基于非接觸式供電系統的新型旋轉變壓器設計與優化

李柏江，李巖松，王思涵，劉君

(華北電力大學，北京102206)

0 引 言

非接觸供電技術是一種基于電磁感應能量傳輸原理的新技術。相比于傳統供電方式，可以有效避免因接觸而產生的系統機械損耗，從根本上消除供電回路短路的可能性，大大降低事故發生率。目前，這項技術已經在航空、石油鉆井、電動車充電等領域進行了大量的試驗研究和實際應用，滿足了在某些特殊環境下用電設備對供電質量、安全性和可靠性的要求[1-2]。

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

1 新型可旋轉松耦合變壓器仿真設計

由于松耦合變壓器存在氣隙，而氣隙的磁阻遠大于磁芯，在低頻下只能有很少一部分功率耦合到副邊。利用DC-AC變換將直流電轉化為高頻交流電，可大幅度提高系統的傳輸效率。采用SPWM調制技術可產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，非接觸供電系統原理圖如圖1所示。

作為非接觸供電系統的核心功率元件，松耦合變壓器的傳輸效率決定了整個系統的效率。文獻[5]介紹了非接觸電能傳輸系統的原理并搭建了松耦合變壓器的數學模型。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，在設計變壓器時，工作頻率和負載值是需要考慮的直接影響參數，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構設計

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

新型可旋轉松耦合變壓器主要由“工字型”內管和“輪胎型”外管構成，如圖2所示。其特點在于：外管與內管上下環對應，相當于將磁通從一次側“送”到二次側，這樣的嵌套結構可以大幅度減小漏感。

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

1.2 松耦合變壓器尺寸仿真

為使在一定空間內可以實現多個變壓器并聯，達到為多個元件供電的目的，變壓器的體積不宜過大。變壓器內管的內徑由轉軸的直徑決定；外管的內外徑由設備的空間大小以及氣隙決定。將仿真模型的高度設定為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

內管上下環的間距D1決定可纏繞的導線匝數，進而影響到磁場強度大小；而內管上下環的厚度D2過小會限制傳輸到二次側的磁通。由于D1與D2滿足關系：D1+2D2=固定值，因此存在最優值使得變壓器的耦合系數最大[7]。確定了D1與D2的值，根據導線線徑即可計算出線圈匝數。

耦合系數表達式[8]：

(2)

設定氣隙為2 mm，激勵電壓為100 mV。變壓器副邊空載，通過仿真對D1進行參數化掃描得到對應的耦合系數(摘取部分數據)，如表1所示。

表1 D1與耦合系數的對應關系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 系統電路圖仿真模型Fig.4 System circuit simulation model

設置電源電壓為80 V，頻率為20 kHz，原邊串聯電阻R1=5 Ω，負載R2=50 Ω。結合仿真和實際應用的需求確定氣隙值，即可完成松耦合變壓器的設計。傳輸效率隨氣隙變化的仿真結果如圖5所示。

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

由于空氣的磁阻遠大于磁芯，隨著氣隙的增加，耦合系數降低，負載獲得的功率減小，導致傳輸效率下降[9]。鑒于氣隙太小可能導致誤接觸，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

實驗原理圖與系統仿真模型相同。由于變壓器存在自感，導致一次側回路的電壓電流相位不同。因此，若要準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cosθ。如圖6所示，藍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

以松耦合變壓器為基礎搭建的非接觸供電系統的效率測試實驗平臺如圖7所示。

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

實驗過程中除控制變量外的參數均保持不變，將松耦合變壓器接入搭建好的實驗平臺中進行初步效率測試，結果如表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中數據與仿真結果對比相差較大，原因是變壓器采用整體結構作為磁芯，會產生很大的渦流損耗，使變壓器發熱增加，而在仿真環境中沒有設置考慮這個因素。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磁場和電路的基礎上添加旋轉場，轉速設置為1 r/min和2 r/min，重新進行仿真和實驗，如圖8所示。

切割后的模型仿真得到的數據與原模型差別很小，實測傳輸效率如表3。對比表2、表3數據，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系如圖9所示。

圖9 傳輸效率隨頻率變化關系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，使得耦合系數增大，導致傳輸效率增大；當頻率上升到一定數值，耦合系數趨于穩定，而高頻下導線的集膚效應突出，接近導線中心電流密度小，表面附近電流密度最大，相當于極大減小了導線的截面積，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，從而導致傳輸效率下降。

2.4 最佳負載匹配值的確定

在最佳工作頻率下改變負載值R2，負載與傳輸效率的關系如圖10所示。

圖10 傳輸效率隨負載變化關系Fig.10 Relationship of transmission efficiency varies with load

3 功率因數波動及動態性能測試

功率因數表達式為：

(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，功率因數應該越小，但實驗過程中卻是處于波動狀態。這是由于頻率較低時，R較小，ω增大速度快，功率因數下降；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導線，可以使電流產生均勻，相當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。重新進行上述實驗，得到傳輸效率為91.2%。

解決了功率因數波動問題之后，對變壓器進行動態性能測試。以上實驗均是在變壓器靜止狀態下進行的，接下來將設計好的變壓器放置在帶轉軸的轉盤上重新進行效率測試。將變壓器內管固定在轉軸上，轉速分別設置為1 r/min和2 r/min，得到傳輸效率分別為89.74%與88.63%。

4 結束語

通過COMSOL仿真設計出了一種基于非接觸供電系統的新型可旋轉松耦合變壓器，可在靜止和旋轉兩種狀態下保持較高的傳輸效率。當然，對變壓器尺寸進行適當調整可以適用于不同設備，針對不同工作環境可以改變磁芯的材料來達到優化系統的目的。例如，若對變壓器的機械強度要求不高，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，以及提高轉速后減小對效率的影響，這都是今后需要努力完善的。