磁芯結構對松耦合變壓器耦合系數(shù)的影響

王建軍

(上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院,上海201209)

磁芯結構對松耦合變壓器耦合系數(shù)的影響

王建軍

(上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院,上海201209)

感應耦合電能傳輸(ICPT)系統(tǒng)中松耦合變壓器磁芯的性能對電能傳輸效率具有重要影響,磁芯的結構與變壓器的耦合系數(shù)密切相關。分析了ICPT系統(tǒng)傳輸效率的影響因素,闡述了耦合系數(shù)與串聯(lián)型補償電路輸出效率的關系。采用E型、ZY型、HQ型3種不同結構的鐵氧體磁芯進行耦合系數(shù)的對比實驗,實驗過程中,保持交流電源頻率、原邊電感、副邊電感、氣隙間距不變。實驗結果表明:不同結構的磁芯耦合系數(shù)并不相同。因此,為了提高ICPT系統(tǒng)的傳輸效率,需要通過實驗確定合適的磁芯。

磁芯結構;非接觸充電;耦合系數(shù)

0 引言

感應耦合電能傳輸(ICPT)系統(tǒng)采用的是可分離變壓器,可分離變壓器的原邊和副邊與普通的變壓器不同,兩者之間沒有鐵芯緊密相連,而是存在較大的間隙,因此產(chǎn)生很大的漏感,漏感的存在會導致系統(tǒng)電能的傳輸效率降低[1]。提高ICPT系統(tǒng)的電能傳輸效率是該類系統(tǒng)進入實際應用的關鍵技術之一?？煞蛛x變壓器的原邊與副邊的耦合系數(shù)k反映了變壓器原邊與副邊聯(lián)系的緊密程度,該值越大表示變壓器的效率越高,因此也預示著系統(tǒng)有可能具有較高的電能傳輸效率。耦合系數(shù)與多種因素有關,如可分離變壓器的結構、氣隙大小、磁芯材料、激勵信號特征等。事實上,去除上述因素,變壓器磁芯的空間物理結構對耦合系數(shù)k也具有重要的影響,在間隙一定的條件下,不同結構的磁芯,其耦合系數(shù)完全不同,但是目前在這面還缺少系統(tǒng)的研究和比較。本文通過詳細的對比實驗,探討了不同空間結構的磁芯耦合系數(shù)的特征,為ICPT系統(tǒng)的設計提供參考。

1 ICPT系統(tǒng)傳輸效率影響因素分析

ICPT系統(tǒng)一般包括輸入整流、高頻變換、可分離變壓器、輸出整流4個部分[2]。工頻交流電經(jīng)過整流逆變環(huán)節(jié)變?yōu)橹懈哳l交流電,作為可分離變壓器的激磁電源?？煞蛛x變壓器是非接觸供電系統(tǒng)的核心,其初級和次級可分離,不存在物理連接,但由于存在較大的氣隙,使得系統(tǒng)的傳輸效率降低?？煞蛛x變壓器工作在中高頻激勵狀態(tài),其激磁頻率就是逆變環(huán)節(jié)輸出的電流頻率。初級線圈中的能量通過互感作用傳遞到可分離變壓器的副邊,變壓器副邊的輸出則一般要經(jīng)過整流和輸出調節(jié)環(huán)節(jié)再供給負載。電力電子技術主要體現(xiàn)在整流逆變環(huán)節(jié)和輸出調節(jié)部分。

1.1 傳輸效率的表示方法

圖1展示的是ICPT系統(tǒng)的基本物理模型,其中T為變壓器。從圖中可以看出,系統(tǒng)的供電端和輸出端是靠無接觸的松耦合變壓器聯(lián)系在一起的。在簡化中間環(huán)節(jié)如整流與逆變過程的條件下,感應耦合非接觸供電系統(tǒng)可以用圖1的物理結構來描述[3]。無論是感性還是容性電路,都可以通過補償?shù)姆绞礁淖冸娐返奶匦浴８鶕?jù)原邊和副邊補償電容位置的不同,非接觸供電系統(tǒng)一般被分為4種拓撲結構[2,4],但無論是何種拓撲結構,電路分析所采用的方法都是類似的。因此,在這里不討論非接觸供電系統(tǒng)電路的補償方式,而只是假定電路是存在感性和容性元件的串聯(lián)補償型電路。

圖1 非接觸供電系統(tǒng)模型Fig.1 Model of contactless power system

根據(jù)圖1的系統(tǒng)結構模型,分別對變壓器的原邊系統(tǒng)和副邊系統(tǒng)列出環(huán)路電壓方程:

式中:Ui為原邊系統(tǒng)激勵電源電壓;Ii為流過變壓器原邊的電流;Ri為原邊線圈內阻;Ci為原邊電路所含器件的電容;Li為原邊電感;M為互感系數(shù);Io為副邊工作電流;Lo為副邊電感;Ro為副邊線圈內阻;Co為副邊電路所含器件的電容;RL為負載電阻;ω為激勵電源的角頻率。式(1)和(2)中對可分離變壓器采用了互感模式,這是因為可分離變壓器的原邊與副邊之間無物理連接,完全是一種開放的結構,能量的傳遞完全依靠互感的作用[5]。可分離變壓器的原、副邊線圈之間存在的空氣間隙導致一次側原邊線圈及二次側副邊線圈都存在較大的漏感。

定義傳輸效率η為副邊負載RL得到的功率PL與原邊輸入功率Pi的比值。對于RLC電路而言,處于諧振狀態(tài)時,電路中的電流最大,電能的傳輸能力最強[6-7]。因此,系統(tǒng)的原邊和副邊電路同時處于諧振狀態(tài)時是最好的,此時,系統(tǒng)的工作角頻率ω0可表示為

解方程式(1)、式(2)和式(3),得系統(tǒng)的傳輸效率

從式(4)可以看出,系統(tǒng)的電能傳輸效率與互感系數(shù)M關系密切,在其他參數(shù)固定的情況下,大的M值顯然有助于傳輸效率的提高。

1.2 耦合系數(shù)的定義

定義耦合系數(shù)k為

式中:k為無量綱的值;Li為可分離變壓器原邊的自感;Lo為副邊的自感。從中可以看出,對于一個確定的系統(tǒng)而言,當原邊和副邊的自感確定后,耦合系數(shù)與互感成正比關系。因此,當副邊內阻遠小于負載電阻時,式(4)可以表示成如下形式:

從上式可知,系統(tǒng)電能的傳輸效率隨耦合系數(shù)k的增加而增大。

2 實驗部分

2.1 實驗系統(tǒng)簡介

本文使用了自行開發(fā)的ICPT電源系統(tǒng),電源見圖2。電源由低頻交直流整流、全橋高頻逆變、頻率控制、電壓調節(jié)等部分組成。該電源系統(tǒng)具有調頻、穩(wěn)頻、調壓、穩(wěn)壓功能,頻率調節(jié)范圍是10～60 kHz。采用PWM方式調節(jié)功率輸出。該電源系統(tǒng)實際是ICPT系統(tǒng)的高頻激勵系統(tǒng),它的主要功能是為感應耦合非接觸供電系統(tǒng)的原邊提供高頻交流激勵,也就是感應耦合供電系統(tǒng)的電能輸入系統(tǒng),電能再經(jīng)過可分離變壓器傳遞到負載。

圖2 ICPT電源系統(tǒng)Fig.2 Power system of ICPT

2.2 磁芯結構對耦合系數(shù)的影響實驗

2.2.1 實驗條件設定

對于不同結構的磁芯,只有在相同的實驗條件下才能比較各自耦合系數(shù)的大小。本實驗中,對于不同結構的磁芯,將原邊與副邊的間距d、原邊線圈的自感Li(原邊電感)、副邊線圈的自感Lo(附邊電感)、負載阻值RL設為固定值。實驗方法是:實驗過程中,調節(jié)系統(tǒng)交流激勵的頻率f,系統(tǒng)工作在副邊諧振狀態(tài)時,測出副邊的開路電壓Uo和原邊電流Ii,根據(jù)公式M=Uo/(ωIi)計算出互感系數(shù)(ω是交流激勵的角頻率,ω=2πf),再根據(jù)式(5)計算出耦合系數(shù)k。

2.2.2 實驗驗證

本文選取了3種結構不同的磁芯作為研究對象,分別是E型磁芯(見圖3)、ZY型磁芯(見圖4)、圓環(huán)HQ型磁芯(見圖5)。磁芯材料為鐵氧體。實驗參數(shù)見表1,實驗結果見表2。

圖3 E型磁芯Fig.3 E-shaped ferrite core

圖4 ZY型磁芯Fig.4 ZY ferrite core

圖5 HQ型磁芯Fig.5 HQ ferrite core

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

表2 實驗結果Tab.2 Experimental results

在表2的實驗結果中,k＇為折算耦合系數(shù),它是耦合系數(shù)k與對應的磁芯截面積的相對比值。之所以采用這個值,是因為磁芯截面積會影響耦合系數(shù),相同條件下,大的磁芯面積會產(chǎn)生相對較大的耦合系數(shù)。而在本實驗中,不同結構的磁芯的截面積存在著差別,因此采用折算后的耦合系數(shù),這樣更能體現(xiàn)不同結構的磁芯的性能。

從表2可以看出,不同結構的磁芯的耦合系數(shù)值是完全不一樣的,而且相差較大。在本文所選的3種不同結構的磁芯中,ZY型磁芯的耦合系數(shù)相對較大,空心環(huán)型磁芯的耦合系數(shù)最小。這說明,對于ICPT系統(tǒng),為了獲得最大的傳輸效率,不僅要考慮磁芯的材料,也要考慮到磁芯的結構對系統(tǒng)的效率所產(chǎn)生的重要影響。另外需要指出的是,本文的實驗沒有考慮磁芯在感應磁場方向長度對結果的影響,實驗表明,磁芯長度對耦合系數(shù)也存在影響。

3 結論

本文研究了ICPT系統(tǒng)中不同結構磁芯對松耦合變壓器耦合系數(shù)的影響,選用了鐵氧體材料的E型、ZY型和HQ型3種不同結構的磁芯作為研究對象,通過實驗測定其各自的耦合系數(shù)值。實驗表明,在氣隙間距、原副邊自感、激勵電源頻率等條件相同的情況下,不同結構磁芯的耦合系數(shù)并不相同,其中ZY型的耦合系數(shù)值相對較大。這說明,對于ICPT系統(tǒng)而言,為了提高電能傳輸效率,需要選擇合適的磁芯,這不僅包括磁芯的材料選擇,還包括磁芯的結構選擇,而這些需要通過大量的實驗才能確定。

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Core Structure’Impact on the Coupling Coeffcients of Loosely Coupled Transformers

WANG Jian-jun
(School of Electronic&Electrical Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

In the inductively coupled power transfer(ICPT)system,the performance of the core of a loosely coupled transformer plays an important role on the transmission effciency.Core structure and the coupling coeffcient are closely related.The transmission effciency of ICPT system was analyzed,and the relationship between the coupling coeffcient and series compensation circuit output effciency was discussed.The coupling coeffcients for E type,ZY type and HQ type three kinds of ferrite cores were compared by experiments.During the experiments,the AC power supply frequency,the primary inductance,the second inductance and the air gap are fxed.Experiments show that coupling coeffcients for the different structures of ferrite cores are not the same.Therefore,in order to improve transmission effciency of the ICPT system,it is necessary to determine a suitable core structure by experiments.

core structure;contactless power system;coupling coeffcient

TM46

:A

1001-4543(2014)01-0032-04

2013-08-27;

2014-01-16

王建軍(1971–),男,黑龍江雙城人,副教授,博士,主要研究方向為功率電子技術,電子郵箱jjwang@sspu.edu.cn。

上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(No.08ZY81)資助