基于非接觸式供電系統(tǒng)的新型旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計與優(yōu)化

李柏江，李巖松，王思涵，劉君

(華北電力大學(xué)，北京102206)

0 引 言

非接觸供電技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)能量傳輸原理的新技術(shù)。相比于傳統(tǒng)供電方式，可以有效避免因接觸而產(chǎn)生的系統(tǒng)機(jī)械損耗，從根本上消除供電回路短路的可能性，大大降低事故發(fā)生率。目前，這項技術(shù)已經(jīng)在航空、石油鉆井、電動車充電等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的試驗研究和實際應(yīng)用，滿足了在某些特殊環(huán)境下用電設(shè)備對供電質(zhì)量、安全性和可靠性的要求[1-2]。

然而，非接觸式供電系統(tǒng)依然存在傳輸效率低，使用場合局限等問題。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計的非接觸供電系統(tǒng)采用EE型可分離變壓器，結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)；文獻(xiàn)[4]提出的一種采用扁平U型磁芯和平面螺旋式繞組改進(jìn)型變壓器可以提高系統(tǒng)的傳輸效率；但這類結(jié)構(gòu)受限于某些需要旋轉(zhuǎn)的特殊工作場合。為此，文中設(shè)計了一種新型可旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器，傳輸效率高，適用于一般工作環(huán)境以及航空航天、導(dǎo)向鉆井工具等需要變壓器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的特殊工作環(huán)境。

1 新型可旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器仿真設(shè)計

由于松耦合變壓器存在氣隙，而氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于磁芯，在低頻下只能有很少一部分功率耦合到副邊。利用DC-AC變換將直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電，可大幅度提高系統(tǒng)的傳輸效率。采用SPWM調(diào)制技術(shù)可產(chǎn)生正弦度很高的正弦波，能夠使松耦合變壓器的損耗降到最低，非接觸供電系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

作為非接觸供電系統(tǒng)的核心功率元件，松耦合變壓器的傳輸效率決定了整個系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)[5]介紹了非接觸電能傳輸系統(tǒng)的原理并搭建了松耦合變壓器的數(shù)學(xué)模型。松耦合變壓器的傳輸效率為[4]：

(1)

圖1 非接觸式供電系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the non-contact power supply system

從提高傳輸效率的角度來看，在設(shè)計變壓器時，工作頻率和負(fù)載值是需要考慮的直接影響參數(shù)，而磁芯材料和氣隙對變壓器的互感有影響，同樣需要考慮。

1.1 變壓器材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁芯材料要求高磁導(dǎo)率、高電阻率以及足夠大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。對于工作頻率高，但是對功率和工作環(huán)境要求不高的場合一般選用成本低廉的鐵氧體；而在某些特殊環(huán)境如航空、石油鉆井等要求材料有更高的居里溫度和機(jī)械強(qiáng)度，這時可以選用在高頻條件下保持穩(wěn)定性能的鐵鎳軟磁合金[6]。文中設(shè)計的變壓器選擇型號為1J50的鐵鎳軟磁合金作為磁芯材料。

新型可旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器主要由“工字型”內(nèi)管和“輪胎型”外管構(gòu)成，如圖2所示。其特點在于：外管與內(nèi)管上下環(huán)對應(yīng)，相當(dāng)于將磁通從一次側(cè)“送”到二次側(cè)，這樣的嵌套結(jié)構(gòu)可以大幅度減小漏感。

圖2 變壓器內(nèi)管和外管Fig.2 Inner and outer tube of transformer

1.2 松耦合變壓器尺寸仿真

為使在一定空間內(nèi)可以實現(xiàn)多個變壓器并聯(lián)，達(dá)到為多個元件供電的目的，變壓器的體積不宜過大。變壓器內(nèi)管的內(nèi)徑由轉(zhuǎn)軸的直徑?jīng)Q定；外管的內(nèi)外徑由設(shè)備的空間大小以及氣隙決定。將仿真模型的高度設(shè)定為50 mm，松耦合變壓器的二維軸對稱模型如圖3所示。

圖3 變壓器二維軸對稱模型Fig.3 Two-dimensional axisymmetric model of transformer

內(nèi)管上下環(huán)的間距D1決定可纏繞的導(dǎo)線匝數(shù)，進(jìn)而影響到磁場強(qiáng)度大?。欢鴥?nèi)管上下環(huán)的厚度D2過小會限制傳輸?shù)蕉蝹?cè)的磁通。由于D1與D2滿足關(guān)系：D1+2D2=固定值，因此存在最優(yōu)值使得變壓器的耦合系數(shù)最大[7]。確定了D1與D2的值，根據(jù)導(dǎo)線線徑即可計算出線圈匝數(shù)。

耦合系數(shù)表達(dá)式[8]：

(2)

設(shè)定氣隙為2 mm，激勵電壓為100 mV。變壓器副邊空載，通過仿真對D1進(jìn)行參數(shù)化掃描得到對應(yīng)的耦合系數(shù)(摘取部分?jǐn)?shù)據(jù))，如表1所示。

表1 D1與耦合系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence relationship between D1 and coupling coefficient

1.3 松耦合變壓器氣隙仿真

通過COMSOL搭建松耦合變壓器的電路模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路圖仿真模型Fig.4 System circuit simulation model

設(shè)置電源電壓為80 V，頻率為20 kHz，原邊串聯(lián)電阻R1=5 Ω，負(fù)載R2=50 Ω。結(jié)合仿真和實際應(yīng)用的需求確定氣隙值，即可完成松耦合變壓器的設(shè)計。傳輸效率隨氣隙變化的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 傳輸效率隨氣隙變化關(guān)系Fig.5 Relationship between transmission efficiency and air gap

由于空氣的磁阻遠(yuǎn)大于磁芯，隨著氣隙的增加，耦合系數(shù)降低，負(fù)載獲得的功率減小，導(dǎo)致傳輸效率下降[9]。鑒于氣隙太小可能導(dǎo)致誤接觸，在滿足傳輸效率要求下，可確定氣隙為2 mm。

2 松耦合變壓器實驗測試

2.1 變壓器傳輸效率測試實驗原理

實驗原理圖與系統(tǒng)仿真模型相同。由于變壓器存在自感，導(dǎo)致一次側(cè)回路的電壓電流相位不同。因此，若要準(zhǔn)確計算輸入到變壓器的有功功率，則需利用示波器測量電壓電流相位差θ，從而計算出功率因數(shù)cosθ。如圖6所示，藍(lán)色波形為電源兩端的電壓波形，黃色波形為R1兩端的電壓波形，與原邊電流同相位。

圖6 電壓電流相位差Fig.6 Voltage and current phase difference

從圖6中讀出電壓超前電流的時間為t，則角度θ為：

(3)

示波器測得R1、R2上的電壓分別為U1、U2，電源輸入電壓為U，則變壓器的效率為：

(4)

2.2 松耦合變壓器初步效率測試及改進(jìn)

以松耦合變壓器為基礎(chǔ)搭建的非接觸供電系統(tǒng)的效率測試實驗平臺如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)效率測試實驗平臺Fig.7 Experimental platforms for system efficiency test

實驗過程中除控制變量外的參數(shù)均保持不變，將松耦合變壓器接入搭建好的實驗平臺中進(jìn)行初步效率測試，結(jié)果如表2所示。

表2 變壓器初步傳輸效率測試Tab.2 Preliminary transmission efficiency test of transformer

表2中數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比相差較大，原因是變壓器采用整體結(jié)構(gòu)作為磁芯，會產(chǎn)生很大的渦流損耗，使變壓器發(fā)熱增加，而在仿真環(huán)境中沒有設(shè)置考慮這個因素。為了阻斷渦流形成，將松耦合變壓器沿直徑均等切割為八份，中間部分用聚酰亞胺絕緣板隔開，并在COMSOL磁場和電路的基礎(chǔ)上添加旋轉(zhuǎn)場，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 r/min和2 r/min，重新進(jìn)行仿真和實驗，如圖8所示。

切割后的模型仿真得到的數(shù)據(jù)與原模型差別很小，實測傳輸效率如表3。對比表2、表3數(shù)據(jù)，可以明顯看出傳輸效率有了很大的提升。

圖8 切割后變壓器仿真模型Fig.8 Simulation model of the transformer after cutting

表3 切割后變壓器傳輸效率測試Tab.3 Transformer transmission efficiency test after cutting

2.3 最佳工作頻率的確定

改變輸入電壓的頻率，得到傳輸效率與頻率的關(guān)系如圖9所示。

圖9 傳輸效率隨頻率變化關(guān)系Fig.9 Relationship of transmission efficiency varies with frequency

變壓器傳輸效率隨著頻率上升先增大后減小，最佳工作頻率為35 kHz。這是由于頻率上升，使得耦合系數(shù)增大，導(dǎo)致傳輸效率增大；當(dāng)頻率上升到一定數(shù)值，耦合系數(shù)趨于穩(wěn)定，而高頻下導(dǎo)線的集膚效應(yīng)突出，接近導(dǎo)線中心電流密度小，表面附近電流密度最大，相當(dāng)于極大減小了導(dǎo)線的截面積，使得交流電阻成倍增加，消耗的有功功率增大，除此之外，磁芯損耗也與頻率的m(m>1)次方成正比，從而導(dǎo)致傳輸效率下降。

2.4 最佳負(fù)載匹配值的確定

在最佳工作頻率下改變負(fù)載值R2，負(fù)載與傳輸效率的關(guān)系如圖10所示。

圖10 傳輸效率隨負(fù)載變化關(guān)系Fig.10 Relationship of transmission efficiency varies with load

3 功率因數(shù)波動及動態(tài)性能測試

功率因數(shù)表達(dá)式為：

(5)

式中R為原邊電阻；L為原邊電感；ω為角頻率。由式(5)可知，隨著頻率的增大，功率因數(shù)應(yīng)該越小，但實驗過程中卻是處于波動狀態(tài)。這是由于頻率較低時，R較小，ω增大速度快，功率因數(shù)下降；隨著頻率升高，R增加的速度大于ω增加的速度，功率因數(shù)上升。為減小交流電阻增大帶來的不必要損耗，提高傳輸效率，采用多股利茲線來代替銀質(zhì)導(dǎo)線，可以使電流產(chǎn)生均勻，相當(dāng)于給電流提供了更大的通路，適用于高頻條件下來減小集膚效應(yīng)。重新進(jìn)行上述實驗，得到傳輸效率為91.2%。

解決了功率因數(shù)波動問題之后，對變壓器進(jìn)行動態(tài)性能測試。以上實驗均是在變壓器靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，接下來將設(shè)計好的變壓器放置在帶轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)盤上重新進(jìn)行效率測試。將變壓器內(nèi)管固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 r/min和2 r/min，得到傳輸效率分別為89.74%與88.63%。

4 結(jié)束語

通過COMSOL仿真設(shè)計出了一種基于非接觸供電系統(tǒng)的新型可旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器，可在靜止和旋轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下保持較高的傳輸效率。當(dāng)然，對變壓器尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可以適用于不同設(shè)備，針對不同工作環(huán)境可以改變磁芯的材料來達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。例如，若對變壓器的機(jī)械強(qiáng)度要求不高，可以利用鐵氧體代替鐵鎳軟磁合金來作為磁芯，可減小變壓器的重量；

另一方面，如何在仿真中設(shè)置溫度場來分析功率損耗，保證傳輸效率的同時滿足大功率的要求，以及提高轉(zhuǎn)速后減小對效率的影響，這都是今后需要努力完善的。