浮標(biāo)系統(tǒng)中電磁耦合器對電能傳輸效率影響的研究

黃 超,李醒飛*,謝子銘,楊少波,李洪宇

(1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué)青島海洋技術(shù)研究院，山東 青島 266237；3.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

引 言

如今，錨定式海洋浮標(biāo)系統(tǒng)已成為海洋立體監(jiān)測網(wǎng)中的一個(gè)重要組成部分，它對于海上氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測等方面都起著至關(guān)重要的影響[1]。在研究錨定式浮標(biāo)過程中，出現(xiàn)了一些需要我們?nèi)タ朔膯栴}。例如，在復(fù)雜海洋環(huán)境中的電能傳輸問題。眾所周知，傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)一般都采用接觸式電能傳輸[2]，但是在錨定式海洋浮標(biāo)系統(tǒng)中，由于其特殊的工作環(huán)境，如果在水下長時(shí)間采用接觸式電能傳輸，其密封結(jié)構(gòu)接頭處和一些其它導(dǎo)線容易產(chǎn)生斷裂等情況，系統(tǒng)很容易因此而失效。另外在傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)中還常常用到自容式供電方式[3]，這種方法雖然克服了接觸式電能傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，但是它自身的缺點(diǎn)也非常明顯：沒有電能的補(bǔ)給來源，無法長時(shí)間的、周期性的在海里工作。與傳統(tǒng)的方法相比，非接觸式電能傳輸技術(shù)(CLPT)大大克服了傳統(tǒng)電能傳輸方法的缺陷，研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用非接觸式電能傳輸技術(shù)，再加上合理的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)，能很好的運(yùn)用在浮標(biāo)系統(tǒng)中去應(yīng)對復(fù)雜的海洋環(huán)境，并且電能傳輸效率也能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 浮標(biāo)系統(tǒng)非接觸電能傳輸工作原理介紹

整個(gè)錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)分為三部分：水上部分、傳輸部分和水下部分。首先通過太陽能電池板給水上終端裝置內(nèi)的蓄電池充電，然后如圖2所示，再通過高頻全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化成交流電傳輸至電磁耦合器初級，利用感應(yīng)耦合原理，把轉(zhuǎn)化成的交流電通過電磁耦合器產(chǎn)生的磁場進(jìn)行耦合，將電能傳輸至電磁耦合器次級，然后電磁耦合器次級傳出的交流電通過鋼纜傳輸至與傳感器連接的電磁耦合器，再進(jìn)行一次耦合傳輸，最后經(jīng)過整流與濾波電路，最終實(shí)現(xiàn)給海里的傳感器供電(傳感器最深位置可以位于海面下4000 m處)。

圖1 錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)簡圖

圖2 系統(tǒng)基本的工作原理圖

電磁耦合器是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)非接觸電能傳輸?shù)年P(guān)鍵器件，它的一些參數(shù)的變化對其電能傳輸效率的影響很大，經(jīng)過分析得知，影響電磁耦合器電能傳輸效率的主要因素有[4]：磁芯的材料和幾何結(jié)構(gòu)、電磁耦合器間隙、偏移量、繞組方式等，下面就這些重要因素進(jìn)行詳細(xì)的研究。

2 磁芯材料和幾何結(jié)構(gòu)的選擇

磁芯是電磁耦合器很重要的一部分，選擇合適的材料能有效提高其傳輸效率，常見的磁芯材料一般分為硬磁材料和軟磁材料[5]，電磁耦合器作為用于非接觸電能傳輸?shù)钠骷?，要具有較高的磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度，較低的鐵損、矯頑力等，所以選擇軟磁材料。軟磁性材料是指具有小的剩磁和矯頑力的材料，它的功能主要是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸[6]。它的材料主要有：合金薄帶或薄片、非晶鈦合金薄帶、鐵粉芯、鐵氧體等[7]。再結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，本文接下來對于仿真或?qū)嶒?yàn)所用的軟磁材料均為鐵氧體，鐵氧體本身還具有高頻損耗小、繞組耦合特性好、不易生銹等優(yōu)點(diǎn)[8]。

對于用鐵氧體作為材料的磁芯來說，其磁芯形狀相較于其它軟磁材料來說較多，有C型、E型、U型、圓環(huán)型、罐型、矩型等等[9]。因?yàn)橐话汶姶篷詈掀髦g存在較大的間隙，所以有一部分的漏感存在，為了保證傳輸效率，則需要磁芯繞組本身有一定的電感值，因此，采用磁芯繞組電感值作為選擇此磁芯幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)最為合適。關(guān)于磁芯繞組電感值，需引入電感系數(shù)這一參數(shù)，電感系數(shù)表示磁芯具有一匝線圈時(shí)的電感量，電感量的公式為：

L=N2AL

(1)

式中，N為線圈的匝數(shù)；AL為磁芯的電感系數(shù)。

在電磁耦合器中，計(jì)算電感系數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

式中，μ?為磁芯的有效磁導(dǎo)率；A?為磁芯的橫截面積；l?為磁芯的有效磁路長度。

從式(1)可以看出，如果匝數(shù)不變，要想提高電感量，就要提高磁芯的電感系數(shù)。又由式(2)可以看出，想要提高磁芯的電感系數(shù)，有效的途徑是：(1)提高磁芯的有效磁導(dǎo)率；(2)增大磁芯的橫截面積；(3)減小磁芯的有效磁路長度。

其中磁芯的橫截面積和磁芯的有效磁路長度是跟松耦合變壓器的幾何結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的，我們知道，在所有形狀中，周長相同的情況下，圓形的面積最大，所以想要增大磁芯的橫截面積，圓形最為合適。這樣在一定磁路的情況下，截面為圓形可獲得最大的電感系數(shù)。再結(jié)合磁芯安裝在電磁耦合器密封裝置中的難易程度，選擇罐狀磁芯最為合適。

3 間隙、偏移量對于電磁耦合器參數(shù)的影響

在系統(tǒng)中兩個(gè)電磁耦合器選用的材料、幾何結(jié)構(gòu)默認(rèn)都是相同的，所以在用Ansys Maxwell軟件在靜磁場中做電磁耦合器間隙量和偏移量仿真時(shí)，只做一個(gè)電磁耦合器的仿真，另一個(gè)電磁耦合器同理。

在研究間隙、偏移量等參數(shù)對電磁耦合器電能傳輸效率的影響時(shí)，首先需要引入耦合系數(shù)這一概念，當(dāng)松耦合變壓器間存在間隙，間隙大小的不同，就會(huì)產(chǎn)生不同量的漏磁，從而影響變壓器的耦合系數(shù)，一般情況下，耦合系數(shù)的大小和電磁耦合器電能傳輸效率的大小有著直接的關(guān)系，它通常是指電磁耦合器間實(shí)際的互感與其最大極限值之比，可以表示為[10]：

(3)

式中，M為電磁耦合器線圈之間的互感；LP為初級線圈的自感；LS為次級線圈的自感。

在Ansys Maxwell中建立3D GU60罐狀電磁耦合器模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)置鐵氧體材料磁導(dǎo)率為10 000，進(jìn)入繞組線圈的電流為5 A，初次級繞組線圈匝數(shù)都為20匝。仿真了3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時(shí)GU60罐狀電磁耦合器的耦合系數(shù)，如圖3所示，隨著間隙不斷增加，電磁耦合器的耦合系數(shù)在快速的下降。

圖3 間隙與耦合系數(shù)的關(guān)系圖

當(dāng)電磁耦合器用在錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸時(shí)，不僅僅存在間隙，還可能因?yàn)榘惭b不當(dāng)或者在海里工作時(shí)由于海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃動(dòng)使得電磁耦合器初次級發(fā)生向四周的相對偏移，偏移的發(fā)生對耦合系數(shù)也有很大的影響，如圖4所示，同種型號的電磁耦合器，同為5 mm的間隙。圖4(b)相對于圖4(a)向側(cè)邊發(fā)生了2 mm的偏移，仿真結(jié)果表明發(fā)生偏移后的體磁場強(qiáng)度變小了。

(a)無偏移量

如圖5所示，仿真了在5 mm間隙時(shí)，不同偏移量對耦合系數(shù)影響的4組數(shù)據(jù)，結(jié)論是隨著偏移量的不斷增加，耦合系數(shù)也在快速下降。結(jié)合圖3和圖5不難看出，GU60磁芯在5 mm間隙時(shí)的耦合系數(shù)大概在0.57左右，但是一旦發(fā)生偏移，耦合系數(shù)將進(jìn)一步減少，當(dāng)相對于電磁耦合器中心線向周圍偏移1.0 cm時(shí)，耦合效率只有0.34了，而在錨定式系統(tǒng)中存在兩個(gè)電磁耦合器，如果兩個(gè)電磁耦合器同時(shí)發(fā)生偏移，將極大地影響電能傳輸效率，所以需要給電磁耦合器設(shè)計(jì)良好的密封裝置，使之容易拆卸又能保證固定不偏移。

圖5 偏移量與耦合系數(shù)的關(guān)系圖

4 繞組位置對于電磁耦合器參數(shù)的影響

為了更好的研究繞組位置對于電磁耦合器參數(shù)的影響，這里引入U(xiǎn)型磁芯，在U型磁芯材料、結(jié)構(gòu)、間隙相同得情況下，繞組位置的不同也直接影響著耦合系數(shù)值。如圖6仿真圖所示，很清楚的看出傳統(tǒng)的中間繞組要比端部繞組漏磁更多，(b)圖相對于(a)圖的磁力線分布更多，更加密集，因此可以提高耦合系數(shù)。

(a)中間繞組(間隙5 mm)

如圖7所示，測試時(shí)用的磁芯材料、結(jié)構(gòu)均相同，初次級都為20匝，不同的是一個(gè)采用端部繞組的方式，一個(gè)采用中間繞組的方式，很明顯可以看出，隨著初次級電磁耦合器間的間隙增加，耦合系數(shù)均開始下降，但是端部繞組要比中間繞組下降的緩慢，且在同樣的間隙時(shí)，端部繞組要比中間繞組的耦合系數(shù)大，尤其當(dāng)間隙越大時(shí)，端部繞組的優(yōu)勢越發(fā)明顯。

圖7 不同繞組時(shí)間隙與耦合系數(shù)關(guān)系曲線對比圖

5 高耦合系數(shù)的電磁耦合器

上述研究得出以下結(jié)論：(1)當(dāng)磁芯橫截面積較大時(shí)，漏磁將會(huì)減少，可以提高耦合系數(shù)。(2)在相同的間隙、匝數(shù)下，電磁耦合器的初次級繞組中心位置越近時(shí)，耦合系數(shù)越大。(3)相同間隙、匝數(shù)下，電磁耦合器初次級偏移量越小，耦合系數(shù)越大?；谶@樣的研究結(jié)果，下面提出一種運(yùn)用平面磁芯和平面繞組的電磁耦合器。但是，雖然平面磁芯和平面繞組的電磁耦合器能夠最大化的提高耦合系數(shù)，可是無法良好的安裝在浮標(biāo)系統(tǒng)中去應(yīng)對復(fù)雜的海下環(huán)境，所以接著提出一種超扁罐狀磁芯和平面繞組的組合方式(如圖8所示)，這樣既可以增加磁芯的有效面積又可以使得初次級繞組的中心位置最近。

圖8 新電磁耦合器繞組與磁芯示意圖

6 新電磁耦合器測試

圖9是新電磁耦合器與上面研究時(shí)用的GU60罐狀電磁耦合器的對比圖，在磁芯材料、繞組匝數(shù)都相同的情況下，平面繞組超扁罐磁芯相比于GU60罐裝磁芯在相同間隙下的耦合系數(shù)有了很大的提高，有利于提高電能的傳輸功率。

圖9 新電磁耦合器與GU60電磁耦合器對比圖

7 應(yīng)用于系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)對比

將兩個(gè)平面繞組超扁罐狀磁芯設(shè)置初、次級各20匝帶入系統(tǒng)中，運(yùn)用SSS型補(bǔ)償方式(初、中、次都串聯(lián)電容的方式)，諧振頻率為30 KHZ。對比電磁耦合器在3、5、8 mm時(shí)的傳輸效率變化值，如下圖10所示，隨著間隙的不斷增加，傳輸效率變得越來越低，原因是因?yàn)殚g隙增大，耦合系數(shù)減小。還可以看出傳輸效率跟工作頻率緊密相關(guān)，在某一固定間隙時(shí)，隨著工作頻率的增加，傳輸效率也在增加，當(dāng)達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率到達(dá)峰值狀態(tài)，在偏離諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率又慢慢減小。

圖10 新型電磁耦合器效率隨工作頻率變化曲線(不同間隙)

圖11為4種不同磁芯或者不同繞組的電磁耦合器帶入系統(tǒng)中，間隙為3 mm時(shí)的測試結(jié)果，很明顯可以看出，在調(diào)整成平面繞組加超扁罐狀磁芯的新型電磁耦合器后，電能的傳輸效率要明顯優(yōu)于其它三種在研究中出現(xiàn)的電磁耦合器。

圖11 不同電磁耦合器隨工作頻率變化曲線對比圖

8 結(jié)論

主要利用Ansys Maxwell分析了電磁耦合器間隙、偏移量、繞組位置等參數(shù)對于耦合系數(shù)的影響。研究表明隨著間隙、偏移量的增加，耦合系數(shù)將會(huì)下降。當(dāng)間隙、位移量、匝數(shù)一定時(shí)，增加磁芯橫截面積和縮短初、次級繞組中心位置能有效的提高耦合系數(shù)。研究表明，新提出的平面繞組超扁型罐狀電磁耦合器在同間隙時(shí)的耦合系數(shù)遠(yuǎn)高于其它普通的電磁耦合器。放入錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)中測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，平面繞組超扁形電磁耦合器的電能傳輸效率也大于普通電磁耦合器。