付興武，黃偉義，楊玉崗，丁晶晶

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司臨汾供電公司,臨汾 041000）

在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式電能傳輸系統(tǒng)中，電刷和滑環(huán)常因接觸不良導(dǎo)致發(fā)熱，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸技術(shù)，基于電磁感應(yīng)耦合定律，利用電力電子變換器和可旋轉(zhuǎn)式非接觸變壓器實(shí)現(xiàn)從靜止端到旋轉(zhuǎn)端的能量傳輸，從而取代導(dǎo)線、電刷和滑環(huán)，提高旋轉(zhuǎn)式電能傳輸系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[3]。新型非接觸式電能傳輸系統(tǒng)不僅可以解決傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式電能傳輸系統(tǒng)中電刷和滑環(huán)所帶來的安全隱患問題，還可以省去傳統(tǒng)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)磁機(jī)的部分，適用多種旋轉(zhuǎn)式電能傳輸場(chǎng)合，提高旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

本文對(duì)于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式電能傳輸系統(tǒng)中的罐式變壓器進(jìn)行仿真，并且提出對(duì)傳統(tǒng)罐式變壓器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)在大氣隙條件下傳統(tǒng)罐式變壓器耦合系數(shù)相對(duì)較低的問題。應(yīng)用有限元分析法對(duì)兩種變壓器結(jié)構(gòu)做ANSYS仿真，分析各個(gè)結(jié)構(gòu)的傳輸特性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償，建立旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)新型罐式變壓器的傳輸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1 旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，利用電磁耦合原理實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的轉(zhuǎn)換和傳輸。旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊及副邊均由罐形磁芯構(gòu)成，通過罐式變壓器實(shí)現(xiàn)原邊能量耦合到副邊，經(jīng)由高頻整流電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電源輸出。

圖1 旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of rotary non-contact power transmission system

由于旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)變壓器的初次級(jí)繞組可分離因而同傳統(tǒng)變壓器相比漏感增大很多，變壓器的耦合系數(shù)很低，使得系統(tǒng)的能量傳輸效率不高。且變壓器的次級(jí)磁芯相對(duì)于初級(jí)磁芯高速旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)變壓器的選材、型號(hào)有著一定的要求。

2 旋轉(zhuǎn)式非接觸變壓器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分析

罐式變壓器作為高頻旋轉(zhuǎn)變換器的核心部分，原副邊完全對(duì)稱且具有良好的電磁屏蔽性，原邊固定、副邊旋轉(zhuǎn)時(shí)，變壓器依舊可以進(jìn)行正常的能量傳輸[6]。由于松耦合變壓器與緊耦合變壓器不同，漏感很大不可忽略，為了提高系統(tǒng)的電壓增益、電能傳輸效率，需利用諧振原理進(jìn)行合適的補(bǔ)償。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)S型補(bǔ)償方式可以在負(fù)載確定的條件下對(duì)負(fù)載電路提供穩(wěn)定的電壓，并盡可能減少電路設(shè)計(jì)器件，滿足系統(tǒng)輕量化的要求，因而此處采用S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償分析設(shè)計(jì)。為了分析簡(jiǎn)便，應(yīng)用諧振變換器的正弦等效方法（忽略電路波形的諧波，只考慮基波部分），對(duì)變換器進(jìn)行正弦等效，利用感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型來表示，分析系統(tǒng)的特性[4]，得到等效電路模型，如圖2中所示。

圖2 互感等效電路及S補(bǔ)償電路模型Fig.2 Models of mutual inductance equivalent circuit and S compensation circuit

由互感等效電路及S補(bǔ)償電路可知電源端的輸入總阻抗為

根據(jù)諧振原理，原邊補(bǔ)償電容Cb的選取需使輸入阻抗的虛數(shù)部分為0，輸入阻抗呈阻性。則Cb為

當(dāng)變壓器的初級(jí)回路采用串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容Cb滿足變壓器輸入端的總阻抗Zin的虛部為0，輸入阻抗呈阻性，輸入電壓與輸出電流同相位，初級(jí)回路的電流近似正弦波，電路工作在諧振狀態(tài)。大大減小了系統(tǒng)中無功功率，提高了功率因數(shù)，從而提高系統(tǒng)傳輸效率。

3 磁罐變壓器特性分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

在旋轉(zhuǎn)式非接觸系統(tǒng)中，罐形磁芯結(jié)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)可分離的變壓器，當(dāng)原邊及副邊相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，另一邊可不受其影響，從而使整個(gè)變壓器依舊正常地進(jìn)行能量傳輸，同平板式變壓器結(jié)構(gòu)相比較，磁罐變壓器具有良好的電磁屏蔽性和互換性，除此之外罐型磁芯結(jié)構(gòu)的變壓器還具有正對(duì)面積大、漏感與電容分布小、單位空間內(nèi)電感高及便于安裝等優(yōu)點(diǎn)[2]，因而廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式變壓器的設(shè)計(jì)制造。通過以上分析可選用罐形磁芯GU48進(jìn)行特性分析設(shè)計(jì)。但由于大氣隙的存在，罐形變壓器的耦合系數(shù)受到一定影響，本次設(shè)計(jì)中對(duì)磁罐變壓器進(jìn)行適當(dāng)更改，以適應(yīng)大氣隙的要求，盡最大限度地加強(qiáng)無線電能傳輸中變壓器耦合度，減小功率損耗。

3.1 非接觸磁罐變壓器特性分析

由于非接觸磁罐變壓器的初次級(jí)線圈之間是通過氣隙來實(shí)現(xiàn)耦合的，因氣隙較大，初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通不能全部進(jìn)入次級(jí)線圈的磁路中，在氣隙磁路中磁動(dòng)勢(shì)及磁阻都很大，因此松耦合變壓器漏感不可忽略。建立磁通量流向示意及各部分磁阻示意如圖3所示。

由圖3磁阻等效圖可知

則原邊線圈漏感Llk1和副邊線圈漏感Llk2分別為

互感M為

圖3 磁通量流向及磁阻Fig.3 Flux direction and magnetoresistance

式中Rm為全部磁阻總和，表示為

因?yàn)樵诜墙佑|變壓器中，氣隙較大空氣磁阻遠(yuǎn)大于變壓器磁阻，因此Rm可化簡(jiǎn)為

由此變壓器互感可以化簡(jiǎn)為

根據(jù)變壓器互感公式可得耦合系數(shù)k為

根據(jù)漏感Llk1和Llk2公式可得

3.2 非接觸磁罐變壓器改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由耦合系數(shù)公式可知，增大k值的方法可以通過減小Rm和Rlk的比值入手，即可通過增加漏磁通的磁路長(zhǎng)度llk1、llk2（磁芯中心磁柱與邊界的距離）或減小漏磁區(qū)域的截面積Alk1、Alk2來增加漏磁阻Rlk。

根據(jù)以上分析可知，可以減小磁罐變壓器外磁柱長(zhǎng)度以增大漏磁阻Rlk。

通過ANSYS MAXWELL仿真分析，假定變壓器工作在5 mm氣隙的條件下，改變外磁柱長(zhǎng)度，分析耦合系數(shù)k，可由圖5看出，在外磁柱長(zhǎng)度為原長(zhǎng)度50%時(shí)耦合系數(shù)可達(dá)到最大值。根據(jù)分析對(duì)罐形變壓器的改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.3 變壓器對(duì)比分析

圖4 截面面積和漏磁通線長(zhǎng)度Fig.4 Area of cross section and length of leakage flux lines

圖5 變壓器外磁柱長(zhǎng)度同耦合系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between length of outer magnetic cylinder and coupling coefficient

圖6 變壓器3D建模Fig.6 Three-dimensional modeling of transformer

根據(jù)相對(duì)旋轉(zhuǎn)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)本文中應(yīng)用的磁罐變壓器進(jìn)行仿真，分析磁罐式變壓器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在大氣隙條件下的耦合程度。并對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其仿真參數(shù)如表1所示。

本文中對(duì)上述兩種磁罐變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比，在保持變壓器變比不變的情況下，通過改變變壓器原副邊氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行仿真。

為研究改進(jìn)式非接觸式變壓器與原型相比在原、副邊結(jié)構(gòu)氣隙不同的情況下對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，首先對(duì)這兩種罐形結(jié)構(gòu)在相對(duì)靜止條件下不同氣隙時(shí)的磁密進(jìn)行仿真，變壓器磁密云圖如圖7所示。

根據(jù)圖7可以看出，當(dāng)氣隙相對(duì)較小的情況下原型非接觸旋轉(zhuǎn)變壓器的磁密效果好，但隨著氣隙的增大改進(jìn)式非接觸變壓器的好處得以體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)在大氣隙條件下，盡可能提高變壓器傳輸能力。

表1 GU48仿真參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.1 Design of simulation parameters for GU48

圖7 變壓器磁密云圖Fig.7 Magnetic nephogram of transformer

在旋轉(zhuǎn)式非接觸變壓器勵(lì)磁系統(tǒng)中，磁場(chǎng)雖然可在變壓器原邊與副邊磁芯中形成一個(gè)立體回路，但在氣隙較大情況下，變壓器原副邊磁路發(fā)散較大，因而導(dǎo)致變壓器耦合系數(shù)急劇降低，對(duì)原變壓器進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，因外磁柱長(zhǎng)度降低，線圈匝數(shù)增加，當(dāng)氣隙較大的情況下，可以適當(dāng)加強(qiáng)耦合程度。

根據(jù)以上分析，并對(duì)新型罐形變壓器級(jí)原罐形變壓器進(jìn)行ANSYS MAXWELL仿真，耦合系數(shù)與氣隙大小的對(duì)比關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 2種結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curves of coupling coefficient between two structures

由圖8可知，改進(jìn)式新型變壓器耦合系數(shù)在5 mm處為0.59，原變壓器只能達(dá)到0.48。提升比例達(dá)20%。

4 不同變壓器結(jié)構(gòu)的傳輸性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)以上提出的兩種變壓器分別進(jìn)行繞制，并搭建如圖9所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，變壓器模型如圖10所示。在S諧振補(bǔ)償?shù)臈l件下分析系統(tǒng)傳輸特性。

原型變壓器匝數(shù)比為13:13，改進(jìn)后匝數(shù)比為25:25，改變氣隙大小分別為1 mm、5 mm，可以測(cè)得變壓器參數(shù)如表2、表3所示。根據(jù)變壓器在氣隙1 mm、5 mm條件下耦合系數(shù)的不同，在氣隙5 mm改進(jìn)后變壓器耦合系數(shù)最優(yōu)的條件下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

由于傳輸效率與負(fù)載有關(guān)，為探尋在最優(yōu)負(fù)載條件下改進(jìn)后變壓器是否能有效提高傳輸效率，對(duì)不同負(fù)載條件下傳輸效率實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以得出不同負(fù)載下變壓器傳輸效率曲線如圖11所示。

由圖11可以看出，在負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)，原模型變壓器和改進(jìn)后模型變壓器傳輸效率均可達(dá)到最大。因此該負(fù)載下，補(bǔ)償電容分別為613 nF和256 nF，測(cè)得變壓器副邊實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Experimental platform

當(dāng)變壓器為原型時(shí)，在氣隙為5 mm情況下傳輸效率為0.56。更改為新型變壓器，在負(fù)載條件不變的情況下，傳輸效率可提升至0.63。改進(jìn)后變壓器傳輸效率提升比率達(dá)12.5%。

表2 1 mm氣隙變壓器參數(shù)Tab.2 Parameters of transformer with 1 mm air gap

表3 5 mm氣隙變壓器參數(shù)Tab.3 Parameters of transformer with 5 mm air gap

圖11 變壓器傳輸效率曲線Fig.11 Transmission efficiency curves of transformer

圖12 改進(jìn)前后變壓器副邊電壓電流波形Fig.12 Voltage and current waveforms on secondary side of transformer before and after improved

5 結(jié)語

針對(duì)非接觸旋轉(zhuǎn)式變壓器在大氣隙條件下耦合程度較小的問題，提出一種應(yīng)用于非接觸旋轉(zhuǎn)式變壓器的新型磁芯結(jié)構(gòu)，分析這種新型結(jié)構(gòu)的原理。通過MAXWELL仿真,對(duì)比所提出的新型結(jié)構(gòu)同原磁芯結(jié)構(gòu)的差異性，比較兩種結(jié)構(gòu)的磁密云圖，根據(jù)仿真結(jié)果得出不同變壓器結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣。最后根據(jù)仿真結(jié)果，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同負(fù)載下進(jìn)行兩種變壓器的傳輸效率對(duì)比，得出不同變壓器對(duì)傳輸效率的影響。