用于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的新型變壓器

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1、用于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的新型變壓器摘要——變壓器的耦合系數(shù)k是影響非接觸能量傳輸系統(tǒng)（CETS）效率的一個(gè)重要參數(shù)。為提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)，減小其體積和重量，這篇論文提出了改進(jìn)磁芯結(jié)構(gòu)和繞組排列方法，也提出了新型非接觸變壓器的磁路模型?；诖磐詈?，在K的計(jì)算方法中找到電磁磁阻。一個(gè)60W的非接觸能量傳輸系統(tǒng)裝配了一種非接觸變壓器。變壓器耦合系數(shù)的計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)果一致。與原先的變壓器相比，耦合系數(shù)可從0.53提高到0.6，磁芯質(zhì)量從122g減小到60g，最高變換效率提高了約2.5%。關(guān)鍵術(shù)語——非接觸變壓器，耦合系數(shù)，磁路模型，優(yōu)化。1、介紹在沒有物理連接的非接觸式變壓器的幫助下，非

2、接觸能量傳輸系統(tǒng)傳送電能。由于可靠性、安全性和靈活性的獨(dú)特優(yōu)勢，尤其是在潮濕的或有害的環(huán)境中通過非接觸能量傳輸系統(tǒng)給移動(dòng)設(shè)施例如手機(jī)、電動(dòng)汽車和完全植入的裝置供電的需求增加。圖1中顯示非接觸能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其中包括直交逆變器、非接觸式變壓器、整流電路、非接觸式反饋和接收電路、控制電路。非接觸式反饋和接收技術(shù)是相對成熟的，包括紅外反饋的SAEJ-1773和磁場的反饋。作為CETS的核心組成部分，非接觸式變壓器通常有相對較大的漏感并且可以顯著地減少由于一個(gè)大的氣隙分離而產(chǎn)生的初級和次級磁化電感，導(dǎo)致CETS的低獲得和高損耗。所以，在CETS的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括電路的漏感操作如諧振拓?fù)?/p>

3、及軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是絕佳的選擇。圖1非接觸能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雖然可以減輕諧振拓?fù)渑c大空隙有關(guān)的問題，非接觸式變壓器的耦合系數(shù)較低仍是一個(gè)瓶頸，限制了CETS的效率。例如，在60W的CETS中，有一個(gè)在10mm空氣間隙中的耦合系數(shù)為0.532的非接觸式變壓器，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在滿負(fù)荷情況下最高的效率為88%。類似地，變壓器的耦合系數(shù)在相同條件下采用0.390，滿負(fù)荷情況下最大的轉(zhuǎn)換效率只有78%。有調(diào)查，為了提高變壓器的耦合系數(shù)需要以中增大體積和重量作為代價(jià)。外部直徑為520mm、重量為17.2kg的非接觸式變壓器的提出，其應(yīng)用價(jià)值因?yàn)榇蟪叽绾椭亓勘幌魅?。因此，改進(jìn)之一是發(fā)展[16]，將整個(gè)圓柱形

4、狀的核心分裂成幾扇，達(dá)到在50mm的空氣間隙中k為0.5。類似的問題也存在于人工心臟的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中。550g重的POT66/55的核心是采用[7]，以及在[14]中使用重量為122g的E64/10/50平面的核心。提高變壓器的耦合系數(shù)，減少它的大小和重量，同時(shí)成為非接觸式能量傳輸系統(tǒng)德一個(gè)挑戰(zhàn)。這篇論文中提出了一種連同磁阻電路的新型結(jié)構(gòu)的變壓器。變壓器的磁通根據(jù)其耦合特性分為三個(gè)部分。從而通過磁阻和耦合系數(shù)的表達(dá)式，導(dǎo)出了改進(jìn)的非接觸式變壓器。此外，一種有擴(kuò)展引腳的U型核心優(yōu)化平面能同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的耦合系數(shù)、更小的體積和更輕的重量。為60W的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新的非接觸式

5、變壓器。新的變壓器在長度為10mm的間隙中耦合系數(shù)已高達(dá)0.6，核心重量下降到60g并且相關(guān)的最高效率提高了2.5%。從計(jì)算和測量得到的耦合系數(shù)的一致性驗(yàn)證了分析的正確性。非接觸式能量傳輸系統(tǒng)效率的提高證明優(yōu)化后的變壓器的有效性。圖2（a）變壓器結(jié)構(gòu)圖2（b）磁路1、改進(jìn)的非接觸變壓器A．磁芯形狀非接觸式變壓器的結(jié)構(gòu)和它的等效磁路如圖2（a），已被T.H.Nishimura在1994年提出。為了簡化分析，在變壓器的對稱結(jié)構(gòu)和二次開路的條件下提出了等效磁路如圖2（b）。其中相當(dāng)于Ni，和RL是等效磁阻。在[17]中指出耦合系數(shù)k值取決于g/的比值。參數(shù)越大，固定的k和g就越高。為了獲得一個(gè)較高

6、的k，提出了無中心柱平面的磁芯（相對于其他磁芯形狀通常有較大的）如圖3，其中g(shù)/的比值更小且重量更輕。應(yīng)該指出的是，兩個(gè)磁路引腳間的內(nèi)部距離對磁阻而不是中心距離有突出的影響，我們用來說明本文中的非接觸式變壓器的行為。B．繞組排布對于平面的磁芯，降低漏感是平面繞組的最佳選擇。有兩個(gè)繞組排布，如圖4：集中式線圈和分布式線圈。表1的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果指出變壓器采用分布式線圈可以獲得更高的k。不同的繞組排布的電磁場仿真結(jié)果如圖5所示（ip=3A，is=0A）。可以看出，對于集中線圈，由初級電流激勵(lì)的磁通線能在磁芯窗口。所以，在改進(jìn)變壓器中應(yīng)該采用分布式線圈。（a）集中式線圈（b）分布式線圈圖4兩種形式的平

7、面線圈排布表1不同繞組排布的K的測量線圈磁芯重量（g）L（mm）測量的K值集中式平面U43（平面E43/10/28沒有中心柱）5934.70.39分布式0.46測試條件：：=25：25，g=10mm，=300khz（a）集中式繞組（b）分布式繞組圖5兩種繞組布置方式的仿真結(jié)果對比3.改進(jìn)的磁阻環(huán)路A．在[17]中磁路模型的局限根據(jù)[17]中的分析，改進(jìn)后的變壓器結(jié)構(gòu)的磁路模型如圖6所示，其中F1=F2=Ni/