学术简报：旋转式松耦合变压器的绕组优化设计
电气新科技2019-07-25 10:18
辽宁工程技术大学电气与控制工程学院的研究人员杨玉岗、吴瑶、黄伟义，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文指出，旋转式无线励磁系统的核心部件松耦合变压器因存在大气隙，导致其漏感较大，无法有效地提高耦合系数，从而限制了系统效率的提升。
为解决该问题，首先对旋转式松耦合变压器进行等效建模与漏感分析，针对常见绕组存在的缺陷进行了改进设计，提出PCB绕组结构。利用Ansys/Maxwell仿真分析软件确定该优化结构的可行性。设计S-S谐振补偿方案，运用Simplorer与Maxwell进行联合仿真，进一步验证该方案的优化程度。
最后搭建实验平台，对改进前后松耦合变压器在较大气隙条件下的耦合系数与传输效率进行对比，验证了所提方案的合理性。
旋转式无线励磁电源隶属于无线电能传输领域，是一种近年来获得广泛发展的能量传输技术。该技术主要以旋转式松耦合变压器作为核心部件，通过高频磁场的耦合实现供电侧与负载侧无导线、无物理连接的能量传输。目前，国内外专家学者对该技术进行了较为深入的研究。
有学者提出了将非接触能量传输技术引入到传统励磁系统中，形成新型的非接触式同步电机转子励磁系统。在1mm气隙下，对相邻式与嵌套式线圈结构的松耦合变压器进行相对旋转状态的3D瞬态仿真。但对较大气隙条件下松耦合变压器的研究较少。
有学者对串联-串联谐振补偿进行了稳定性分析，大幅提高了非接触式同步电机励磁电源的传输效率，为本设计的谐振补偿方案提供了理论基础。
在无线电能传输系统中，提高逆变器开关频率，增加松耦合变压器耦合系数（电磁感应耦合电能传输系统传输距离与可分离变压器一次侧、二次侧距离直接相关，增加传输距离会增加气隙，导致一次侧、二次侧漏感增加，通过合理设计松耦合变压器，尽量减小气隙变化对耦合系数的影响），同时加入谐振补偿装置可提高ICPT系统传输效率。
本文通过对变压器的磁心及绕组结构进行分析，提出采用PCB绕组取代利兹线绕组的设计结构。利用Ansys/Maxwell仿真分析软件对比分析该结构与利兹线绕组结构漏磁通及磁通密度的优缺点。选用S-S谐振补偿电路，制定无线励磁电源设计方案。运用Simplorer与Maxwell进行联合仿真，验证该方案的优化程度。最后通过实验，对改进后松耦合变压器在较大气隙条件下的耦合系数和传输效率进行了验证。
图1 旋转式无线励磁电源结构
图12 Simplorer与Maxwell联合仿真模型
图21 无线励磁系统实验平台结论
针对旋转式无线励磁系统中松耦合变压器在较大气隙条件下耦合系数低而影响传输效率的问题，通过对松耦合变压器模型进行漏感分析，提出PCB绕组结构。建立PCB绕组与利兹线绕组松耦合变压器的Maxwell 3D仿真模型，分析旋转式松耦合变压器中磁通密度、漏磁及气隙等参数对耦合系数的影响。设计S-S谐振补偿方案，进一步减小漏磁通影响。
运用Simplorer与Maxwell进行联合仿真，验证该方案。最后搭建实验平台，通过对比两种松耦合变压器在较大气隙条件下的耦合系数和传输效率，得出采用PCB绕组绕制的松耦合变压器比采用利兹线绕组绕制的松耦合变压器在传输效率上有一定程度的提高。
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