夏晨陽(yáng)，賈娜，莊裕海

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

U型磁芯結(jié)構(gòu)ICPT系統(tǒng)功率傳輸容量研究

夏晨陽(yáng)，賈娜，莊裕海

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型電能傳輸模式。為了實(shí)現(xiàn)磁路耦合機(jī)構(gòu)的最大能量傳輸，本文從磁路角度對(duì)常用的U型磁芯磁路機(jī)構(gòu)的功率傳輸能力進(jìn)行了分析，得出了系統(tǒng)傳輸功率能力與磁芯機(jī)構(gòu)形狀和大小、原邊導(dǎo)軌位置、工作頻率以及副邊拾取線圈匝數(shù)等因素之間的關(guān)系，并給出了U型磁芯結(jié)構(gòu)下的磁路耦合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)理論分析結(jié)果對(duì)ICPT系統(tǒng)磁路耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

ICPT;U型磁芯;功率傳輸容量;磁路優(yōu)化

1 引言

感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)技術(shù)是一種新型電能傳輸模式，該技術(shù)綜合應(yīng)用電力電子技術(shù)、磁場(chǎng)耦合技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等，通過(guò)一次側(cè)、二次側(cè)線圈間的耦合磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能從靜止電源系統(tǒng)向一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)用電設(shè)備的非電氣直接接觸電能傳輸［1］。通過(guò)感應(yīng)耦合方式供電，增加了用電設(shè)備的靈活性，消除了傳統(tǒng)供電方式的安全隱患，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)供電方式存在的因?yàn)殡姎膺B接產(chǎn)生的缺陷［2］。因此，感應(yīng)耦合供電技術(shù)是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術(shù)。目前正受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多學(xué)者和公司的關(guān)注，并得到了廣泛的應(yīng)用［3，4］。

為了提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，現(xiàn)有的對(duì)磁路機(jī)構(gòu)的分析方法通常都局限于互感耦合模型，對(duì)于各種結(jié)構(gòu)的磁路分析通常通過(guò)互感M值來(lái)體現(xiàn)，這種分析方法很普遍但也很籠統(tǒng)，對(duì)我們通常采用的U型磁芯磁路機(jī)構(gòu)分析不夠精確。針對(duì)這種特定結(jié)構(gòu)的磁路耦合系統(tǒng)，已有一些文獻(xiàn)對(duì)ICPT系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)給出了一定的分析。文獻(xiàn)［5］通過(guò)有限元分析方法介紹了各型磁芯的傳輸功率分析方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各種環(huán)境應(yīng)用下的磁路機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析［6-10］。但這些分析基本上都是通過(guò)有限元仿真得出系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型，對(duì)于磁路功率容量的計(jì)算以及對(duì)于一定形狀的磁芯機(jī)構(gòu)如何優(yōu)化分析以提高輸出功率沒(méi)有進(jìn)行更加深入的分析。

本文針對(duì)副邊滑動(dòng)型ICPT系統(tǒng)，從磁路分析的角度給出了U型磁芯的磁路等效模型，通過(guò)分析得出了系統(tǒng)功率傳輸容量的近似計(jì)算公式。在此分析基礎(chǔ)上，在特定的U型磁芯機(jī)構(gòu)下，提出一種副邊繞組匝數(shù)的優(yōu)化計(jì)算方法，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大功率容量輸出。

2 ICPT系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)介紹

ICPT系統(tǒng)磁路耦合機(jī)構(gòu)根據(jù)不同環(huán)境需求，其磁能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可以有多種模式，如可分離變壓器型、同軸變壓器型、旋轉(zhuǎn)變壓器型、平面螺旋型以及副邊滑動(dòng)型等非接觸電能傳輸電磁機(jī)構(gòu)。其中，副邊滑動(dòng)型非接觸電能傳輸電磁機(jī)構(gòu)適用于原、副邊線圈具有相對(duì)滑動(dòng)的情況，它解決了現(xiàn)代移動(dòng)電氣設(shè)備在運(yùn)動(dòng)中的靈活性供電需求。根據(jù)實(shí)際需求，副邊滑動(dòng)型非接觸電能傳輸電磁機(jī)構(gòu)可以做成O型、U型、E型、EI型等結(jié)構(gòu)。本文主要對(duì)較常見的U型磁芯結(jié)構(gòu)的功率容量進(jìn)行分析，其磁芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，Ip是原邊導(dǎo)軌線圈電流;Is是副邊拾取線圈電流;N1是原邊導(dǎo)軌線圈的匝數(shù);N2是副邊導(dǎo)軌線圈的匝數(shù)。磁芯大小及繞線位置參數(shù)如圖1中a，b，c，d，e，f，g，h，i所示。

圖1 U型磁芯結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of U-magnetic core

3 ICPT系統(tǒng)U型磁路機(jī)構(gòu)功率容量分析與優(yōu)化

3.1 U型磁芯磁路機(jī)構(gòu)分析

圖2為原邊勵(lì)磁導(dǎo)線處于U型磁芯的中央、通過(guò)電流后磁場(chǎng)中磁力線仿真分布圖。

圖2 U型磁芯Maxwell仿真磁力線分布Fig.2 Distribution ofmagnetic line for ICPT system with U-magnetic core

為了求得空氣部分的磁通，必須對(duì)空氣部分的磁阻進(jìn)行分析和計(jì)算。用有限元法以及電磁場(chǎng)相似原則分析磁場(chǎng)雖然準(zhǔn)確，但使用比較復(fù)雜。比較實(shí)用的方法是可以估計(jì)磁通可能的路徑，把整個(gè)磁場(chǎng)分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀的磁通管，即分割法。從圖2中可以看出，忽略兩臂末端側(cè)面漏磁通以及磁體外表面的漏磁通，在開口處空氣中的磁通可近似看成如圖3所示的分布。

圖3中U型磁芯兩臂開口末端的磁通分割成如圖4所示的6種形狀。

從圖3和圖4可以看出，U型磁芯空氣氣隙的磁導(dǎo)可表示為

圖3 U型磁芯磁通分布剖分圖Fig.3 Division ofmagnetic flux in U-magnetic core

圖4 U型磁芯氣隙處的磁通管分割圖Fig.4 Division ofmagnetic flux tube of U-magnetic core in air

式中，Λa～Λh分別表示圖4中各個(gè)圖對(duì)應(yīng)的空氣部分磁導(dǎo)。

根據(jù)圖1中U型磁芯參數(shù)，由文獻(xiàn)［11］可以求得空氣氣隙部分總磁導(dǎo)為

其空氣磁阻為

同樣求得，U型磁芯兩臂磁阻和磁芯底部磁阻分別為

整個(gè)磁芯部分的磁阻定義為

3.2 U型磁芯磁路功率容量計(jì)算與優(yōu)化

為了分析系統(tǒng)的功率容量，需要對(duì)系統(tǒng)的磁路機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)磁路原理，可得到U型磁芯的等效磁路如圖5所示。

圖5 U型磁芯的等效磁路Fig.5 Equivalentmagnetic circuit of U-magnetic core

圖5中，N1ip(t)和N2is(t)分別表示原邊導(dǎo)軌和副邊拾取線圈的磁動(dòng)勢(shì)。根據(jù)磁路歐姆定律，可以求得通過(guò)副邊繞組的等效磁通

原副邊磁動(dòng)勢(shì)方程

其中，m12(t)、m21(t)分別為原副邊繞組在磁芯中引起的互相相連的磁通。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，原邊導(dǎo)軌中電流在副邊線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可以表示為

為了實(shí)現(xiàn)功率的最大化傳輸，通常需要對(duì)原副邊繞組的電感進(jìn)行補(bǔ)償，假定系統(tǒng)原副邊均工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。系統(tǒng)輸入電壓為則副邊線圈感應(yīng)電壓為

由式(8)、式(10)和式(11)可得

原副邊均采用串聯(lián)諧振的ICPT系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 串聯(lián)調(diào)諧的ICPT系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified model of series-tuned ICPT system

從圖6可以看出，在原副邊全諧振模式下，即

由于副邊內(nèi)阻Rs相對(duì)于負(fù)載電阻R很小，可以忽略不計(jì)。在全諧振條件下，副邊回路呈阻性。因此副邊電流表達(dá)式為

根據(jù)磁路定律，可得到原邊磁路方程

那么，系統(tǒng)輸出功率為

求解

可得，當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大，其最大值為

從式(17)可以看出，提高系統(tǒng)的工作頻率、輸入電壓和原邊電流能夠有效地提高系統(tǒng)的輸出功率，從中還可以看出磁芯結(jié)構(gòu)以及原邊導(dǎo)軌位置等參數(shù)(表現(xiàn)在磁阻R中)對(duì)系統(tǒng)傳輸功率的影響。另外，從式(19)可知，提高系統(tǒng)的工作頻率能夠減少副邊繞組的優(yōu)化匝數(shù)，從而降低系統(tǒng)的成本。

由于隨著原邊導(dǎo)軌匝數(shù)和電流的增加，磁芯必然趨向飽和，由式(11)可以看出磁芯中的磁通密度的表達(dá)式為

其中，S為磁芯繞線的橫截面積;U的表達(dá)式見式(16)。為了讓磁芯不飽和，必須保證磁通密度小于飽和磁通密度Bsat，否則磁芯的功率容量將不再增加。

4 ICPT系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)功率最大化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，選定U磁芯機(jī)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)分別見表1和表2。

表1 磁芯機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameter ofmagnetic core

表2 系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)Tab.2 Parameter of system

根據(jù)如表1和表2所示的系統(tǒng)參數(shù)，搭建ICPT系統(tǒng)，采用U型磁芯的磁路機(jī)構(gòu)，得到系統(tǒng)在U型磁芯結(jié)構(gòu)下的功率容量隨副邊繞組匝數(shù)的關(guān)系，如圖7所示。

從圖7中可以看出，對(duì)于U型磁芯，為了提高系統(tǒng)的傳輸功率，副邊繞組的匝數(shù)不是越多越好，而是存在一個(gè)優(yōu)化的繞組匝數(shù)。理論上分析得出的副邊繞組的優(yōu)化匝數(shù)是15匝，而實(shí)際系統(tǒng)中測(cè)試得出優(yōu)化匝數(shù)為17匝，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果與理論分析結(jié)果基本近似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析有一定的誤差，原因有兩個(gè):一是在理論分析中，空氣氣隙的磁導(dǎo)多采用近似計(jì)算，因此有一定誤差，而且忽略了原副邊繞組漏感;二是由于在實(shí)際的系統(tǒng)電感和電容的匹配上，不能達(dá)到完全諧振。這兩方面導(dǎo)致了系統(tǒng)實(shí)際的功率比理論分析得出的功率要低一些。

圖7 U型磁芯輸出功率與N2的關(guān)系Fig.7 Output power of U-model core varying with N2

5 結(jié)論

本文從磁路分析的角度給出了U型磁芯的磁路等效模型，通過(guò)分析得出了采用U型磁芯的副邊滑動(dòng)型ICPT系統(tǒng)功率傳輸容量的近似計(jì)算公式，并提出一種副邊繞組匝數(shù)的優(yōu)化計(jì)算方法，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大功率容量輸出。本文的研究結(jié)果對(duì)根據(jù)不同功率傳輸要求進(jìn)行磁芯參數(shù)的選型以及磁路優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

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Power capacity analysis of ICPT system based on U-magnetic core circuit

XIA Chen-yang，JIA Na，ZHUANG Yu-hai
(School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

ICPT is a new mode of power transfer developed in recent years.And it has attractedmore andmore attention of scholars at home and abroad and has been widely used.In order to assure themaximal power transfer of the magnetic coupling circuit，this paper analyze the capacity of power transfer for framework of U-magnetic core magnetic circuit from the point ofmagnetic circuit view.At the same time，the relationship between power transfer ability and the framework ofmagnetic core，position of primary guide way，the working frequency as well as the number of turns of secondary is given.Then，optimization design ofmagnetic circuit for the U-magnetic core architecture is given.Finally，this criterion is justified via an experiment.

ICPT;U-magnetic core;power transfer capacity;magnetic circuit optimization

TP29

A

1003-3076(2014)08-0007-04

2012-11-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(51307173)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120095120022)、中國(guó)博士后基金(2012M521140)、江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130188)資助項(xiàng)目

夏晨陽(yáng)(1982-)，男，江蘇籍，講師，博士后，主要從事非接觸電能傳輸技術(shù)的研究;賈娜(1989-)，女，山東籍，碩士研究生，主要從事電力電子技術(shù)及三相ICPT系統(tǒng)相關(guān)研究(通訊作者)。