非接触变压器磁路模型及结构优化.PDF

第X 卷 X 期 电 工 电 能 新 技 术 Vol.X ，No.X X 年 X 月 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy X ．X 非接触变压器磁路模型及结构优化 1,2 1 1 徐罗那 ，杜玉梅 ，史黎明 （1.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，中国科学院电工研究所,北京 100190; 2. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院,北京 100049 ） 摘要：非接触变压器是感应电能传输系统中的核心结构，其耦合系数直接影响系统的电能传递 效率，因此对其结构优化一直是研究的重点。本文针对一种应用于轨道交通领域的原、副边结 构不对称的非接触变压器，根据线性系统的磁场叠加原理，分析了非接触变压器在副边开路和 原边开路时其周围的磁场分布，建立了磁路模型，并推导得到原、副边电感及耦合系数的近似 计算公式。基于该计算公式对磁路结构进行定性优化，有限元仿真证明了所提磁路模型和参数 计算的正确性。在此基础上，利用该磁路模型，优化非接触变压器的结构，提出梯形绕组截面 的绕组布置方式，以提高耦合系数；并对原、副边绕组匝数关系进行优化计算，使系统效率最 优。根据以上优化，制作非接触变压器实验样机，在 48mm 气隙下，非接触变压器的耦合系数 达到0.45 ，30kW 非接触供电系统的效率最高达到85.3%。 关键词：非接触变压器；磁路模型；绕组截面；耦合系数 中图分类号：TM42 文献标识码：A 文章编号：1003-3076 (2017) 00-0000-00 DOI ：10.12067/ATEEE1703054 1 引言 路和磁路两个方面展开。 感应电能传输（Inductive Power Transfer ，IPT ） 负载 整流电路 副边绕组 是基于磁场耦合实现电能传输的供电技术，利用原、 直流电源 逆变器 原边绕组 副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场耦合 来传输电能。相比于传统的利用接触导体进行供电 图 1 IPT 系统示意图 的方式，非接触供电具有使用方便、安全可靠、受 Fig.1 IPT system [1,2] 环境影响小、维护成本低等优势 ，日益成为研究 从电路角度，通常采用不同的补偿拓扑，使非 热点，并在工业生产、医疗、交通和日常生活等领 接触变压器工作在谐振状态，从而提高输出侧的感 [3-5] [9-12] 域获得一定应用 。 应电压 。文献[9]对比了不同补偿拓扑下的电压 非接触供电系统由直流电源、逆变器、非接触 电流增益、功率因数计算。文献[13-15]给出了多种 变压器、整流电路和负载组成，其示意图如图1 所 补偿拓扑中补偿电容的选取依据。从磁路角度，分 示。逆变器将直流电逆变成高频交流电，作为非接 析非接触变压器周围的磁场，提取磁路模型，对非 触变压器原边绕组的输入，IPT 系统通过非接触变