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旋转式松耦合变压器的绕组优化设计

电工技术学报 2019年第13期34卷 2782-2792页

作者：杨玉岗吴瑶黄伟义辽宁工程技术大学电气与控制工程学院

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... 详细信息

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。

关键词：旋转式无线励磁系统松耦合变压器绕组优化

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松耦合变压器的传输效率测试系统设计与实现

松耦合变压器的传输效率测试系统设计与实现

作者：李柏江华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

非接触电能传输技术可实现电能的无电气传输,避免因接触电火花、供电回路短路而造成的安全隐患。松耦合变压器是非接触电能传输系统的核心功率元件,由于系统的负载、体积和重量等因素限制了松耦合变压器的诸多参数,使频率成为优化系统... 详细信息

非接触电能传输技术可实现电能的无电气传输,避免因接触电火花、供电回路短路而造成的安全隐患。松耦合变压器是非接触电能传输系统的核心功率元件,由于系统的负载、体积和重量等因素限制了松耦合变压器的诸多参数,使频率成为优化系统效率的唯一可变因素。因此,设计频率连续可调且满足电压需求的传输效率测试系统,对于非接触电能传输系统的效率最大化有重要意义。首先,对非接触电能传输系统的构成和工作原理进行了分析,建立了松耦合变压器的互感等效电路模型,推导出传输效率与频率的关系式;在基于松耦合变压器传输效率测试系统的需求基础上,分析了系统中功率放大电路的工作原理,并对高频变压器的频率特性以及高、低频段出现的电压衰减和失真进行了初步仿真分析。其次,设计了传输效率测试系统的主电路系统,包括大功率可调稳压电路、功率放大电路和保护电路等,并应用Multisim电路仿真软件对主电路系统进行温度扫描、交流分析以及负载特性测试;然后,对高频升压变压器进行了详细的设计计算,以损耗最小化为原则选择磁芯材料、确定磁芯结构和型号;对磁芯窗口尺寸进行优化,通过COMSOL有限元仿真软件分析了变压器的损耗特性和磁芯饱和现象;针对频率变化过程中出现的电压衰减提出了分频段改变匝数比的方法,使输出电压在需求的频率范围内基本无失真;设计了与高频升压变压器相配合的功率放大电路,在COMSOL中验证了该系统在纯阻性和阻抗性负载情况下都能实现恒压输出,并利用光耦控制直流电压通断的方式实现了分频段协调控制。最后,研发了松耦合变压器传输效率测试系统的实验样机,分别对功率放大电路与整个系统的输出性能和带负载能力进行了实验测试;提出了一种松耦合变压器传输效率的测量方法,确定了松耦合变压器的原副边功率、最大传输效率以及对应的最佳工作频率,为非接触电能传输系统的效率最大化提供一定的理论和实践指导作用。

关键词：非接触电能传输系统松耦合变压器传输效率失真频率分段

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轴式松耦合变压器的热行为特性及影响因素

电测与仪表 2019年第7期56卷 22-29页

作者：赵蒙蒙李岩松丰江波刘君华北电力大学电气与电子工程学院北京102206

松耦合变压器作为感应耦合式无线电能传输技术的核心部件,在电能传输过程中产生的热效应会使其温度迅速上升,从而影响其电气性能和使用寿命。针对轴式松耦合变压器的运行特点,研究了松耦合变压器内部温度的分布特征及其热行为的多个影... 详细信息

松耦合变压器作为感应耦合式无线电能传输技术的核心部件,在电能传输过程中产生的热效应会使其温度迅速上升,从而影响其电气性能和使用寿命。针对轴式松耦合变压器的运行特点,研究了松耦合变压器内部温度的分布特征及其热行为的多个影响因素。首先建立了松耦合变压器基于互感结构的电路模型与磁场模型,而后建立了松耦合变压器的热模型,对其产热、散热过程进行分析,并在此基础上实现了基于有限元分析的电磁场-热场耦合;最后根据耦合结果对轴式松耦合变压器内部温度分布进行了分析,并研究了其稳定温升的影响因素。

关键词：松耦合变压器电磁场-热场耦合有限元法温度分布影响因素

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矿用电机车无线充电系统松耦合变压器研究

工矿自动化 2017年第2期43卷 61-66页

作者：时剑文邱利军孙珂中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 北京电子科技职业学院自动化工程学院北京100854

针对传统矿用电机车充电方式存在耗时长、电缆漏电等问题,提出了以松耦合变压器为核心的矿用电机车无线充电系统;利用有限元软件ANSYS Maxwell分析了原副边铁芯配合偏差对松耦合变压器效率的影响,并通过实验进行了验证。仿真和实验结果... 详细信息

针对传统矿用电机车充电方式存在耗时长、电缆漏电等问题,提出了以松耦合变压器为核心的矿用电机车无线充电系统;利用有限元软件ANSYS Maxwell分析了原副边铁芯配合偏差对松耦合变压器效率的影响,并通过实验进行了验证。仿真和实验结果表明:气隙越小,变压器效率越高;横向、纵向位移偏差分别在50,40mm以内时,对变压器效率影响较小。

关键词：矿用电机车无线充电松耦合变压器变压器效率有限元仿真

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一种结构优化的混合绕制松耦合变压器

电力电子技术 2021年第7期55卷 30-34页

作者：王莹莹周玉斐刘帅任家琪南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京211100

在无线电能传输(WPT)系统中,松耦合变压器的耦合系数直接影响能量的传输效率,为提高变压器耦合系数,对一种绕组混合绕制的非接触变压器进行2D磁场仿真,基于磁场仿真结果,给出该混合绕制松耦合变压器的磁路模型。根据磁力线分布,对初、... 详细信息

在无线电能传输(WPT)系统中,松耦合变压器的耦合系数直接影响能量的传输效率,为提高变压器耦合系数,对一种绕组混合绕制的非接触变压器进行2D磁场仿真,基于磁场仿真结果,给出该混合绕制松耦合变压器的磁路模型。根据磁力线分布,对初、次级磁通进行区域划分,给出各区域磁阻及耦合系数的量化计算方法。以磁阻及耦合系数表达式作为结构优化依据,提出优化结构。采用优化后的结构,设计了30 V输入、90 W输出的WPT系统,结果表明优化后的绕组混合绕制变压器结构的耦合系数得到增加且传输性能得到有效提升。

关键词：松耦合变压器混合绕制磁路模型耦合系数

应用于旋转式无线励磁电源的松耦合变压器研究

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应用于旋转式无线励磁电源的松耦合变压器研究

作者：黄伟义辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随着21世纪的到来,全球能源消耗逐年增长,石油、煤等化石能源需求量与日俱增,世界能源危机问题不可忽视。电能替代是解决目前能源问题的有效途径,大力推广发展电能有助于减少污染物的排放,提高能源效率。在电能的应用领域,电机作为将电... 详细信息

随着21世纪的到来,全球能源消耗逐年增长,石油、煤等化石能源需求量与日俱增,世界能源危机问题不可忽视。电能替代是解决目前能源问题的有效途径,大力推广发展电能有助于减少污染物的排放,提高能源效率。在电能的应用领域,电机作为将电能转换为机械能的装置被广泛使用。但传统电机因存在电刷、滑环等,当功率或电压过大时会因机械磨损等原因造成系统接触不良,严重导致电火花,甚至产生环火,烧坏电机励磁系统。现有无刷直流励磁方案大多采用半导体器件实现电子换向,但因器件固有特性,发展受限且会对电网产生一定谐波影响。电磁调速电机因其结构简单、运行可靠、控制线路较少、维修方便且调速平滑、具有无级调速特性,对电网无谐波影响等优点具有广泛应用前景。因而以电磁调速机为例,设计旋转式无线励磁系统,取代传统导线、电刷和滑环提高系统可靠性及安全性。根据课题需要设计旋转式无线励磁电源,首先对现有无刷励磁系统的研究现状及无线电源的国内外研究现状进行简要阐述。以电磁调速机励磁系统为例,制定无线励磁系统设计准则,确定旋转式无线励磁系统基本结构。对旋转式无线励磁系统核心成分松耦合变压器进行等效电路分析。建立旋转式松耦合变压器等效磁路模型分析,分析磁路模型原理特性。根据分析对常见绕组在大气隙条件下漏感较大的缺点进行改进设计。提出应用于旋转式松耦合变压器的PCB绕组结构。利用ANSYS MAXWELL电磁场仿真分析软件对该结构与传统绕组进行对比分析,根据漏磁通及磁密云图等确定该优化方案的可行性。实际制作两种绕组变压器并进行LCR验证,绘制耦合系数随气隙变化曲线。针对旋转式松耦合变压器所用罐形磁芯结构进行分析,提出改进式多U型盘式磁芯结构,分析该结构与传统罐形磁芯结构的共同特性,验证多U型磁芯结构的可行性。利用3D打印技术设计制作相关固定结构。并对多U型盘式磁芯结构同传统罐型磁芯结构进行仿真对比分析。选用S-S谐振补偿电路,制定无线励磁电源电路设计方案。利用ANSYS SIMPLORER与MAXWELL进行联合仿真,确定全桥移相控制方式为实验方案,得出移相角与电压电流特性关系曲线。建立无线励磁系统实验平台。利用数字控制器DSP28335、开关管驱动电路、高频逆变电路、整流电路等搭建实验平台进行实验。采用移相全桥控制对所提出的松耦合变压器优化设计方案进行对比分析。

关键词：旋转式无线励磁松耦合变压器线圈优化磁芯优化 MAXWELL分析 SIMPLORER仿真移相全桥控制

提高IPT系统效率的松耦合变压器和补偿拓扑优化研究

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提高IPT系统效率的松耦合变压器和补偿拓扑优化研究

作者：寿亚涛武汉理工大学

学位级别：硕士

相比于传统有线能量传输方式,感应能量传输（Inductive Power Transfer,IPT）技术以其非物理接触所带来的安全便捷等特性,受到越来越多国内外学者与用户的青睐。作为IPT系统最为重要的组成部分,松耦合变压器（Loosely Coupled Transform... 详细信息

相比于传统有线能量传输方式,感应能量传输（Inductive Power Transfer,IPT）技术以其非物理接触所带来的安全便捷等特性,受到越来越多国内外学者与用户的青睐。作为IPT系统最为重要的组成部分,松耦合变压器（Loosely Coupled Transformer,LCT）与补偿拓扑结构具有的重要研究意义。本文试图针对松耦合变压器和补偿拓扑结构展开研究,从降低损耗的角度,探讨如何提高IPT系统传输效率。首先针对IPT系统松耦合变压器进行损耗机理分析,并提出降低损耗的优化方案。基于线圈绕组上的邻近效应和趋肤效应原理,对传统定匝间距线圈上的磁场强度进行仿真,进而提出变匝间距线圈结构以降低损耗,并通过理论分析与仿真验证该结构在降低线圈损耗方面的优势。考虑到松耦合变压器中铁氧体部分存在涡流损耗和磁滞损耗,对传统均匀厚度铁氧体上的磁通密度进行仿真,进而提出厚度不均匀铁氧体结构以降低损耗,并通过理论分析与仿真验证该结构在降低铁芯损耗方面的优势。然后,考虑到IPT系统恒压轻载条件下效率不高的问题,针对不同补偿拓扑方案进行效率优化研究。通过分析任意高阶补偿拓扑的恒压传输模型,得到实现恒压传输的最简L型和T型等效拓扑结构。基于最简等效拓扑分析法,对双边LCC、LCC-S和LCC-P三种典型LCC补偿拓扑进行恒压传输参数配置,并研究其恒压传输条件下的效率特性,通过仿真对比发现LCC-P补偿拓扑在恒压轻载条件下的效率最优特性。最后,通过搭建IPT系统实验平台,对采用变匝间距线圈绕组和厚度不均匀铁氧体的松耦合变压器分别进行实验,实验结果与仿真分析一致,说明变匝间距线圈结构与厚度不均匀铁氧体结构具有更低损耗。此外,对双边LCC、LCC-S和LCC-P三种补偿拓扑结构的IPT系统进行实验,实验结果与仿真分析一致,验证三种补偿拓扑的恒压传输特性,同时验证了LCC-P补偿拓扑结构的IPT系统在恒压轻载模式下效率最优特性。

关键词： IPT系统松耦合变压器补偿拓扑损耗效率

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无线电能传输松耦合变压器设计及电能控制

无线电能传输松耦合变压器设计及电能控制

作者：杨刚合肥工业大学

学位级别：硕士

感应式无线电能传输（Inductive Coupled Power Transfer,ICPT）技术是一种新兴的以电磁感应原理,电力电子技术,控制理论等为理论基础,实现以非电气接触方式为用电设备提供电能的技术。由于其安全、可靠、高效、灵活地实现了电能的无接... 详细信息

感应式无线电能传输（Inductive Coupled Power Transfer,ICPT）技术是一种新兴的以电磁感应原理,电力电子技术,控制理论等为理论基础,实现以非电气接触方式为用电设备提供电能的技术。由于其安全、可靠、高效、灵活地实现了电能的无接触传输,因此在手持电子设备、交通运输、航空航天、医疗、照明、矿井和水下场合有着广泛的应用前景。本文介绍了感应式无线电能传输系统的常见拓扑及主要组成部件,针对系统中的核心部件松耦合变压器,分析并建立了松耦合变压器的等效电路模型,讨论了松耦合变压器感应耦合系数的测量方法。基于松耦合变压器的等效电路模型,介绍了四种基本谐振补偿电路拓扑并着重分析了双边LCC谐振补偿网络的特性及其参数设计方法。针对系统中松耦合变压器结构设计进行了深入探讨。通过电磁场有限元分析软件ANSYS Maxwell对典型松耦合变压器磁芯及线圈结构进行仿真分析,在理论及仿真分析的基础上,综合其优缺点提出一种优化方法,最终在给定的约束条件下,设计了一款新型高功率密度松耦合变压器。针对系统主电路及控制方法进行研究,提出了系统的闭环控制方法,并且完成了系统硬件（包括buck电路、高频逆变电路、高频整流电路、控制电路）及软件的设计。使用ANSYS Simplorer和ANSYS Maxwell软件联合仿真的方法对理论计算的系统电路参数进行仿真验证,然后利用搭建的3.3KW感应式无线电能传输系统实验平台,完成了各种条件下的无线电能传输实验。实验证明系统传输能力稳定,在额定功率下运行时,系统整体传输效率最高达到93%,系统参数设置合理。同时也验证了双边LCC谐振补偿网络的电流源输出特性及松耦合变压器空间位置变化对系统传输效率影响的规律,基本符合理论分析的结论。

关键词：感应式无线电能传输松耦合变压器双边LCC谐振补偿网络联合仿真

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非接触电能传输系统的松耦合变压器实验研究

电工电能新技术 2011年第1期30卷 64-68页

作者：郑颖楠陈红张西恩燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室河北秦皇岛066004 中船重工船舶设计研究中心有限公司大连分公司辽宁大连116005

松耦合变压器作为非接触供电系统的关键部分之一,由于磁路中有较大距离的空气磁路,变压器漏感较大,耦合系数不高,因此严重影响了能量传输功率和效率。文中针对影响变压器耦合系数的因素,利用有限元软件ANSYS分别对U、E型两种形状磁芯的... 详细信息

松耦合变压器作为非接触供电系统的关键部分之一,由于磁路中有较大距离的空气磁路,变压器漏感较大,耦合系数不高,因此严重影响了能量传输功率和效率。文中针对影响变压器耦合系数的因素,利用有限元软件ANSYS分别对U、E型两种形状磁芯的磁场分布随气隙大小和绕组位置进行有限元仿真研究,由磁力线的分布和走向可以看出这两个量对耦合系数的影响。进而提出一种可以提高耦合系数的改进磁结构的松耦合变压器,实验验证了理论分析。

关键词：松耦合变压器非接触供电 ANSYS