萬樹春，謝衛(wèi)，趙偉棟

(1.上海航天電子技術研究所，上海 201108;2.上海海事大學 物流工程學院，上海 201306;3.上海市醫(yī)療器械檢測所，上海 201318)

0 引言

自從進入工業(yè)革命以來，對電能的需求日益增大，且呈多樣化發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)的電機和變壓器誕生一百多年后，出現(xiàn)了許多新興的行業(yè)，諸如城市有軌電車、港航集裝箱供應鏈等，他們對電能的需要具有移動變負載的特征，這就要求傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)能夠隨著負載的移動而移動。早先針對移動電能傳輸，提出的移動碳刷，滿足了基本需求，但是同時也不可避免地產生摩擦損耗、運行維護工作繁重等不足。

滑動式變壓器正是針對該應用領域而提出的一種新型電能傳輸方式，該技術不僅解決移動負載連續(xù)供電的基本需求，而且避免滑動摩擦、定期檢修維護，具有簡化運行、安全可靠的優(yōu)勢。本文將針對滑動式變壓器的結構和原理進行詳細地分析。

1 滑動式變壓器結構介紹

1.1 滑動式變壓器的演變

滑動式變壓器，是從傳統(tǒng)的緊耦合變壓器演變而來的，在其基本結構的基礎上首先實現(xiàn)鐵心分離，如圖1所示，變壓器的交變磁通經(jīng)過一次側鐵心、氣隙、二次側鐵心、氣隙，并最終返回到一次側鐵心中，形成閉合回路，由于氣隙的磁導率明顯小于鐵心的磁導率，因此形成的回路磁通較傳統(tǒng)變壓器要少的多，二次側繞組感應得到的電動勢也要小的多。

圖1 分離式變壓器

在某些特殊的應用場合，如城市有軌電車、自動化港口的大型集裝箱起重設備等，他們在作業(yè)時，負載往往都處于移動狀態(tài)，都要求能夠保持連續(xù)的電能供應，同時也希望能盡可能簡化接線、方便運行維護、避免導線摩擦損耗。

基于上述要求，本文提出了滑動式變壓器，根據(jù)變壓器的鐵心結構是否閉合，將滑動式變壓器分為兩類，一類是半閉合形式，另一類是全閉合形式，分別如圖2和圖3所示［1-2］。

圖2中的滑動式變壓器主要由供給線圈、E形鐵心、拾起線圈組成。其中，拾起線圈纏繞在E形鐵心上，并隨著E形鐵心一起沿著供給線圈的導線路徑滑動。圖3中，與圖2所示的變壓器有相似的組成部分。所不同的是，此處的鐵心呈圓柱形結構。比較兩者的不同，會發(fā)現(xiàn)前者經(jīng)過鐵心的磁通回路由鐵心、氣隙兩部分組成，后者經(jīng)過鐵心的磁通可以在鐵心中形成閉合的回路。

1.2 滑動式變壓器分類

針對上述的半閉合滑動式變壓器和全閉合式滑動式變壓器，根據(jù)應用場合的不同和實際系統(tǒng)對性能要求的差異，分別提出了多種結構的滑動式變壓器，如圖4和圖5所示。

圖2 半閉合式滑動式變壓器

圖3 全閉合式滑動式變壓器類型1

圖4 半閉合式滑動式變壓器

圖5 全閉合式滑動式變壓器類型2

在圖4中所示的半閉合式滑動式變壓器包括平面式和U型兩種，這兩種變壓器的磁路都是由鐵心、氣隙兩部分組成。在圖5所示的全封閉式滑動式變壓器，其主要由供給線圈、閉合鐵心回路、拾起線圈三部分組成，且保持供給線圈和鐵心靜止，僅僅由拾起線圈沿著閉合鐵心移動［3］。

2 滑動式變壓器原理分析

在傳統(tǒng)的緊耦合變壓器當中，主要是基于電磁感應原理，在一次側繞組中通入交流電，產生交變磁通，該交變磁通沿著鐵心閉合路徑，形成回路，并在二次側繞組中產生感應電動勢，滑動式變壓器與傳統(tǒng)的變壓器由工作原理上的相似性。

根據(jù)安培定則，向直導線當中通入電流，大拇指沿著電流的流通方向，四指所指方向即為磁感線環(huán)繞的方向。根據(jù)此原理，本文將E形半閉合式滑動式變壓器作為主要的研究對象。向滑動式變壓器的輸電回路通入交流電，在電路運行的某一時刻，設定電流自左側流進，右側流出，具體的原理圖如圖6所示。從左側觀察，由于該線路流入電流，根據(jù)安培定則，產生的磁感線出供給線圈的導線，經(jīng)過氣隙、E形鐵心，最終再由氣隙回到左側導線。右側的通電導線，具有類似的運行情況［4-5］。 在 此 不做贅述。

由該兩根導線產生的磁感線，分別集中經(jīng)過E形鐵心的中間鐵心柱上，該處的磁通也是最大。下節(jié)將根據(jù)上述滑動式變壓器的工作原理建立起有限元分析模型。

圖6 滑動式變壓器運行示意圖

3 基于有限元的滑動式變壓器磁場分析

建立滑動式變壓器三維瞬態(tài)模型，E形鐵心長5 cm，供給線圈導軌長20 cm。系統(tǒng)仿真的參數(shù)如表1所示。仿真結果如圖7～圖9所示，分別是磁場分布圖、磁通對比圖和感應電動勢圖。

表1 系統(tǒng)仿真設置

圖7 瞬態(tài)磁場分布圖

圖8 瞬態(tài)磁場磁通對比圖

由圖7得出滑動式變壓器在供給線圈通入交流電以后，兩條導線分別產生兩股磁感線，且分別沿著左右兩個方向，經(jīng)過E形鐵心中間芯柱相交，最大磁通密度約為2.502e-1T。

圖8為供給線圈和拾起線圈中磁通得對比關系曲線，兩者都為正弦波形，Φ1曲線為拾起線圈的磁通曲線，Φ2則為供給線圈的磁通曲線。由于磁通經(jīng)過氣隙，且供給線圈的股數(shù)為4，多于拾起線圈的股數(shù)，根據(jù)式(1)可得，拾給線圈的磁通小于供給線圈的磁通，其中N為線圈匝數(shù)，Φ為單匝線圈磁通，Ψ為多匝線圈磁通。

圖9 拾起線圈感應電動勢波形圖

由圖9得到纏繞在中間鐵心柱上的繞組感應電動勢e的波形，根據(jù)式(2)可得，該波形呈正弦波，頻率與系統(tǒng)的供給線圈一致，都為 16 Hz，幅值達到 2.5 V。

4 實驗驗證

通過實驗驗證方法，搭建滑動式變壓器的簡易模型，具體的模型示意圖如圖10所示。移動滑動變壓器的E形鐵心，可見感應電動勢波形保持不變，表明滑動式變壓器在整個供給線圈回路不受其具體位置的影響。

圖10 實驗示意圖

改變滑動式變壓器的激勵頻率，觀察實驗波形可得拾起繞組感應電動勢u12的幅值隨著頻率的升高而升高，具體實驗所得波形如圖11所示，可見拾起線圈感應得到的電動勢與頻率成正比。

圖11 拾起線圈感應電動勢與激勵頻率關系

改變滑動式變壓器的供電線圈的電源電壓幅值，觀察實驗波形，得出圖12所示拾起線圈感應電動勢u12與電源電壓幅值的關系，可見感應電動勢與激勵的幅值也成正比。這與之前的基于有限元分析模型的運行特征是一致的。

在此改變拾起線圈繞組的匝數(shù)，當匝數(shù)提高，拾起線圈感應電動勢u12的波形幅值也隨之提高。比較圖13和圖 14，在如圖所示的正弦波形當中，當拾起線圈匝數(shù)為5時，拾起端感應得到的電動勢峰值為0.86 V;保持激勵幅值和頻率不變，提高拾起線圈的匝數(shù)為12時，感應電動勢幅值變?yōu)?.38 V，增長了1/3。

圖12 拾起線圈感應電動勢與激勵頻率關系

圖13 拾起線圈感應電動勢(N2=5)

5 結束語

本文通過對滑動式變壓器的結構討論，闡述了基于安培定則的滑動式變壓器運行原理。針對E形半閉合式滑動式變壓器，通過建立有限元分析的模型，分析在給定的正弦電壓下，磁場的分布情況和拾起線圈感應電動勢的波形。通過實驗驗證了該理論和方法的正確性。

圖14 拾起線圈感應電動勢(N2=12)

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