用于非接触电能传输系统的新型变压器

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1、用于非接触电能传输系统的新型变压器摘要——变压器的耦合系数k是影响非接触能量传输系统（CETS）效率的一个重要参数。为提高非接触变压器的耦合系数，减小其体积和重量，这篇论文提出了改进磁芯结构和绕组排列方法，也提出了新型非接触变压器的磁路模型。基于磁通耦合，在K的计算方法中找到电磁磁阻。一个60W的非接触能量传输系统装配了一种非接触变压器。变压器耦合系数的计算结果和测试结果一致。与原先的变压器相比，耦合系数可从0.53提高到0.6，磁芯质量从122g减小到60g，最高变换效率提高了约2.5%。关键术语——非接触变压器，耦合系数，磁路模型，优化。1、介绍在没有物理连接的非接触式变压器的帮助下，非

2、接触能量传输系统传送电能。由于可靠性、安全性和灵活性的独特优势，尤其是在潮湿的或有害的环境中通过非接触能量传输系统给移动设施例如手机、电动汽车和完全植入的装置供电的需求增加。图1中显示非接触能量传输系统的结构。其中包括直交逆变器、非接触式变压器、整流电路、非接触式反馈和接收电路、控制电路。非接触式反馈和接收技术是相对成熟的，包括红外反馈的SAEJ-1773和磁场的反馈。作为CETS的核心组成部分，非接触式变压器通常有相对较大的漏感并且可以显著地减少由于一个大的气隙分离而产生的初级和次级磁化电感，导致CETS的低获得和高损耗。所以，在CETS的应用中，转换器拓扑结构包括电路的漏感操作如谐振拓扑

3、及软开关拓扑结构是绝佳的选择。图1非接触能量传输系统的结构虽然可以减轻谐振拓扑与大空隙有关的问题，非接触式变压器的耦合系数较低仍是一个瓶颈，限制了CETS的效率。例如，在60W的CETS中，有一个在10mm空气间隙中的耦合系数为0.532的非接触式变压器，该系统可以实现在满负荷情况下最高的效率为88%。类似地，变压器的耦合系数在相同条件下采用0.390，满负荷情况下最大的转换效率只有78%。有调查，为了提高变压器的耦合系数需要以中增大体积和重量作为代价。外部直径为520mm、重量为17.2kg的非接触式变压器的提出，其应用价值因为大尺寸和重量被削弱。因此，改进之一是发展[16]，将整个圆柱形

4、状的核心分裂成几扇，达到在50mm的空气间隙中k为0.5。类似的问题也存在于人工心脏的非接触式能量传输系统中。550g重的POT66/55的核心是采用[7]，以及在[14]中使用重量为122g的E64/10/50平面的核心。提高变压器的耦合系数，减少它的大小和重量，同时成为非接触式能量传输系统德一个挑战。这篇论文中提出了一种连同磁阻电路的新型结构的变压器。变压器的磁通根据其耦合特性分为三个部分。从而通过磁阻和耦合系数的表达式，导出了改进的非接触式变压器。此外，一种有扩展引脚的U型核心优化平面能同时实现更高的耦合系数、更小的体积和更轻的重量。为60W的非接触式能量传输系统设计了一种新的非接触式

5、变压器。新的变压器在长度为10mm的间隙中耦合系数已高达0.6，核心重量下降到60g并且相关的最高效率提高了2.5%。从计算和测量得到的耦合系数的一致性验证了分析的正确性。非接触式能量传输系统效率的提高证明优化后的变压器的有效性。图2（a）变压器结构图2（b）磁路1、改进的非接触变压器A．磁芯形状非接触式变压器的结构和它的等效磁路如图2（a），已被T.H.Nishimura在1994年提出。为了简化分析，在变压器的对称结构和二次开路的条件下提出了等效磁路如图2（b）。其中相当于Ni，和RL是等效磁阻。在[17]中指出耦合系数k值取决于g/的比值。参数越大，固定的k和g就越高。为了获得一个较高

6、的k，提出了无中心柱平面的磁芯（相对于其他磁芯形状通常有较大的）如图3，其中g/的比值更小且重量更轻。应该指出的是，两个磁路引脚间的内部距离对磁阻而不是中心距离有突出的影响，我们用来说明本文中的非接触式变压器的行为。B．绕组排布对于平面的磁芯，降低漏感是平面绕组的最佳选择。有两个绕组排布，如图4：集中式线圈和分布式线圈。表1的实验测量结果指出变压器采用分布式线圈可以获得更高的k。不同的绕组排布的电磁场仿真结果如图5所示（ip=3A，is=0A）。可以看出，对于集中线圈，由初级电流激励的磁通线能在磁芯窗口。所以，在改进变压器中应该采用分布式线圈。（a）集中式线圈（b）分布式线圈图4两种形式的平

7、面线圈排布表1不同绕组排布的K的测量线圈磁芯重量（g）L（mm）测量的K值集中式平面U43（平面E43/10/28没有中心柱）5934.70.39分布式0.46测试条件：：=25：25，g=10mm，=300khz（a）集中式绕组（b）分布式绕组图5两种绕组布置方式的仿真结果对比3.改进的磁阻环路A．在[17]中磁路模型的局限根据[17]中的分析，改进后的变压器结构的磁路模型如图6所示，其中F1=F2=Ni/