非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究

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1、摘要：对基于非接触感应能量传输系统中的松耦合变压器进行了研究，对松耦合变压器的建模与电路分析进行了论述，着重对影响系统功率传输能力的耦合系数进行了研究。通过ANSYS仿真，对比了两种松耦合变压器的耦合系数的大小。选取耦合系数较高的第二种绕线方式设计了1kW全桥谐振变换器的松耦合变压器，并进行了实验数据测定。最后，具体分析了实验结果与仿真存在差异的原因。关键词：松耦合变压器；功率传输能力；耦合系数；气隙 Abstract:Thelooselycoupledtransformerininductivepowertransfersystemi

2、sinvestigated.Themajorpointisfocusedtothecouplingcoefficient,whichgreatlyinfluencedthesystem'sabilityofpowertransmission.TwocaseslooselycoupledtransformerswithdifferentcoupledcoefficientareemulatedbyANSYS,andacomparisonismadebetweenthem.Withthehigher,aprototypeof1kWfull-

3、bridgeconverterisbuilt.Experimentalresultformthetransformerisgiven.Finally,detaileddifferencebetweenemulationandexperimentisgiven.中图分类号: 文献标识码: 文章编号： 0引言   松耦合感应电能传输模式（LooselyCoupledInductivePowerTransfer，简称LCIPT）是一种基于电磁感应耦公道论，现代电力电子能量变换技术及控制理论于一体的新型电能传输模式。实现了在供电线路和用电设备之

4、间的非物理连接下的能量传输[2]。从而克服了传统接触供电方式所具有的接触火花、碳积、磨损、不安全等一系列缺陷[4]。目前，在大功率汽车充电系统和矿井等特殊场合已经成功开始使用。   在松耦合感应电能传输系统中，能量发射装置和能量接收装置之间一般是通过有较大间隔的分离式变压器来连接。分离式变压器的漏感具有较高的数目级，不仅影响能量传输的功率和效率，而且会加大功率器件的电压应力。固然通过补偿的方式可以减小开关器件的电压应力，但是远间隔传输所带来的耦合系数低这个题目却没有办法解决，本文就以非接触变压器为研究对象，对其进行了优化设计，基于ANS

5、YS仿真软件进行了仿真比较，并且以所设计的1kW松耦合谐振变换器的松耦合变压器进行了测试，给出了自感、漏感和耦合系数随气隙变化的曲线，就仿真与实验的差距给出了具体的理论分析。1松耦合感应能量传输   图1为松耦合感应能量传输系统框图。图1耦合感应能量传输系统结构图   系统将单相或三相交流市电整流为直流电供给松耦合变换器，变换器的输出经过整流获得直流电供给负载。对于电池负载来说，最佳方法是采用恒流充电的方式，变换器就需要采用恒流源的拓扑。对于滑动式无接触能量传输系统，进行长间隔供电时通常需要一定的开关控制系统，实现低级绕组的分段式供电，

6、进步传输效率。对于整个系统来说，核心部分为带有松耦合变压器的变换器。对于大功率充电器来说选用全桥拓扑比较合适，全桥谐振变换器的电路原理图如图2所示。   图2中Vin为输进电压，S1~S4是开关管；虚线框内表示的就是松耦合变压器；副边电压经过整流之后供给负载。松耦合变压器最主要的缺点就是漏感值比传统紧耦合变压器漏感值大得多，这样就会在开关器件上产生很大的电压尖峰。解决这个题目的方法就是加进补偿电容使之与漏感发生谐振，漏感在开关过程中的电压尖峰被电容电压完全抵消。同时，谐振电路起到了滤波的作用。原边电路加上补偿后原边获得了正弦电流，此时，

7、对于电路的分析可以大大简化，并且松耦合变压器对外界的电磁干扰也降到最低。但是补偿电容并不能增大互感值，也就是耦合系数由变压器的结构本身决定。由于耦合系数反映了系统的功率传输能力，所以如何进步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题目。图2耦合全桥变换器电路原理图2松耦合变压器   图3（a）和图3（b）分别为松耦合变压器实物示意图和原理图。   （a）松耦合变压器实物示意图                         （b）松耦合变压器原理图图3松耦合变压器   与传统变压器的不同是在原边磁芯和副边磁芯之间有很

8、大的气隙，固然通过补偿的方式可以将较大的漏感的影响抵消掉，但是，耦合系数却不能进步。本文就在相同气隙条件下如何进步两个耦合电感的耦合系数进行了建模仿真,并且根据所设计的一台1kW松耦合全桥谐振变换器的耦合变