非接触式电能传输系统的松耦合变压器特性分析

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1、#智能控制技术#韩亚荣熊小娟张琦等非接触式电能传输系统的松耦合变压器特性分析55非接触式电能传输系统的松耦合变压器特性分析韩亚荣,熊小娟,张琦,张峰(钟山职业技术学院机电与汽车工程系,江苏南京210049)摘要:分析了松耦合变压器的特点,利用有限元模型分析了铁芯材料、线圈位置、气隙大小对变压器耦合系数的影响,并通过实验验证了模型的正确性。同时针对原/副边漏感的特性进一步讨论了原/副补偿问题,并给出了具体的补偿网络。关键词:变压器;耦合系数;补偿网络中图分类号:TM401文献标识码:A文章编号:1672-1616(2007)15-0055-04传统的电能传输方

2、式是通过插头-插座等电小范围内变化。连接器实现电能传输。这种传输方式简单、方便,但只适用于小电流传输场合。在大电流传输场合需要结合灭弧装置使用,而且导体裸露在外面,不安全。多次插拔引起机械磨损,接触松动,不能有效传输电能。松耦合变压器(LooselyCoupledTransformer,LCT)是将其原边和副边分开一定的距离,通过磁耦合实现电能传输。非接触电能传输技术利用松耦合变压器这一优点,解决了传统导线直接接触供电的缺陷。图1松耦合变压器20世纪90年代初,新西兰奥克兰大学Boys普通变压器的气隙接近为零,原副边电路可以通过变压器的匝比进行电气变换,因此

3、电气设计与教授以及由他领导的课题组率先对非接触电能传输技术进行了系统的研究,并成功应用于新西兰国磁设计实际上可以分开进行。设计时,只需保证变家地热公园的30kW旅客电动运输车。美国通用压器漏感大小参数等满足电路要求即可。在松耦合系统中,气隙对变压器参数的影响较汽车公司子公司DelcoElectronics研制的Magne-大,尤其是对变压器的耦合系数和漏感的影响。这chargeTM是最先商业化的非接触电能传输系统之一,1995年1月,美国汽车工程协会根据Magne-些参数会影响到变换器的工作状态和开关管的电chargeTM系统的设计,制订了在美国使用非接触压

4、电流应力。因此,在松耦合系统中,不能沿用传统设计中变压器与电路分别独立设计的方法,而应电能传输技术进行电动汽车充电的条例)))SAEJ-1773[1~4]。我国,非接触电能传输技术的研究采用电磁装置和电气装置综合考虑的一体化设计刚开始起步,仅有综述性文献和个别小功率样机的方案。研究报道。2耦合系数影响因数1松耦合变压器的结构特点松耦合变压器的耦合系数越高,则原边电流越图1分别给出松耦合变压器实验样机及绕组小,系统的电流应力也越小。由此可见,耦合系数接线图。铁芯选用U型结构以增加立柱之间的磁是松耦合变压器的关键参数。阻,减小原/副边漏感。图中a=104mm,b

5、=以矢量磁位Az为求解函数对松耦合变压器20mm,c=50mm,原边铁芯长度为120mm,副边进行二维平行平面场数值计算,边值问题的数学描铁芯长度为40mm,g为气隙长度,数值较大且在述为求解域内:收稿日期:2007-07-02作者简介:韩亚荣(1979-),女,江苏泰州人,钟山职业技术学院助教,工学硕士,主要研究方向为电机与电器。562007年8月中国制造业信息化第36卷第15期55Az55Az2.1铁芯材料对耦合系数的影响(v)+(v)=-J(1)5x5x5y5y普通变压器因工作磁密较高,磁路呈非线性,式中:v为磁阻率;J为导线电流密度。铁芯材料对变压器

6、性能有着重要影响。而松耦合因原/副边气隙很大,向外发散的漏磁很大。变压器气隙大,磁路磁阻中气隙磁阻占绝对主导地设无穷远处磁场为零,其边界满足第一类边界条位,磁路呈线性,即铁芯材料对耦合系数的影响很件,即:小。图2(a)、(b)分别给出了材料为铁氧体和铁基Az=0(2)非晶材料时变压器的场图。可以看出两者磁场分由矢量磁位Az可以进一步得到原副边磁密布几乎一致而耦合系数也相差很小,铁氧体为和磁通,则定义计算耦合系数为副边接受磁通

7、磁特性最优。响很小,但为了减小铁芯损耗,铁芯应选择具有较小铁芯损耗、较高电阻率的高频导磁材料,如铁基非晶材料和超微晶软磁材料。2.2线圈位置对耦合系数的影响图2(b)的方式是将绕组位于底部,变压器的漏磁较多,耦合系数也低,耦合系数为0.45。采用图2(c)的方式将绕组拆分成两半后放置在U型铁芯的芯柱端部时,变压器的漏磁较少,耦合系数也较高,耦合系数为0.89。在图2(c)的方式中,原、副边绕组的线圈接触比较紧密,磁力线可以在原、图3线圈位置对耦合系数的影响副边绕组之间垂直地通过,因此漏磁较少,提高了耦合系数。图3给出样机实际测试结果,方式2的耦合系数近似为方

8、式1的两倍,与有限元计算结果相同。2.3气隙对耦合系