U型磁芯結構ICPT系統(tǒng)功率傳輸容量研究

夏晨陽，賈娜，莊裕海

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116)

U型磁芯結構ICPT系統(tǒng)功率傳輸容量研究

夏晨陽，賈娜，莊裕海

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116)

感應耦合電能傳輸(ICPT)技術是近年來發(fā)展起來的一種新型電能傳輸模式。為了實現(xiàn)磁路耦合機構的最大能量傳輸，本文從磁路角度對常用的U型磁芯磁路機構的功率傳輸能力進行了分析，得出了系統(tǒng)傳輸功率能力與磁芯機構形狀和大小、原邊導軌位置、工作頻率以及副邊拾取線圈匝數(shù)等因素之間的關系，并給出了U型磁芯結構下的磁路耦合機構的優(yōu)化設計。根據理論分析結果對ICPT系統(tǒng)磁路耦合機構進行實驗研究，實驗結果驗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

感應耦合電能傳輸(ICPT)技術是一種新型電能傳輸模式，該技術綜合應用電力電子技術、磁場耦合技術和現(xiàn)代控制理論等，通過一次側、二次側線圈間的耦合磁場實現(xiàn)電能從靜止電源系統(tǒng)向一個或多個可移動用電設備的非電氣直接接觸電能傳輸［1］。通過感應耦合方式供電，增加了用電設備的靈活性，消除了傳統(tǒng)供電方式的安全隱患，彌補了傳統(tǒng)供電方式存在的因為電氣連接產生的缺陷［2］。因此，感應耦合供電技術是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術。目前正受到國內外越來越多學者和公司的關注，并得到了廣泛的應用［3，4］。

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

本文針對副邊滑動型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，通過分析得出了系統(tǒng)功率傳輸容量的近似計算公式。在此分析基礎上，在特定的U型磁芯機構下，提出一種副邊繞組匝數(shù)的優(yōu)化計算方法，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)最大功率容量輸出。

2 ICPT系統(tǒng)磁路機構介紹

ICPT系統(tǒng)磁路耦合機構根據不同環(huán)境需求，其磁能轉換機構可以有多種模式，如可分離變壓器型、同軸變壓器型、旋轉變壓器型、平面螺旋型以及副邊滑動型等非接觸電能傳輸電磁機構。其中，副邊滑動型非接觸電能傳輸電磁機構適用于原、副邊線圈具有相對滑動的情況，它解決了現(xiàn)代移動電氣設備在運動中的靈活性供電需求。根據實際需求，副邊滑動型非接觸電能傳輸電磁機構可以做成O型、U型、E型、EI型等結構。本文主要對較常見的U型磁芯結構的功率容量進行分析，其磁芯結構如圖1所示。

圖1中，Ip是原邊導軌線圈電流;Is是副邊拾取線圈電流;N1是原邊導軌線圈的匝數(shù);N2是副邊導軌線圈的匝數(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型磁芯結構Fig.1 Structure of U-magnetic core

3 ICPT系統(tǒng)U型磁路機構功率容量分析與優(yōu)化

3.1 U型磁芯磁路機構分析

圖2為原邊勵磁導線處于U型磁芯的中央、通過電流后磁場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，必須對空氣部分的磁阻進行分析和計算。用有限元法以及電磁場相似原則分析磁場雖然準確，但使用比較復雜。比較實用的方法是可以估計磁通可能的路徑，把整個磁場分為幾個簡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中各個圖對應的空氣部分磁導。

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

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

整個磁芯部分的磁阻定義為

3.2 U型磁芯磁路功率容量計算與優(yōu)化

為了分析系統(tǒng)的功率容量，需要對系統(tǒng)的磁路機構進行分析，根據磁路原理，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)分別表示原邊導軌和副邊拾取線圈的磁動勢。根據磁路歐姆定律，可以求得通過副邊繞組的等效磁通

原副邊磁動勢方程

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。根據電磁感應定律，原邊導軌中電流在副邊線圈上產生的感應電壓可以表示為

為了實現(xiàn)功率的最大化傳輸，通常需要對原副邊繞組的電感進行補償，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)調諧的ICPT系統(tǒng)簡化模型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

由于副邊內阻Rs相對于負載電阻R很小，可以忽略不計。在全諧振條件下，副邊回路呈阻性。因此副邊電流表達式為

根據磁路定律，可得到原邊磁路方程

那么，系統(tǒng)輸出功率為

求解

可得，當

時，系統(tǒng)輸出功率達到最大，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構以及原邊導軌位置等參數(shù)(表現(xiàn)在磁阻R中)對系統(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式為

其中，S為磁芯繞線的橫截面積;U的表達式見式(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)磁路機構功率最大化實驗驗證

根據以上分析，選定U磁芯機構參數(shù)，系統(tǒng)設定參數(shù)分別見表1和表2。

表1 磁芯機構參數(shù)Tab.1 Parameter ofmagnetic core

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

根據如表1和表2所示的系統(tǒng)參數(shù)，搭建ICPT系統(tǒng)，采用U型磁芯的磁路機構，得到系統(tǒng)在U型磁芯結構下的功率容量隨副邊繞組匝數(shù)的關系，如圖7所示。

從圖7中可以看出，對于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，而實際系統(tǒng)中測試得出優(yōu)化匝數(shù)為17匝，實驗驗證的結果與理論分析結果基本近似。實驗結果與理論分析有一定的誤差，原因有兩個:一是在理論分析中，空氣氣隙的磁導多采用近似計算，因此有一定誤差，而且忽略了原副邊繞組漏感;二是由于在實際的系統(tǒng)電感和電容的匹配上，不能達到完全諧振。這兩方面導致了系統(tǒng)實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的關系Fig.7 Output power of U-model core varying with N2

5 結論

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

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(，cont.on p.76)(，cont.from p.10)

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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

國家自然科學基金(51307173)、高等學校博士學科點專項科研基金(20120095120022)、中國博士后基金(2012M521140)、江蘇省自然科學基金(BK20130188)資助項目

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