗以及良好的温度稳定性。因此仅从性能上考虑，铁基微晶是最优的磁性材料。它广泛的用于高频变压器、谐振电感和滤波电感磁芯等。因此在非接触电能传输系统中也可能采用这种磁性材料。超微晶铁芯与一般的铁氧体铁芯的基本参数比较如表3．1所示。表3．1超微晶磁芯和铁氧体磁芯基本参数比较㈣Tab3．1Comparationbetewwntwodifferentmagneticofthecore基本参数超微晶磁芯铁氧体磁芯饱和磁感戍强度(T)1．200．5剩余磁感Br(T)(20Knz)～O．20～0．20铁损(20KHz／0．2T)(w／Kg)47．5铁损(201珏lz／O．ST)(W／Kg)<35铁损(50KHz／0．5T)(W／Kg)≤50导磁率∥(20KHz)～2000矫顽力Hc(h／m)≤1．606饱和磁滞伸缩率A，(10_6)24电阻率(脾’cm)80106居里温度(。C)570150超微晶材料是用非晶合金再处理而获得得的直径为10～20纳米的微晶金属，由表3．1分析可见，采用超微晶软磁材料作为CPT系统电磁机构的磁芯时，在高频情况下工作温度范围内(80～1209C)有以下几个特点：①高饱和磁通密度和高的饱和磁感应强度，高的最大磁导率和初始磁导率，有利于减小绕组的匝数并且适于高频运用。@在高频段降低了铁耗从而降低了整个CPT系统的损耗，有利于提高了系统的整体效率。16 重庆大学硕士学位论文3稚接触电能传输系统电磁机构特性分析④有较高的居里点，高的电阻率和优良的机械强度3．3．2电磁机构绕组特性分析非接触电能传输系统为了保证副边结构的灵活移动，电磁机构的原边必须具有较长的原边绕组，为了能够让能量传递给负载，绕在磁芯上的副边绕组通常与负载相接，通过磁场耦合实现能量的传递。在高频电路中，随着频率的增加，高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应，加之有其他寄生电感、电容等的影响，将大大的损害电路性能，效率降低。因此，在组成电磁机构绕组材料的选择以及绕组的正确绕制是减小这种损害的必然方法。此处重点说明组成电磁机构绕组材料的选择依据。研究表明，高频电流的集肤效应意味着导线的有效截面积减小，工作频率越高，交变电流的实际电阻也越大[341，因此，在选择电流密度和导线的直径时，应充分的考虑到高频集肤效应引起的铜线实际有效截面积减小量。它可用穿透深度D来表示即高频集肤电流沿导线的表面穿透到圆心的径向深度为：△=(3．1)式中cO=2zf是角频率，I．J是铜线的导磁率，y是铜线的电导率。可见高频电流的穿透深度是随着不同的工作频率、铜线导磁率和电导率而变化的。表3．2给出了不同频率下铜导线的穿透深度的对应关系(部分)表3．2频率与铜导线的穿透深度对应关系表Tab3．2Relationbe',tweellthefrequencyandthepenetratedepth工作频率f(KHz)穿透深度△(nlm)工作频率f(KHz)穿透深度A(册)50．9346250．4080100．660830O．3815150．5396350．3532200．4673400．3304集肤效应从频率范围和结构类型来讲，最有效的是看作涡流效应⋯1。在高频状态下，由邻近导体电流产生的涡流可以看作是邻近效应。这两种效应的存在都对CPT系统电磁机构的能量传输有着不可忽视的影响。研究表明，大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大，经常采用的方法是用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。如果是两根导线代替一根，细导线的直径是d=D／√2。D是单导线的直径。单导线穿透截面积为zdA．两根并联导线的穿透面积为√2万矗△，增加了4176，据此原理，可以采用多根细线绞合的励兹线，这样就可以有效减少集肤交流和邻近17 重庆大学硕+学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析效应的影响。值得注意的是，因利兹线是相互绝缘的细线组成，操作时容易折断和末端焊接不良，容易引起损耗加大，甚至出现奇怪的音频噪音和振荡。分析可知，利兹线一般用于50I(Hz以下，很少用到IOOKHzⅢ3。在我们的实验装置中也曾出现过这样的现象，因此系统工作期间电磁机构出现这样的不明音频噪音或者振荡时，就可以有目的的检查是否是因为励兹线的绕制引起的。3．4CPT系统电磁机构磁路特性分析3．4．1磁路基本原理及磁路欧姆定律由磁场基本原理知道，磁力线或磁通总是闭合的，磁通和电路中电流一样，总是在低磁阻的通路流通，高磁阻通路磁通较少。所谓的磁路是指凡是磁通(或磁力线)经过的闭合路径都称为磁路【34】【351。电路中有电路的欧姆定律，同样，磁路中也有磁路的欧姆定律。西_-_。●Ib'图3．4环形电感磁芯及磁路模型Fig．3．4Circleinductivemagneticcoreandmagneticcircuitmodle如图3．4所示，在一环形磁芯磁导率为Ⅳ的磁芯上，绕有N匝线圈，环的截面积是A，平均磁路长度为，。在线圈中通入电流I，在磁芯建立磁通。假设环的内径与外径相差很小，环的截面上磁通是均匀的。根据安培环路定律H：!掣考虑磁通公式西：B．一和磁场强度公式H：旦，有：∥，=M=脚=罟=上pA，=纸(3．2)“式中，F=NI是磁动势，而如=÷，民一称为磁路的磁阻，与电阻表达式相似，“A正比于路的长度，，反比于截面积A和材料的磁导率／a；其倒数称为磁导，可用如下表达式表示： 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析表示瓯=瓦／=孚(3．3)上式即为磁路的欧姆定律，在形式上与电路欧姆定律相似，可以将二者用表3．3表3．3磁电模拟对应关系表Tab3．3Comparationbe“㈣1magneticcircuitandelec口ocircuit磁路电路磁动势F电动势E磁通中电流1磁通密度B电流密度J磁阻也：l／p_电阻R=l／yA磁导吒=pA／I电导G=yA／I磁压降虬=HI电压U=1R磁路仅在形式上将场的问题等效成路来考虑，它与电路是不相同的。值得注意的是，磁路计算是近似的，为了得到较精确的结果，应根据静态磁场分布作出合乎实际的等效磁路，本文就是根据这一方法建立等效磁路的。3．4．2环形无气隙磁芯磁场及磁路对于线圈均匀环绕在环形磁芯上的等效磁路如图3。钺a)所示。这种环形磁芯线圈由于是紧绕在磁芯上的，励磁线圈产生的磁通几乎全都集中在磁芯中，漏磁通非常少，因此磁芯中各个截面的磁通基本上是相等的，形成的等效磁路如图3．40)所不o3．4．3环形有气隙磁芯磁场及磁路①0型与C型磁环的磁场比较在CPT系统中，为了保证电磁机构的灵活性，所选用的磁芯机构基本上都是开口较大的磁芯，为进一步研究这种磁芯磁路的问题，我采用了对比研究的方式来研究环形有气隙且原边导线在环形磁芯中央的电磁机构磁场分布及如何简化磁路。在图3．5中给出了甲、乙、丙三种情况的磁通分布仿真图，甲、乙、丙三图中的小圆圈表示的是通电导线，流过导线的电流为I=30A，O型磁芯和C型磁芯选用的材料是超微晶合金材料；三图中OA、OB、OC、OD四条短线均从环的中心开始，我们将从这四条短线上取出一些磁通密度值来进行比较分析。甲图表示的是通电导线紧密缠绕在O型磁芯上，乙图表示的是通电直导线置于。型磁芯的中央；丙图表示的是将通电导线置于c型磁芯的中央，环的内径为2cm，环的外经为3cm。19 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析(a)(b)(c)图3．50型磁芯与C型磁芯磁通分布图Fig．3．5MagneticfluxdistributingofOsRalctureandCstractttrc利用MAXWELL2D仿真平台仿真出这三种情况下磁芯中的磁通分布如图3．5所示，将OA、OB、OC、OD四条线上的磁通密度值取出便可得到图3．6中所示的曲线卜V∞趟铀翟檀=：：：麓麓：甜．=；：；糍：；：：：嚣器：A一《、、、、～、o√＼＼4≮)⋯／0■日距离r(cm)图3．6磁通密度与径向距离的关系Fig．3．611Ⅺrelationbcl'lvccnmagneticfluxdensityanddistanceofradiusdirection图3．6中曲线A表示导线紧绕在0型环上时OA线上的磁通密度值B的大小，通过对A线的分析可以看出，从环中心O处到环内径处这段距离的磁通密度很小，在磁体内部的磁通密度较大，磁芯外径之外的区域磁通密度很小。分析发现，磁环中的磁通密度的平均值可达0．96T，从环中心到内径间的平均磁通密度值仅为7x10-3T，由此可见，磁芯中的磁通密度约是O型磁环内部可移动空间磁通密度的137倍，因此，在考虑磁路的简化时，我们完全可以忽略掉在O型磁芯内部空间所产生的漏磁通。正因为如此，对于导线紧密环绕在磁芯上的绕线方式，可以视为没有漏磁通的理想情况来处理，这种磁芯的磁路结构如3．3．1节中图3．4Co)所示。若与Ⅲ懈㈣!量㈣Ⅲ㈣呱㈣ 重庆大学硕士学位论文3菲接触电能传输系统电磁机构特性分析原边绕线对应的另一侧绕有副线圈，则这种情况即为一种理想变压器的情况，在分析电压、电流、功率关系时时可以用变压器的匝比关系进行处理。图3．5(b)图也是CPT系统经常选用的电磁机构，其中心的导线是原边通电直导线作为励磁源。研究图3．6中的曲线B我们可以看出，从通电导线所处位置到O型环的内径处磁通密度的变化与A线所示的情况差别很小，但在磁环体中的的磁通密度值比对应的A线所示的磁通密度值还要大，相对来讲，B线所示的漏磁通的情况比A线所示的漏磁通的情况还要小。从这个角度来讲，图3．5(b)所示的电磁机构的磁路结构同样可以与图3．5(a)图所示的磁路结构等同。图3．5(c)图是CPT系统最常用的电磁机构之一，磁芯开口主要是为了避免处于高频磁场中的磁芯饱和带来的各种负效应。从图3．6中曲线C和曲线D可以看出，由于气隙的存在，通过磁芯中的磁通密度大大减小，这是由于磁芯气隙的存在，使得嵌入磁芯的气隙磁阻大大增加导致的。根据前面比较磁通密度的方式，分析可知C线0．2～2cm段磁通密度平均值为3．0x10-2T，C线2．05～2，95段的磁通密度的平均值为1．55x10一T，后者仅是前者约5倍，相比而言，这种情况下的漏磁通非常大。按照同样的方式来判断，D线所示倍数关系比C线所示的倍数关系还要小，因此，对于开口磁芯的情况，在开口处漏磁通是非常严重的，在对其进行磁路简化的时候漏磁阻必须考虑在内。②C型磁开口处气隙磁导的计算在3，3．1节中讨论过，磁路与电路有非常相似的地方。我们对电路的分析已经非常熟练了，因此，可以用处理电路的方式来处理磁路的问题。在进行磁路的简化时，对于有气隙存在的磁芯，由于漏磁比较严重，空气磁阻也比较大，对这两方面进行磁路简化是磁路分析当中的重点，也是难点。对漏磁和空气磁阻进行精确的计算是相当困难的。前人在反复实践的过程中对一部分比较典型的磁路总结出了一些经验公式，同时也提出了一些处理空气磁路的基本方法，如解析法、分割法等。解析法虽然可得到比较精确的数值，但是解析建模的过程是比较复杂的，同时用解析法所产生的计算量也是巨大的，对于工程应用来讲实际意义不大，在实际应用中很少用到解析的方式来分析空气磁阻。在分析空气磁阻的过程中用得比较多的是用分割的思想。分割法的思想是把空气磁路分割成可以计算磁阻的几个磁通管(如柱形，球形，球壳等)，分别计算出这些磁通管的磁阻后，然后根据串并联知识计算出相应的总磁阻p”。对图3．5中的丙图可按照磁路基本理论和分割法思想将其分为如下几个部分来进行处理：(1)磁芯部分的磁路；(2)气隙部分的磁路；其中以2部分为重点和难点，下面分别加以研究：如图3．7所示，设c环的内半径为矽h半径为R，C环的厚度为d．空气磁导率为风，磁芯的磁导率为P。气隙的距离为仃，磁芯中的磁路长为t。o2l 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统屯磁机构特性分析图3．7C型磁芯的磁路示意图Fig．3．7Ma舭eticcircuitofCstructuremagneticc0∞根据磁阻计算公式可得，磁芯的磁阻为：，倪。=∥二A￡(3．4a)4其中t：—2ft下．(R-r)一盯(3．4b)lIl二二，对于气隙为盯的气隙磁阻，采用分割法来求解。分割法的实质是根据磁极间气隙磁场分布的规律利用理想化的磁力线把气隙磁场分割为数个磁通管，使每个磁通管中的磁力线尽可能相同，并且将磁力线加以理想化，各磁通管分界处的磁力线可看作直线或看作圆弧，从而使得到的磁通管的几何形状简单，然后分别求出各磁通管的磁导或磁阻，再通过这些磁通管的串并联，求出各个气隙的总磁导。这种方法适应性较强，比较灵活，各种不同的磁极形状都可以使用，而且可以考虑到整个气隙磁场的空间性。只要能根据气隙磁场中的磁力线的分布规律，正确加以分割，并选择合适的计算公式，其计算结果的准确程度足以满足工程计算上的要求。图3．8C型磁芯气隙磁通管的剖分示意图Fig．3．8DivisionofairgapmagneticfluxtubeinCstructure 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析对于C型开口磁芯的气隙磁阻的求法，可根据上述要求进行相应的分割。在图3．8中画出了磁通线在气隙周围的大致分割情况，图3．9中的a、b、c、d、e五个图是将分割的部分分离出来的几形状，下面分别针对这五种情况求出其空气磁导。-卜-尺一，——一卜：了_—I_一矗一，—+}(d){[二]》(b)④p(d)小冬V⋯!≮A肌中图3．9几种不同的磁通管Fig．3．9Severaldifferentmagneticfluxtube(a)矩形(b)；圆柱体(c)；空心圆柱体(d)；球体(e)；球壳(a)Rectangle(b)；cylilld日(c)jI1一⋯"nder(d)；Sphere(e)；Chondrite若击和喊嚣(莩R-r)．d黼B，，若击和≯渊嚣博棚税：A：地—————乙———￡(3．6)K值根据情况来取值，取值范围为0．37～1．0，若是厚边K----0．37，若是薄边K=1．0。式中硒=4rcxl04H／m对图(b)：是由直径为仃，长度为R一，或者长度为d的半圆柱空气柱，这种形～盯一f-．上丫～胍争盯T丁． 重庆大学硕七学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析状的空气磁导为：A(6l畏．，=0．26／Zo(R一，)和AⅢ=0．26／10d图(c)为空心圆柱体，这种情况的空气磁导为：‰一，-硒等掣和‰。胁嚣其中lm表示离开某一磁极端面09距离如图3．8所示。当or<3m时，磁导公式变为：‰一，一鳓等吣争和％，Uod石1n(1+争图(d)为一个四分之一球体，这种情况的空气磁导为：A{d)=0．077uo盯图(e)为四分之一球壳，这种情况的空气磁导为：ACe)=心詈所以最后C型环空气气隙的空气磁阻为：(3．7)(3．8)(3．9a)(3．9b)(3．9c)(3．9d)“，(3．10)(3．11)Ag=∑Ai=A【。)+2(A‘6×^吖，+A(6)d)+4(Ad+A。)(3．12)oC型磁芯的磁路在3．3．1节的论述中我们知道磁路与电路有相似之处，为了研究问题方便，我们习惯将磁路的问题转化为电路的问题来考虑。根据克希霍夫定律，可将c型开口磁芯有负载与无负载的两种情况分别用路的思想来考虑。图3．10是只有原边通电导线存在的时候的情形，近似考虑在开口处的气隙磁通与磁芯的的磁通相等即西。=中。，根据3．3．2分析，结合参考文献[3611371等可画出其等效磁路模型如图3．111所示，其中吼。为漏磁阻，孵。=—L。’Az 重庆大学硕十学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析幽3．11圈3．10的等效磁路Fig．3．11EquivalentmagneticcircuitofFig3．10若将副线圈附在C型线圈上，则此时的结构图及磁通分布示意图如图3．12所示，按照克希霍夫理论，可将图的等效磁路画为如图3．13所示，其中啦。：为原边导线的漏磁阻，m。为原边电流产生的漏磁通；m，：为副边线圈的漏磁阻m，：为副边电流产生的漏磁通。若气隙比较大且孵．》9t。，可以忽略掉吼，。V●--_盯●●--A图3．12有负载的C型开口磁路Fig．3．12LoadofCstructureopeningmagneticchcuit 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析N●N212图3．13图3．12的等效磁路Fig．3．13EquivalentmagneticcircuitofFig3．12对开口磁芯来讲，由于气隙磁阻比磁芯磁阻大得多，因此磁芯材料特性的非线性被气隙的线性“湮没”了，因此我们可以把它当作线性的电路来考虑，这也是我们可以用路的思想来处理这种问题的理由之一。3．4．4CPT系统U型磁芯磁场及磁路在3．3．3中对C型开口磁芯进行了研究，重点研究了对气隙磁导采用分割法来进行计算，如果将C型磁芯的开口继续增大，就可以演变为u型磁芯。分割法可以针对不同气隙进行分割，分割成可以计算的气隙形状来计算气隙磁导，我尝试用分割法来研究U型磁芯的气隙磁导。图3．14为原边励磁导线处于u型磁芯的中央，副边线圈绕制在u型磁芯的底端时的磁力线仿真分布图。若忽略两臂末端侧面漏磁通以及磁体外表面的漏磁通，根据分割法思想，可将U型磁芯两臂开口末端的磁通分割成如图3．15所示的形状。图3．14磁力线仿真图Fig．3．14Simulationofmagneticfluxline 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析图3．15U型磁芯磁通剖分图Fig，3．15DivisionofmagneticfluxinUstructuremagneticCOle在忽略掉U型磁体外表面的漏磁通以及磁芯两臂末端边缘的漏磁通的前提下，可将两臂末端问的磁通理想分割成如图所示的a、b、c三种情况，这几种磁通形状都是在3．3．3节中有过论述。a图是直径为c长度为b的半圆柱体，图b为直径为e+2a厚度为b的半圆环，图c为u型磁芯两臂间的磁场区域，一般情况认为这个区域的磁场为匀强磁场，m为磁臂末端沿磁臂的距离，e为两臂间的距离，b为磁臂的厚度。(c)图3．16几种不同的磁通管(a)；圆柱体(b)；垫。圆柱体(c)矩形Fig．3．16Severaldifferentmagneticfluxtube(a)；Cylinder(b)；Hollowcylinder(c)e．Ⅸtangle图(a)为半圆柱体的空气磁导可表示为：A。=O．26pob(3．13)图b为二分之一空心圆柱体，其空气磁导可表示为： 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析At,=／'／o_0．_64b(3．14a)一+l当c<3m时，表达式应为：A。：风皇Hl+玛(3．14b)图c所示为匀强磁场区域，其空气磁导可以表示为：。：风丝(3．15)A1。=风——(3．则u型开处的空气总磁导为：A。=A。+A6+A。(3．16)空气磁阻为：瞰。2石1下面计算u型磁芯的磁阻：设磁芯的磁导率为u，磁芯各边的长度如图所示：则磁芯中的磁路长度可以表示为：‘=d-e／2，，2=c+口，磁通穿过的面积为‘=ab，是=eb，所以，磁阻可表示为：9t=∥!三掣aD+∥半eo(3．17)当原边导线中通以电流I时，导线周围也会有漏磁通mJlo当磁通穿过副线圈时，会在副边线圈中产生感应电流厶，从而会在副边周围产生漏磁通①，：。忽略其他次要因素，利用磁路的概念，U型电磁机构可以等效为如图3．17的磁路：麓五图3．17图3．15的等效磁路Fig．3．17EquivalentmagneticcircuitofFig3．15N423．4．5CPT系统E型磁芯磁场及磁路在CPT系统中，E型磁芯是最常用的一种磁芯，其原因之一是装配比较方便，绕线灵活，可以提供满足负载需要的电感量。根据E型磁芯等截面原理，一般情况 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析是E型磁芯两上边柱的截面积之和等于中柱截面积，线圈一般绕在中柱上。图3．18E型磁芯磁力线仿真图Fig．3．18SimulationofmagneticfluxlineinEstructuremagneticcore图3．19E型磁芯尺寸结构Fig．3．19DimensionofEsl／llcturemagneticCOle在E型磁芯的两个开口处的磁通管的剖分方法与U型磁芯开口处的剖分方法相同。值得注意的是在中柱处的磁通管的划分仍需要做近似处理，从图3．18可以看出，中柱的末端的磁力线呈散开状态，在进行磁能管的划分的时候把它考虑成两个U型磁芯的合并来考虑，即只要通过中柱末端的磁力线都会通过所划分的两个磁通管中。因此开口处的空气磁阻与3．3．4节中讨论的相似，在此不再作论述。考虑磁芯的磁阻时，依然忽略磁体表面附近的散磁通。磁通的平均磁路如图中虚线所示，因此有：‘=毛=华(3．18a)和t2=_a+-d+c(3．18b)磁通穿过的截面积为：气=ab，s2=(f—e)b，53=db=2ab(3．19)则各段的磁阻可表示为：％=∥妄=∥等(320a) 重庆大学硕士学位论文31F接触电能传输系统电磁机构特性分析耻∥≯揣nz㈣耻∥熹=∥等(320c)用磁路的概念，可将E型磁芯的磁路简化为如图3．20所示的图形，其中的吼。为开口处的空气磁阻。这时的磁路等效图是将E型磁芯的磁通是按照理想情况来处理的。若要作一些近似精确的处理，还必须考虑原边导线的周围的漏磁通和副边线圈周围的漏磁通，如3．3．3和3．3．4中的处理方式。侣那样的结果是使问题更为复杂。图3．20E型磁芯的等效磁路Fig．3．20EquivalentmagneticcircuitinEstructuremagneticco∞3。5CPT系统电磁机构耦合特性分析在进行非接触电能传输系统电磁机构的设计时，要对电感值及耦合值的进行尽可能准确的计算，电感包括自感L和互感M，它们只决定于回路的形状和几何尽寸、周围介质的磁导率以及导线匝数和电流在导线截面上的分布。互感与各回路的相互位置有关。导线截面上交变电流的分布特性既决定于导线材料的磁导率和电导率，也决定于电流的频率。因此，在交流下，导线或回路的自感和互感与频率有关，各线匝截面上电流分布的不均匀性，对线圈互感的影响很小，主要对线圈自感有一定影响。互感耦合与初、次级匝数有关，与绕组的几何形状，周围的磁性材料以及它们之间的相对位置有关，它反映了初、次级之间的耦合能力o“。3．5．1CPT系统电磁机构的耦合原理分析在功率变换电路中，常采用变压器模型来描述原、副边绕组的耦合关系。这种模型适用于变压器原边和副边紧密耦合的情形，原、副边电压满足匝比关系，其漏感通常可以忽略不计。互感模型是另一种描述原、副边绕组耦合关系的电路模型。互感模型使用感应电压和反映电压的概念来描述原、副边绕组的祸合关系。感应电压和反映电压都通过互感来表达。非接触电能传输系统电磁机构的祸合性能较差，处于松耦合状态，原、副边电压不满足匝比关系。因此用互感模型来表示CPT系统 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析等效电路模型更为适用㈨㈨。图3．21CPT系统互感耦合模型Fig．3．21Mutually-couplingstructureofCPTsystem图3．2l给出了现在我们研究的非接触电能传输系统基本的互感耦合结构模型。在进行互感模型的功率计算时，两个重要的参数为开路电压吃和短路电流L，根据电路原理可得：开路电压：吃=jcoMIi(3．21)‘一原边导线的电流，国一电流的角频率，M一原副边间的互感耦合值。短路电流为：k：孥(3．22)乜厶一副边线圈的电感。因此理论上无补偿的最大功率可以表示为：己：吃．L：∞娶矸(3．23)屯若考虑实际电路存在补偿的功率品质因素Q，输出功率可表示为：P：Q．吃．L：12．oJ掣r二矸(3．24)乜从3．24式可以看出，CPT系统的传输功率除与频率、原边电流、副边电感有关外，还与原副边间的互感耦合的平方成正比，由此可见，若能有效提高互感耦合系数，则传输功率将会显著提高。3．5．2OPT系统电磁机构原副边自感互感的计算在CPT系统中，为了保证与拾取机构相联的负载能够灵活的移动，因此，作为励磁源的原边导线通过有较长距离，若拾取机构磁芯为U型、C型或者O型磁芯，则励磁源导线通常为单根直导线；若拾取机构磁芯为E型，则励磁源导线通常为平行的导线。①单轨导线的自感计掣341载流导线总是闭合的，包围的面积越大，磁链y越大，电感就越大。一段导线是总自感的一部分。设导线长度为l(cm)，直径为d(cm)，磁导率为∥，则低频电感可表示为： 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析厶：2／(m警一0．75)x10。(日)(3．25)a如果导线长度很短(，<100d)，则可在括号内增加一项d／21。对数百KHz的中频，对式3．25最大有6％的误差，这在工程上是完全允许的。②两根平行导线电感两根平行导线如图3．22，电流从一端流进，从另一根流出。平行导线长为，(，，1)，导线直径为d(珊)。呻一d．一}■一d}÷一◇⋯⋯⋯⋯·◇一i·∈_———一以———一图3．22平行导线Fig．3．22Pamlldwier导线的自感为：￡：41(1n雩-一旦)×10—7(H)(3．26)“‘在本文研究的CPT系统中，就是采用的上述两种方式作为原边励磁导线的，因此以上两种方式可以作为计算原边导线自感的公式。在实验过程当中，我们通常是采用实验仪器测量相应的自感值，这样既准确，又省时。@带有气隙的高磁导率磁芯电感当电感线圈有磁芯时，因磁芯的磁导率比周围空气的磁导率高得多，磁通被限制在磁路中。即使磁导率磁芯在磁路中开有气隙，散磁发生在气隙附近，其它部分散磁较少。磁芯线圈电感存在两种情况：一是磁芯磁导率较低，磁芯一般没有气隙的闭合磁路；另一类是磁芯磁导率很高，磁路中带有气隙。在本文研究的CPT系统电磁机构中，采用的是u型磁芯和E型磁芯，并根据前面的磁性材料的特性分析，磁芯材料应该选择高磁导率的磁芯。由于磁性材料在频率较高和温度较高时，磁导率是非线性变化的，这使研究与磁性材料有关的闯题变得复杂很多。为了使研究问题倾于简单，因此我们认为磁芯磁导率是不随频率及温度的变化而变化的。现在以图3．23所示的开口环来研究磁芯电感的问题。如图(a)所示，环上开有一个气隙万，则开口磁芯的气隙的等效磁路图(b)所示。 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析(8)(b)图3．23带气隙磁芯及等效磁路Fig．3．23Magneticco∞withairgapandequivalentmagneticcircuit则线圈的电感为：三=Ⅳ2i二_(3．27)足+兄、7式中R2等z彘舡去如果R《岛，上式可近似为L=N2G，式中G考虑边缘散磁的气隙磁导。对于u型磁芯和E型磁芯的磁路，在CPT系统磁路特性分析中已有所论述，如果将U型磁芯和E型磁芯的气隙磁导带入上式，可以作出相应的计算。关于U型磁芯和E型磁芯的气隙磁导的粗略计算，参见3．4节CPT系统磁路特性分析。在工程实验中，为取得磁芯电感值，通常情况下也是利用仪器直接测量得到相应的数值，然后代入相关的计算公式进行计算。④原、副边线圈的互感理论上互感耦合与初、次级匝数无关，只与绕组的几何形状，周围的磁性材料以及它们之间的相对位置有关，它反映了初、次级之间的耦合能力。目前，只有不多的文献对互感的计算有所论述，但都是一些经验公式，不同的结构、不同的磁芯材料、不同的形状都会对互感耦合起着非常大的影响作用，因此无法列出一个统一的关系式。本文在研究CPT系统的互感时，也只是根据互感原理，利用仿真平台对CPT系统的电磁机构的耦合情况作定性的分析。3．6CPT系统电磁机构能量特性分析磁性元件是CPT系统电磁机构中最重要的部分之一，因为它决定了整个系统的效率以及尺寸。通常磁性元件在CPT系统中扮演着变压器、耦合器、和电感的角色，因此这磁性元件的损耗数值就成为该系统设计与研究最重要的参数。因此，分析电磁机构磁性元件能量损耗成了CPT系统设计必不可少的一项工作。磁损耗由两部分组成：磁损(又叫铁损，指磁性材料的损耗)和铜损(指线圈 重庆大学硕士学位论文3菲接触电能传输系统电磁机构特性分析中因流过电流而产生的损耗)。以下将分别讨论CPT系统电磁机构中这两部分损耗的情况，重点讨论磁损的相关内容。磁性材料在交流磁化过程中，因消耗能量发热，理论上磁性材料损耗功率(P)由磁滞损耗(E)、涡流损耗(￡)和剩余损耗(只)组成：P2只+只+只(3．28)①磁滞损耗磁性材料在交变磁场中，由于磁场的不断变化，磁性材料中的部分或全部磁畴转动发生相互摩擦而产生的热量，从而使磁芯发热，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗可以用磁化曲线来形象的表现，研究表明【34】：磁芯损耗的能量正比与磁滞回线所包围的面积，也就是说磁化磁芯在一个周期内，单位体积的磁芯损耗的能量正比于磁滞回线所围的面积(如图3．24)，这是一个不可恢复的能量。因此，频率越高，损耗功率就越大，若磁感应摆幅越大，包围的面积越大，损耗也越大。因此在考虑磁芯时，注意其磁滞回线，最好是两线包围的面积要小。嚣4努≯{～≤《》。k‘}幺图3．24磁芯的磁滞损耗F辽3．24}Fs'c盱e五slossof托喀mtieCOre@涡流损耗在磁芯线圈上加上交流电压时，线圈中流过激励电流，根据电磁感应律可知，会在每一匝线圈上面产生感应电动势U=Ⅳ(却／疵1(·)，因磁芯材料的电阻率不是无限大，因此会在磁芯周边产生一定的阻值R，感应电压为会产生感应电流￡，因此会产生涡流损耗eR。从(·)式可以看出涡流损耗与磁芯磁通变化率成正比，频率提高是通过磁通变化率来影响涡流损耗的。当绕制在磁芯上的线圈中流过电流时会在线圈表面上产生集肤效应，由3．2．2分析可知，集肤效应的穿透深度将会随着频率的变化而变化，当频率较高时，穿透深比磁芯的厚度大得多，因此可以水考虑集肤效应带来的影响。研究表明，涡流电阻取决于磁芯材料的截面尺寸和电阻率，为了减少涡流效应，通常将低电阻率的磁合金做成带材。从3．2．1节分析可知，超微晶合金是理想的磁芯材料，这种超微晶就是由带状材料压合而成的。④剩余损耗 重庆大学硕士学位论文3非接触电能传输系统电磁机构特性分析剩余损耗是由于磁化驰豫效应或者磁性滞后引起的损耗。所谓驰豫是指在磁化或者磁化过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个“时间效应”便是引起剩余损耗的原因。从以上分析可知：在交变磁场中磁芯单位体积(重量)能量的损耗既取决于磁介质本身的电阻率、结构形状等因素，又取决于交变磁场的频率和磁感应强度的摆幅△巩。磁芯损耗可以用以下公式来表示【34】：片=r／SO彰V(3．29)其中叩一损耗系数，．厂一工作频率，吃一磁芯幅值磁感应强度，矿一磁芯体积。岱和多分别为大于1的频率和磁感应损耗指数。口z1．5～1．7，∥*2～2．73．7小结本节简单的介绍了CPT系统电磁机构的分类和特点，对CPT系统电磁机构的材料特性、磁路特性、耦合特性以及能量特性进行了系统的分析，特别是对磁路特性、耦合特性进行了全面深入的分析，为深层次认识CPT系统的磁路特性和耦合特性提供了强有力的理论依据。 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究4．1OPT系统电磁机构互感耦合仿真理论依据CPT系统的电磁机构的电感参数一般通过磁路的方法和有限元的方法进行计算。使用磁路的方法进行计算时，通常忽略漏磁通，并假设每段磁路上磁通处处相同，这种方法在磁路上必须是不存在气隙，或者当气隙横截在积远大于气隙长度时，可以获得较满意的结果。当磁路上存在较大的气隙时，漏磁通不能忽略不计，使用磁路的方法进行计算误差较大，需要利用有限差分和有限元等数值法来解决p9】。根据电感存储能量的关系，可求得自感和互感：岛：簪：皿．耳，dE2(330)埔，为自感：i#j，为互感其中，％一同时与导体i和导体j相链磁场手中的能量；卜导体i中的电流；虿为导体i中流过1A的电流时磁场的磁通密度；巧为导体j中流过电流1A时的磁场强度。为求得曰和日，需要进行静磁场分析。静磁场的基本微分方程为：Vx(vVx一)=J(3．31)其中，v=二为介质的磁阻率，，为电流密度，4为矢量磁位。∥采用有限元计算方法，将3．31的边值问题转化为等价的能量泛函极值问题【捌，然后离散化求解，得到j，由磁通密度否：V。j，磁场强度面：旦，可以求得场中否∥和万的分布。4．2MAxWELL2D开发环境介绍MAWELL2D啪][4”仿真平台是一款专门用于电磁场仿真的软件，该软件的最大特点是可视化操作，交互式设置，同时该软件的处理速度快，有限元单元格剖分合理，计算结果精确，可以大大提高工程计算的速度与效率。MAXWELL2D主要是针对平面进行分析，可分别对静电场、静磁场、热量场、涡流场进行分析，还可以进行暂态分析、受力等方面进行分析。在静磁场求解模块中，最大的～个特点就是用户可以根据自己的需要往材料库中添加需要的材料，这样大大减少了工程设计中依赖实物实验方式所带来的弊端，从而可以方便的选择需要的材料进行对比研 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究究。在AXWELL2D使用过程中，必须特别注意选择合适的求解模块，正确的确定模型比例、设置合理的参数、明确需要研究的区域以及后处理中选择需要的结果。本文即是在该软件的静磁场状态下进行仿真分析的。4．3CPT系统u型拾取机构互感耦合仿真与分析4．3．1u型拾取机构仿真模型及仿真方案设计我们以图3．14所示的u型磁芯跨轨结构为研究对象来研究它的互感耦合情况，副线圈绕在其中的一个磁臂上。为了更全面的研究影响拾取机构互感耦合的因素，设计如图4．1所示的实验研究方案。该方案中选取四个因素作为白变量，一个自变量是磁性材料，方案中选择铁氧体材料和超微晶材料两种不同磁导率的磁性材料；另一个自变量是原边导线的位置，此自变量的变化用参数a、b来表示它的移动情况，为方便研究，只在U型磁芯内部可移动空间内选择12个离散点(如图4．2)进行研究；第三个自变量是副线圈的尺寸，该尺寸包括副线圈的绕制长度和绕制厚度两个方面；第四个自变量是副线圈在磁臂上的位置，该位置又分为副线圈在磁臂末端、中部、底端三个不同位置，用参数c来表示它的位置变化。当研究其中的一个自变量对互感的影响时，保持其余参数值不变。相对避导串12呻q的趋徽晶树辩替线謦密井律绕(增加长度，图4．I仿真方案Fig．4．1SiⅢl撕∞plan捌缱瞳d．I壁硅芯麓融臀￡的位置在Maxwell2D仿真平台中，在几何建模器中建立如图4．3u型拾取机构，本次针对U型拾取机构的研究就根据图示标注进行的。甲星一甲佩 重庆大学硕十学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究L●图4．2U型磁芯两臂间可移动空间离散点分布Fig．4．2DispersepointdistributingbetweentwoarmsofUstructuremagneticcore图4．3Maxwell环境下建立的几何模型Fig．4_3GeometrymodlebuildedinMaxwell4．3．2扫描参数变量的确定利用M^)(、ⅣELL2D进行仿真时，从理论上讲能够对研究方案中的各个因数进行连续的仿真，但这样做的结果是仿真步数特别巨大，仿真耗时也非常长，对工程仿真来讲实际意义不大。因此我们选取了有代表性的几个点来进行仿真研究，仿真结果代表了某一个参数对仿真结果的影响趋势，对工程研究有一定的指导作用。因此确定动态扫描参量是本仿真研究的关键步骤，根据实验方案提到的研究因素，选择原边导线位置、副边线圈位置及副边线圈长、宽作为扫描参数，各参数起始数值及结束数值变化情况如表4．1所示。 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究表4．1仿真参数变量变fiatTab4．1Variableofthesimulationparameter参数名称表达式参数变量原边导线在磁芯两臂问l的横向距离％勺‘iⅦqa(Fl、2、3)原边导线在磁芯两臂问IqO—b’勺b(醅1、2、3、4)的纵向距离。10副线圈位置q’。i吩一’l。c(c=o、I、2)副线圈位置c6c心H吃畸)副线圈厚度c7“副线圈长度白cs4．3．3U型拾取机构磁通分布及磁矢分布图从3．2．1节电磁机构磁性材料的特性分析中我们可以看到，从理论上分析，最理想的磁性材料是超微晶合金。因此我们在实验当中首先选用了这种材料来作仿真分析。当原边导线通过电流I=10A，副边线圈绕在u型磁芯一个磁臂上时，通过仿真可以看到U型磁芯磁体内和周围的磁通分布图如图所示3．14所示。图4．4为磁通密度的矢量图，其中箭头的长短代表了该处磁通密度的大小，箭头方向即为矢量的方向。图4．4磁通矢量图Fig．4．4MagneticfluxvectorB4．3．4互感耦合最大值的分析根据仿真设计方案，当原边导线在U型磁芯中上下左右移动，副线圈在在u型磁芯的一个磁臂上移动，副线圈的长度和厚度在改变时，将各参数变化的仿真步长相乘，便可以得到对应的仿真结果，将仿真结果与对应的仿真步骤统计出来，可以得到如图4．5所示的一个图。 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究仿真步数图4．5互感耦合与仿真步数的关系Fig．4．5Relationbetweenmutualinductacecouplingandsimulationsteps从上图可以看出，当原边导线在移动、副边线圈移动、副边线圈的长度和厚度在变化时，可以获得最大的互感耦合值。将最大值部分的值放大后可得如图4．6所示的图形。仿真步教图4．6图4．5最大值部分放大效果图Fig．4．6MagnifiedeffectofthemaxpartinFig4．7对照参数扫描步骤发现，当参数a=3，b=l，c=0，cl=4，c2=10时原副边线圈的互感耦合值最大，此时原副边在U型磁芯上的相对位置如图4．7所示，这为我们确定最佳磁芯尺寸以及最佳线圈位置提供了参考。 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究进f^蛙i制图4．7最大互感值对应的几何结构Fig．4．7Geome仃ystructureofthemaxmutualinductivecoupling4．3．5原边导线位置对互感耦合的影响当副边线圈长度和宽度以及位置确定，原边导线在U型磁芯两臂间可移动空间内上下左右移动时，原边导线位置变化对互感耦合的影响曲线如图4．8所示。薯V坦簪嘲参数a图4．8互感值随原边导线横向移动的关系图Fig．4．8Relaitonbetweenthemutualinductivecouplingandthepljmarywirelinelandscapeoriendtationmovmctlt从图4．8中可以看出，副边线圈处于u型磁芯磁臂底部(即c=0)，导线在u型磁芯内部某一高度(即b值不变)，导线横向移动对互感耦合值的影响不大；当导体在u型磁芯内部可移动空间内左右不移动(a不变)时，导线越靠近磁芯开口处(b越大时)，互感耦合值越小。4．3．6副边线圈位置对互感耦合值的影响当原边导线的位置确定(参数a、b不变)，副边线圈在磁臂上的位黄发生改变(即参数c变化)时，原副边线圈间互感耦合值随参数c变化的仿真结果如图4．9所示。41 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究从图4．9可以看出，当原边导线在u型磁芯内部空间某一位置不动时，副边线圈越靠近u型磁芯磁臂的末端(c值越大)，则互感耦合值越小；当副边线圈在某个位置不动(c不变)时，原边导线距离u型磁芯开口处越近(b越大)，则原副边线圈间互感值越小，原边导线离副边线圈越远(a越小)，则互感值也越小。图4．9互感耦合值随线圈在磁臂上移动的关系图Fig．4．9Relationbctw∞-nmutualinductivecouplingandseconOarycoilmovmentalongthemagneticam4．3．7线圈长度对互感耦合值的影响当原边通电导线位置及副边线圈位置确定后(即参数a、b、c都确定)，副边线圈长度c8的变化对互感耦合值的影响情况如图4．10所示。从图4．10可以看出，只有当原边导线与副线圈距离最近(a=3)时，互感耦合值会随着副边线圈长度的增加有较明显的变化外，在其他位置副边线圈长度变化对互感耦合值影响不大。当两者距离较近副边线圈在不同位置时，副边线圈的长度增长使互感耦合值有所增大。 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究薯V遥鸳l玎1副线圈长度ce图4．10互感耦合值随副线圈长度变化的关系图Fig．4．10RelationbetweenthemutualinductivecouplingAndthelengthofthesecondarycoil4．3．8磁芯材料对互感耦合值的影响在研究两种不同磁导率的磁性材料对互感耦合的影响时，除磁芯材料性能不同外，仿真的每一步都必须保证其他条件都一样，包括磁芯的尺寸大小相同，副边线圈的长度和厚度相同，对应的原边导线位置和副线圈位置相同，对应两种磁芯材料的仿真结果如图4．11示。建鼍V捌餐l口1图4．11两种材料的互感值比较Fig．4．11Comparationofmutualinductivecouplingbetweentwodifferentmaterial在图4．11中，横坐标表示仿真遍寻的步数，纵坐标表示在不同的仿真步数时所对应的两种磁芯材料获得的互感耦合值。从图4．11中可以看出，当仿真步数值相同 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究时，磁导率大的超微晶材料要比磁导率小的铁氧体材料所获得的互感耦合值要大。因此，仅从这个角度考虑，在选择非接触电能传输系统拾取机构磁芯材料时，应尽可能选择磁导率大的材料。从4．3．3～4．3．8我们可以看出：①在u型磁芯内部空间原边线圈高度位置确定的情况下，原边导线左右移动对互感耦合值的影响较小，导体纵向移动对互感值有较大影响。因此，在实际的装置中原边导线与磁芯间尽量避免产生纵向的相对运动，以确保系统的稳定性。⑦副线圈越靠近磁臂下端，原边导线越靠近副边线圈，互感值则越大。④在原副线圈相隔较近时，副边线圈长度的增加会使互感耦合值有所增大；在原边导线离副边线圈较远时，副边线圈长度的增加对互感耦合值影响较小。④选择不同的磁芯材料对原副边互感耦合值有较大的影响，磁导率越大，所获得的互感值也越大。4．4CPI系统E型拾取机构互感耦合仿真与结果分析在CPT系统中，除了用u型磁芯作为负载拾取机构磁芯外，通常还采用E型磁芯作为负载拾取机构磁芯。在我们的实验系统中就采用了这种磁芯结构，本部分就重点研究E型磁芯处于双导轨通电磁场中时的互感耦合变化情况。4．4．1E型磁芯磁通分布及磁矢图根据CPT系统具体实验系统实际情况，在MAXWELL2D仿真平台中，画出E型磁芯跨双轨的模型图如图4．12所示，在并给平行双轨赋电流值I=10A，磁芯材料赋值为超微晶材料，副线圈选用铜导线并绕制在E型磁芯中柱上面。在MAXWELL2D仿真环境中进行常规处理，画出通过E型磁芯的磁通如图3．18所示，从图中可以看出E型磁芯内的磁通分布情况。图4．13是磁芯中磁矢量分布图，磁矢箭头的长短和疏密可以判断某一区域磁通的强弱，磁矢箭头的方向表明了该处磁场的方向，从该图中也可以直观的判断磁密的大小。图4，12CPT系统E型拾取机构Fig．4．12EmodlepickingupstructureinCPTsystem 重庆大学硕士学位论文4菲接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究图4．13E型磁芯磁通矢量图Fig．4．13MagneticfluxvectorBofEstructuremagneticcofe4．4．2E型磁芯与平行导轨间的互感耦合研究在E型磁芯拾取机构中，E型磁芯跨过两条平行导线，负载与E型拾取机构相连，当导轨固定E型拾取机构随负载移动时，导轨与E型磁芯上的副线圈有相对的运动(上下左右移动)，有可能对互感耦合产生一些影响，为了研究在这个过程中由于相对运动可能对互感耦合的影响程度，特设计如下方案(见表4．2)来研究相对运动地互感耦合的影响程度。在本次仿真方案中，没有改变E型磁芯的长度和高度，ct、c2尺寸的依据是根据实际实验装置中E型磁芯的尺寸来确定的。图中岛表示的时平行导轨在E型磁芯的一个边柱与中柱间的可移动空间移动时距离左边柱内侧的距离，q表示的是平行导轨在纵向移动时距离可移动空间的底部的距离，其坐标方位参考4。15所示。岛表示的是副线圈的底部距离可移动空间底部的距离。q。表示的绕在中柱上的副线圈的厚度，在本仿真实验中，根据实际实验装置选择厚度变化由O．15cm～0．3cm，仿真步长为0．15cm；cl，表示的是副线圈的长度，在本次仿真实验中取值0．6cm～1．8cm，仿真步长为O．6cm。表4．2仿真参数变化表Tab4．2Variableofthesimulationparameter参数名称参数表达式参变量磁芯长度Clq磁芯高度岛乞原边导线在磁芯两臀问1的横向距离c7c72=岛‘口a(a=1，2，3)原边导线在磁芯两臂问c8：；c4西b(b=l，2，3)的纵向距离csj 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究副线圈在中拄上离底端的距离岛岛=三(c4一q。)．c“c=nl，2)副线嘲厚度qoqo副线圈长度91c11r厚度cl。士～阢卜一长瓤。圉=_h—————————一q—————————————一图4．14变量参数示意图Fig．4．14SketchmapofvariableparameterinEstructure图4．15离散点分布图Fig．4．15Dispersepointdistributingbetweentwoai'nls仿真距离尺寸参数变量图如图4．14所示，为了方便仿真研究，在E型磁芯的边柱和中柱间的可移动空间距离内选择了9个离散点(如图4．15)为研究点，平行导线在这个可移动空间内左右上下移动时，研究在这9个点时的对原副边互感耦合的影响。4．4．3副线圈在中柱的不同位置及形状对互感耦合的影响为了研究副线圈在中柱的不同位置以及副线圈的厚度长度变化对互感耦合的影响，我们确定了平行导线处于E型磁芯边柱与中柱间可移动空间中间的某一位置(a-2、b=2)不动，让副线线圈由中柱的最下端开始向中柱末端运动，为了研究I●，●，，●l岛Il●l^ 重庆大学硕十学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究其规律，取三个离散点用参数C来表示(跚、l、2)，同时取副线圈的厚度由0．15cm～0．3cm变化，步长为O．15cm：线圈长度由0．6cm～1．8cm，步长为O．6cm。仿真结果图4．16所示。^Z过V趔镩旧图4．16互感耦合值随副线圈位置及长度变化的关系图Fig．4．16Relationbe时eenmutualinductivecouplingandsecondarycoilandcoilength从图中我们可以得出如下结论：①当副线圈由E型磁芯中柱底部向中柱末端移动时，互感耦合值在C=0～I之间几乎没有发生变化；当继续往末端运动时，互感耦合值在c=1-2区间时(即从中柱的中端向末端运动)，互感耦合值迅速减少，其最大的相对变化率达25％左右。⑦在参数c由1变到2的过程中，即副线圈由线圈中柱中部向中柱末端移动时，互感耦合值变小。当线圈长度增加时，厚度相同的情况下，互感值增大；在长度相同时，厚度的增加对互感的影响很小(图中每组相邻很近的虚线和实线所示)。同时也可以看出，在副边线圈长度一定的情况下，线圈应靠近中柱底部，同等情况下，互感耦合值要大一些。4．4．4原边导线与副边线圈间的相对移动对互感耦合的影响在实际的CPT系统中，当电磁机构随着负载边一起运动时，电磁机构与原边导轨间必定会有相对运动，这种情况下，由于有相对移动，可能会对原副边线圈间的互感耦合产生影响，从而影响到系统工作的稳定性。本节就是仿真研究当相对运动发生时，对原边导线与副边线圈间互感耦合的影响程度。本节分为两个内容：一是研究发生左右相对运动时的情况，二是研究发生上下相对运动时的情况。①原边导轨和副边线圈发生左右相对运动时的情况 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究取一个通常的情况作为研究对象，一般来说，原边导轨是放置在E型磁芯两柱间中闯位置，因此我们取参数变量为b=2，c=l，a=l、2、3时的情况作为研究，同时考虑到副线圈的厚度增加和长度增加，厚度长度的变化情况同4．4．3节当中描述的线圈变化情况相同。仿真研究结果如图4．17所示。金2·8号趔嚣2．752．72．65图4．17互感耦合值与原边导线左右相对运动的关系图Fig．4．17Relationbetwecllmutualinductivecouplingandtherelativemoment(1eftorright)从上图可以看出，原边导轨与副边线圈的相对位置减少时(即参数a由l变到3的过程)，互感耦合值在增大，相对变化率为7％，这种变化在工程学范围内是允许的，也即是说，当原边导轨和副边线圈间的左右移动对互感耦合的影响不会对系统稳定性造成太大的影响，单从这个角度讲在工程学范围系统的稳定性是可以接受。同是也可以从图中看出，当原边导轨与副边线圈保持相对不动时，副线圈的长度的增加以及原度的增加对互感耦合的影响很小，相对变化不超过1％，因此在实际的绕线时，只要满足副边电感的需要，尽量保持副边线圈平绕在磁芯臂上，以提高磁芯的窗口面积，保证原边导线有较大的运动空间。@原边导轨和副边线圈发生平行中柱方向相对运动时的情况在实际的CPT系统中，由于相对运动的存在，原边导轨和副边线圈问有上下的相对运动的可能性是存在的。因此我们也对这种情况作一研究。在本次仿真实验中，取a=2，萨1，t，=l、2、3眉0线圈的变化情况同4．4-3节描述的一样，当b变化时，可得如图4．18所示的仿真结果。从图4．18中可以看出，当原边导轨从E型磁芯两柱间可移动空间底部向开口相对运动的过程中，互感耦合值在减少，相对变化率为45％左右，这种变化是很大的，由此可知，在CPT系统中，尽量避免原边导轨与副边线圈间出现沿平行中柱 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究方向的相对运动。从图中也可以看到，在原边导线与副边线圈相对位置不变时，改变副线圈的厚度和长度对互感耦合值的影响很小，其结论同4．4．4①中描述的相同。3．23．0^2．8趔2．6鸶1廿12．42．22图4．18互感耦合值与线圈上下相对运动的关系Fig．4．18Relationbetweenmutualinductivecouplingandtherelativemovment(upordown)4．5电磁机构磁芯的优化设计思考4．3、4．4节选用了常见的U型磁芯和E型磁芯进行分析研究，因为这两种磁芯已经有大量的成熟产品，使用起来比较方便。但4．3、4．4两节中并没有对磁芯的结构变化对互感耦合值的影响进行研究。因此。本节拟从改变磁芯结构的角度来仿真分析它对互感耦合的影响趋势。图4，19两种不同结构的磁芯Fig．4．19TwodifferentsU'ucturemagneticcore图4．19是在MAXWELL2D环境下构建的两种不同结构的磁芯，两磁芯的材 重庆大学硕七学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分析研究料都选的是超微晶合金，一种是常见的u型结构，另外一种是变异的C型结构，此处我们把它称为类C型结构。在进行结构设计时，保证两种磁芯的磁臂宽度相同，高度相同；保证两种情况--glJ边线圈所绕的位置相同，副线圈匝数相同，所选择的材料相同；原边导线在可移动空间内移动的情况相同，流过原边导线的电流相同；唯一不同的就是结构不同，图4．19(b)图中的开口为lcm。仿真结果如图4，20所示。从图4．20可以看出，在保证其他条件都相同的前提下，仅将图4．19(a)的结构改成4．19(b)的结构，就可以将互感耦合值提高40％左右，由此可见，设计一款结构合理的磁芯，将有助于提高电磁机构的互感耦合，从而有助于改善CPT系统电磁机构的耦合效率。4．19(b)的磁芯仍然保持开口结构，主要原因是为保证在CPT系统中副边拾取机构的移动的灵活性以，同时也保证原边直导线可以方便的从开口处取出。根据前面研究的思路，在参考文献【”】中对磁芯的结构作出了相应的设计，取得了很好的耦合效果。对常用的E型磁芯，也已经有异型的E型磁芯应用到机车上面，参考文献[421[431qa也采用经过设计的磁芯，其结构如图3．2(d)所示。结合仿真效果与成功的应用典范可以看出，在我们实际的实验装置中，可以采用这样的结构作为拾取机构的磁芯，这样会有效的改善整个系统的性能。O钿eou5知^55～是。却毫鹤4～lal35lJ30Ll25‘l仿真步教4．20两种不同结构磁芯的互感耦合值比较Fig．4．20Comparationofthemutualinductivecouplingbel3veendifferent5h'uctureofmagneticcore4．6小结本章基于Maxwell2D的仿真环境，建立非接触电能传输系统磁能转换机构的u、E型仿真模型。基于此仿真模型，研究了影响非接触电能传输系统互感耦合的因素，包括磁性材料、原边导线的位置、副边线圈的绕线方式以及绕线位置等因素。尸<|金 重庆大学硕士学位论文4非接触电能传输系统电磁机构仿真分祈研究仿真结果表明了互感祸合随上述因素变化影响的规律，据此可对电磁机构互感耦合进行优化设计，从面获得最佳的电磁机构设计方案。 重庆大学硕士学位论文5实验结果及分析5．1实验结果与分析4．3节对影响CPT系统u型电磁机构互感耦合的因素作了较为详细的分析，得出了相应的结论。本节从实验角度来作进一步研究。本实验利用已有的CPT小系统实验装置，如图5．1所示，根据法拉第电磁感应定律及功率传输的定义，有用示波器来测量副线圈两端的电压值，从而判断4-3节中的影响因素与互感耦合的关系。图5．1CPT小系统实验装置Fig．5．1EquipmentofCPTsmallsystem本次实验采用了对比研究的方式进行，磁芯材料选择了u型铁氧体磁芯和非晶纳米晶磁芯，副边导线材料选用了铜线和励兹线，副线圈绕线方式采用了紧密绕、重叠绕以及均匀间绕三种方式，绕线位置选择了在磁臂末端和磁臂中间以及在磁芯的横臂上等位置，原边导线的移动选择在U型磁芯两磁臂间可移动空间范围内，选择离散的几个位置进行研究。图5．2是磁芯采用铁氧体和超微晶两种材料时，副边感应电压的分布图线。图中的横坐标表示的是原边导线沿磁芯纵臂方向距离磁芯横臀的距离，导线移动的过程中距离两纵臂距离大致相等，即导线是沿着横臂的中垂线向外移动的(下同)。为了增强可比性，保持两种情况下副边线圈绕的匝数相同，均为lO匝；副边导线材料采用励兹线，绕制方式采用均匀等间距绕制。从图中可以看出，在其他条件均相同的情况下，采用超微晶合金时所获得的感应电压要比用铁氧体时所获得的感应电压要高。 重庆大学硕士学位论文5实验结果及分析4芑出嚣：铂01020304050∞70∞距离Cram)图5．2感应电压与距离的关系Fig．5．2Relationbetweeninductivevoltageanddistance图5．3是针对超微晶磁芯时所作的实验数据曲线，其中图线A、B、C所示副线圈是采用的励兹线，C、D、F图线所示的副线圈是采用单根的铜线，具体情况参见图5．3中的图例。图线A、D表示在匝数相同，绕制方式相同副线圈材料不一样时所获得的感应电压，从图中可以看出，此时差别非常小。图线A、B表示的是副线圈紧绕单层和双层时的感应电压值，可以看出绕单层比叠绕时获得的感应电压要大；图线B、c表示的时单层绕制时采用紧密绕和均匀间距绕的情况，从图中可以看出，均匀间距绕所获得的感应电压大于紧密单层绕时的情况；对图线D、E、F三种情况，与图线A、B、C三种情况类似，故不再此一一表述。￡田2棚基图5．3实验数据对比曲线Fig．5．3Comparationlineofexperimentdatas 重庆大学硕士学位论文5实验结果及分析S。出2智目晦010∞304050OO70∞钟距离【n¨)图5．4线圈在不同位置的感应电压与距离的关系Fig．5．4Relationbetweeninductivevoltageanddistanceaboutthecoilposition图5．4表示的是副线圈紧密绕制在U型磁芯的纵臂上和绕在横臂上的两种情况，两种情况中的不变量是磁芯材料(超微晶材料)、匝数不变(10匝)、绕线方式不变(紧密绕)，变量是绕圈所处的位置。从图线中可看出，当原边导线在离磁芯桥臂(即连接两纵臂间的那部分磁芯)距离较近时，所获得的感应电压值要比绕在纵臂上时的感应电压值要大。从上面几种情况分析可知，在CPT系统中，利用感应原理所获得的副边的电压值要受到磁芯材料的影响、绕线位置的影响、绕线方式的影响等，这些影响直接关系互感耦合值的大小，从而影响到功率传输的大小。因此借助仿真和实验，我们可以初步找到优化电磁机构互感耦合的一些方法，在实验系统装配过程中，将会起到一定的指导作用。在实际的非接触电能传输系统电磁机构中，我们利用现有的u型磁芯和E型磁芯作为电磁机构的核心部分，做成了如图5．5所示的电磁拾取机构。(a)(b)图5．5电磁机构实验装置Fig．5．5Experimentequipmentofmagneticstructure 重庆大学硕士学位论文5实验结果及分析5．2小结本章是实验测量结果的分析，实验结果没有直接计算磁感应强度值及耦合值的大小，而是通过测量感应电压的方式来判断不同的磁芯材料、不同的线圈绕制方式、不同的绕制位置以及原副边相对位置的变化等对耦合值的影响程度，从分析结果来看，实验所得结论与第四章仿真所得的结论是吻合的。． 重庆大学硕士学位论文6结论与展望非接触电能传输技术是通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的一项新技术。该技术利用现代电力电子自E量变换技术、磁场藕合技术，借助于现代控制理论和微电子控制技术，实现了从静止电源系统向移动用电设备以非接触方式的电能传输。它的出现彻底改变了几百年来人们仅仅依赖于采用接触式电能传导方式的用电设备取电模式，打破了在化工、工矿、水下作业等特殊行业中电气设备馈电的限制，开拓了如电气化交通、医疗电子和办公家用电器等方面的应用，并带动了相关技术的发展，具有重要的科学意义，较高的实用价值及广阔的应用前景，可带来巨大的经济和社会效益，因此，非接触电能传输技术及产品开发将成为2l世纪初期电力电子应用最活跃的研究领域之一，也将是工业自动化及能源利用的重点投资领域之一。本文首先系统地介绍非接触电能传输技术与产品的国内外研究现状，简单介绍了非接触电能传输系统的基本原理，分析了非接触电能传输系统的基本结构和各部分功能。然后重点介绍了非接触电能传输系统电磁机构的特性分析，在这部分涉及到了电磁机构的磁性材料特性、电磁机构绕组特性、磁路特性、耦合特性、能量特性等方面，重点介绍了电磁机构的磁路特性，对气隙进行分割计算气隙磁阻，并建立了C型、U型、E型磁芯的磁路简化模型。这一部分系统的分析了CPT系统的电磁机构的拓扑结构以及系统全面的分析了CPT系统电磁机构的特性，这是本论文的创新所在之处。在对CPT系统电磁机构进行仿真研究时，重点研究了对系统功率传输影响较大的因素——互感耦合，这个因素也是制约CPT系统功率传输的一个瓶劲。本文考虑了可能影响互感耦合的几个因素，并设计了一套仿真方案，该方案采用了控制变量的方法，利用MAXWELL仿真平台，对构成CPT系统的U型拾了机构和E型拾取机构做了相应的仿真。本部分也是本论文创新之处。从仿真结果看出，磁性材料对互感耦合的影响比较明显，原边导线的左右移动对互感耩合的影响较小，从而保证了系统功率传输的稳定性。通过仿真研究，可以得到具体结构的最大互感耦合的实施方案，这为实验装置的设计与安装提供了参考。实验部分根据仿真设计的方案，采用了测量感应电压的方式来进一步研究影响到互感耦合的因素。通过实验研究发现，实验结果与仿真结论是吻合的。虽然本文重点论述了CPT系统电磁机构的特性，重点研究了互感耦合的影响因素对互感耦合的影响程度，一定程度上给电磁机构的设计与优化了一些有借鉴意义的结论和思路，但是仍然有进一步研究的必要性和可能性。o在对磁芯进行能量分析时，可以进一步研究电流频率、磁性材料、磁芯体 重庆大学硕士学位论文6结论与展望积等与磁芯能量损耗的关系，找出定量关系，这样更准确知道整个系统能量的耗散与能量传输效率的关系。②本文在对电磁机构的磁芯设计优化思路中仅是对类u型磁芯和u型磁芯做了简单的对比，没有更深入的研究。在磁芯结构的设计方面应该定量研究磁芯的臂的尺寸、开口的大小，磁芯的结构等作一些详细的研究，找到一组最适合的数据，使得磁芯既能够满足CPT系统电磁机构灵活性的要求，又能够保证耦合系数尽可能最大。④本文研究的对象是CPT系统的电磁机构，本次研究没有结合整个CPT系统进行阐述，为了能够更准确全面的研究系统的能量分布，应该着眼于系统整体进行研究。 重庆大学硕十学位论文致谢致谢转眼间，三年的研究生生活就要结束了。在即将结束研究生生活之际，对给予我关心、帮助、支持、理解、宽容的导师孙跃教授表示深深的谢意。感谢孙老师三年来对我的指导和关怀。孙老师深厚的学术造诣、严谨的治学态度、和蔼大度的为人风格对我产生了极大的深远的影响，从孙老师的身上我学到了很多为人处事的良好习惯，也仰暮孙老师宽广大度的胸怀、高尚的人格，孙老师身上的这些气质让我受益匪浅。特别是在课题研究及小论文、毕业论文的写作过程中给予的悉心指导和关怀，我将会莫齿难忘。同时也非常感谢孙老师在我毕业求职的道路上给予的关怀与帮助，正是因为有您的指点，我的求职方向才更明确。在此，谨向导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢!感谢苏玉刚副教授在课题进行期间给予我的诲人不倦的指导和帮助，他渊博的专业知识和宽广的胸怀给我留下了深刻的印象，必将深深影响我今后的学习和工作，使我终生受益。同时也非常感谢苏老师在我的求职路上的悉心指点，你的热情深深的感动着我，你的高尚人格也深深的感染着我，在此，一并深表谢意。在三年的学习和生活过程中，得到了实验室师师兄戴欣、王智慧、李良、陈春平的多方关照，还有相处融洽的同学唐春森、方琳琳、卓勇、王志峰、吴书平、李玉刚，在同他们的相处过程中我也学到很多。以及后来的师弟妹们，与你们能够和谐相处真是一种荣幸与幸福。特别感谢在我论文设计过程中给予我特别帮助的戴欣、王智慧、唐春森，谢谢你们!特别衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!另外还要感谢所有提供文献资料的作者。最后，感谢我的父母、妻子和女儿。在我三年的研究生生活中，是你们给了我巨大无私的关爱。感谢爸爸妈妈的无私奉献、感谢妻子三年的默默付出，是你的支持、鼓励与鞭策让我信心百倍的走在人生路上，感谢天真可爱的女儿，你的健康成长给我注入了强大的活力。你们让我感受到了家的温馨，我将会为家的美好而不懈努力，深深的感谢你们，我的亲人们。张宗明二00七年四月于重庆 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