CN102693819B - 可聚磁的轨道式非接触变压器及原边绕组排布方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可聚磁的轨道式非接触变压器及原边绕组排布方法,该变压器包括原边绕组、原边磁芯、副边绕组、副边磁芯,原边绕组沿两侧轨道排布,并形成闭合绕组,原边绕组在一侧轨道与另一侧轨道之间交替向前排布,至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。此种绕组布置方式,相邻两个基本单元内的电流流向相反,因此产生的磁场方向相反,磁场在有效磁感应区内存在闭合路径。所述副边采用沿轨道长度方向错位布置的多个副边绕组经整流后相串/并联的形式,消除由于感应区域内磁通方向不同而造成的感应盲区。通过此种结构,具有聚磁以及漏感小的特性。非常有利于提高轨道式非接触供电系统的效率,适用于大多数非接触式电能传输场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于轨道式非接触电能传输系统中的可聚磁的轨道式非接触变压器及原边绕组排布方法,属于变压器或电能变换领域。
背景技术
发展电动汽车是世界公认的缓解能源危机和减少环境污染的有效方法。电动汽车供电可采用更换电池、接触式充电以及非接触供电。更换电池,即用充满电的电池替换已经耗尽能量的电池,需要额外增加电池的费用且造成汽车的负重增加。接触式充电,即将电动汽车与充电设备通过金属接触进行充电,充电时间长不适合连续行驶的场合。而非接触供电,将变压器原、副边绕组分置于车外和车内,通过高频磁场耦合传输电能。与其余两种供电方式相比,非接触供电便于实现行驶中充电和无人自动充电,在保证所需行驶里程的前提下,可通过频繁充电来大幅减少汽车的动力电池容量,减轻车体重量,提高有效载重和能量的有效利用率。目前国内外对电动汽车的非接触充电技术作了很多研究。
然而目前的采用非接触供电的电动汽车变压器普遍存在漏感大、耦合不好的缺点。副边要输出一定功率,低耦合的变压器原边就要流过较大的电流、建立较强的磁场,增加了变压器损耗,影响系统效率。SungwooLee,JinHuh,“On-LineElectricVehicleusingInductivePowerTransferSystem”,EnergyConversionCongressandExposition(ECCE),2010IEEE,1598-1601和D.Kacprzak,G.A.Covic,J.T.Boys,“AnImprovedmagneticdesignforinductivelycoupledpowertransfersystempickups”,InternationalPowerEngineeringConference,Singapore,2005:1133-6以及GrantA.J.Elliott,GrantA.Covic,DoriesKacprzak,etal,“Anewconcept:asymmetricalpick-upsforinductivelycoupledpowertransfermonorailsystem”,IEEETransactionsonMagnetics,2006,42(10):3389–3391等文章均为了提高轨道式非接触变压器的耦合能力,对轨道中的磁芯形状作了一系列的优化设计。但采用磁芯以增强耦合不可避免地在磁芯边缘存在散磁通以及漏磁通。而且以上文献中所采用的原边绕组均是沿一侧轨道由始端伸展至末端,再沿另一侧轨道由末端伸展至始端,形成闭合回路。此种绕组布置方式下,电流流向不变,有效磁感应区内磁场方向固定,磁通必须经过非有效磁感应区闭合,不可避免地带来漏磁通很大的困扰。如何不通过改进磁芯而是通过改变绕组布置方式来提高轨道式非接触变压器的聚磁能力、减小变压器的漏感是本发明设计的重点。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有的轨道式非接触变压器聚磁能力不强、漏感大的缺陷。通过改变绕组布置方式,设计一种有利于增强有效磁感应区内的磁场强度的可聚磁的轨道式非接触变压器。
本发明还提供一种轨道式非接触变压器的原边绕组的排布方法。
本发明的可聚磁的轨道式非接触变压器,其结构主要由原边绕组、原边磁芯、副边绕组、副边磁芯组成,其中,原边绕组的排布方法为从始端起向末端方向在一侧轨道与另一侧轨道之间交替向前排布,至末端后再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
此绕制方法相邻两个线圈单元内的电流流向很像阿拉伯数字8,故称之为8字型绕组(如图1、图2、图3均可视为8字形绕组)。此种绕制方法相邻单元内的电流流向相反,产生的磁场方向相反,因而可以在有效感应区域内形成闭合回路。
所述原边绕组沿两侧轨道交替排布形成若干个线圈单元,也可以说是形成若干格网形状。线圈单元的形状呈矩形、圆形、六边形或不规则多边形。原边绕组中的基本单元形状可不一致。但从抵消磁通的效果来看,原边绕组中的基本单元形状、大小一致效果最好。所以原边绕组优选采用呈正多边形或圆形的线圈单元排布。
所述变压器的原边磁芯、副边磁芯可采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金等多种铁磁材料,亦可采用空气、陶瓷、塑料等非导磁材料。
所述副边绕组可同样采用原边8字型绕组方式,亦可采用现有的轨道式绕组方式。为了避免副边单一绕组供电时,绕组感应区域内的磁通方向不同而造成副边绕组出现感应盲区,应采用沿轨道长度方向错位布置的多个副边绕组经整流后相串/并联的形式。
所述原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线、铜皮或者PCB绕组。
本发明的轨道式非接触变压器的原边绕组的排布方法,其原边绕组在一侧轨道与另一侧轨道之间交替向前排布,至轨道末端后再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
所述的轨道式非接触变压器,其原边的磁芯一般铺设在两轨道之间。
本发明相比现有技术有如下优点:
现有轨道式非接触变压器采用原边绕组沿一侧轨道由始端伸展至末端,再沿另一侧轨道由末端伸展至始端,形成闭合回路。此种绕组布置方式下电流流向不变,磁通需经过非有效感应区闭合。
而通过本发明的变压器绕组布置方式,使电流流动方向区域性变化,相邻两个单元内磁场的方向相反,磁场在有效磁感应区内存在闭合路径。因而能够增强有效磁感应区内的磁场,同时减弱非有效磁感应区内的磁场,有利于加强变压器的磁通耦合。有聚合线圈所产生的磁场的作用,同时显著减少了漏磁。非常有利于提高轨道式非接触供电系统的效率。适用于大多数非接触式电能传输场合。
附图说明
图1是本发明中的一种线圈单元形状为8字型(矩形)的原边绕组的示意图;
图2是本发明中的一种线圈单元形状为8字型(圆形)的原边绕组的示意图;
图3是本发明中的一种线圈单元形状为8字型(六边形)的原边绕组的示意图;
图4是本发明中的一种线圈单元形状为8字型(矩形)的原边绕组的铺设示意图;
图4中的主要符号名称:1-绕组;2-轨道;3-矩形线圈单元,图中箭头方向表示绕组铺设方向。
图5是副边绕组位置示意图。
图5中的符号名称:1-原边绕组;2-副边绕组。
图6和图7是本发明所述非接触变压器(图6-2,7-2)与现有的轨道式非接触变压器(图6-1,7-1)的磁场仿真对比图;
图8是本发明的非接触变压器原边绕组的结构尺寸图;
图9和图10是本发明所述非接触变压器(图9-2,10-2)与现有的轨道式非接触变压器(图9-1,10-1)的实验对比图;
图9和图10中的符号名称:1—闭合线圈。
图11和图12是本发明的非接触变压器用于非接触电能传输的实施例中的2个主电路拓扑的电路结构示意图。
图11-12中的主要符号名称:V in—直流电源电压;Q 1~Q 4—功率管;D 1~D 4—二极管;C p—原边谐振电容;C s—副边谐振电容;C d1、C d2—输入分压电容;D R1~D R4—整流二极管;C o—输出滤波电容;R—负载;N p—原边绕组;N s—副边绕组。
具体实施方式
附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例,结合附图对本发明作进一步描述如下。
参见附图1,其原边绕组线圈单元形状采用矩形形状。
参见附图2,其原边绕组线圈单元形状采用圆形形状。
参见附图3,其原边绕组线圈单元形状采用多边形形状。
以上三种情况均可视为8字型绕组。
参见附图4,是原边绕组采用线圈单元为矩形形状的绕组绕制方式示意图。导线先如图4-1沿轨道方向交替铺设达到需要的长度(图中箭头方向表示绕组铺设方向),然后再如图4-2将绕组以同样方式反方向折回形成一个闭合回路。
副边绕组,可采用同原边绕组对称相同的方式排布,也可采用现有的排布方法。
附图5是副边绕组位置示意图。为了避免副边单一绕组供电时,绕组感应区域内的磁通方向不同而造成副边绕组出现感应盲区,应采用沿轨道长度方向错位布置的多个副边绕组经整流后相串/并联的形式。图中示例副边采用三个绕组的错位布置,三个绕组的输出分别经整流后,根据负载电压或电流的需求,再采用串联或并联的方式加在负载上。
下面以附图4中的基本单元为矩形形状的原边绕组为例,利用商用有限元仿真软件Ansoft3D,验证其有效磁感应区磁场增强、非有效磁感应区磁场减弱,提高了变压器的磁场耦合的特性。
仿真对比的测试条件:
下面所得到的两组仿真对比数据都是在相同的轨道长度(195mm)、相同的轨道宽度(22mm)、相同的匝数(1匝)、相同的激励电流(100A)的情况下得出的。这里为了使对比效果更加明显,故采用了较大的激励电流。如图6、图7。
实例一:
附图6是现有的轨道式非接触变压器(图6-1)与本发明采用的非接触变压器(图6-2)的磁场仿真结果。
图6中给出了变压器原边分别为现有的轨道式绕组和本发明的8字型绕组时,副边耦合到的磁场强弱的对比图。为了观察更方便,仿真中在原边绕组正上方设置了一条长方形路径(体现了有效磁感应区内的磁场大小,即主磁通大小)。图6中上图分别给出路径上的磁场强度分布示意,下图给出路径上的磁场强度的大小。在同样的尺寸、同样的匝数和激励电流的条件下,本发明的原边8字型绕组在有效磁感应区内产生了较强的磁场。证明本发明的原边8字型绕组有效感应区磁场增强,对磁场有聚合作用。
实例二:
附图7是现有的轨道式非接触变压器(图7-1)与本发明采用的非接触变压器(图7-2)的漏磁场仿真对比图。
仿真中采用一条长方形路径包围原边绕组(体现了非有效磁感应区内的磁场大小,即漏磁通大小)。在同样的尺寸、同样的匝数和激励电流的条件下,可以看出本发明的原边8字型绕组内的非有效磁感应区内的磁场较小,即漏磁通小。证明本发明的原边8字型绕组的非有效感应区磁场减弱,漏感减小。
综上所述,本发明中的原边绕组采用8字型,其线圈形状可为矩形、圆形、六边形或不规则多边形等;副边采用沿轨道长度方向错位布置的多个副边绕组经整流后相串/并联的形式消除感应区域内磁通方向不同带来的感应盲区;所述绕组可以采用实心导线,Litz线、铜皮或者PCB绕组等等。所述磁芯可采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金等多种铁磁材料,亦可采用空气、陶瓷、塑料等非导磁材料。所述绕组相邻两个线圈单元内产生的磁场方向相反,给磁场提供了一个闭合的路径。因而所述绕组有增强有效磁感应区的磁场,同时减弱非有效磁感应区的磁场的作用,有聚磁且漏感小的特性。
附图8是采用本发明的非接触变压器原边绕组的实物尺寸图。本发明原边8字型绕组每个单元长50mm,宽24mm。
下面以附图8中的实物为例,验证本发明的原边绕组具有聚磁且漏感小的特性。测试方法为:通过在磁场中放置的闭合线圈所感应出电压的强弱来表征磁场的强弱。
实验对比的测试条件:
下面所得到的两组实验对比数据都是在相同的轨道长度(180mm)、相同的轨道宽度(24mm)、相同的匝数(1匝)、相同的激励电流(1.5A)的情况下得出的。本发明原边8字型绕组的测试点位于第一个线圈单元的中间,现有的单回路绕组对应相同位置,采用RIGOLDS1104B型号示波器进行测试。具体如图9、图10。
实例三:
附图9是现有的轨道式绕组(图9-1)与本发明的原边8字型绕组(图9-2)的主磁场实验对比图,通过放置的闭合线圈所感应出电压的强弱来表征主磁场的强弱。图9中上图给出了有效磁感应区内磁场的测试方法:闭合线圈放置在轨道的中心位置,下图给出感应电压的大小。在同样的尺寸、同样的匝数和激励电流的条件下,实验得出的具体数据如下:
非接触变压器实例 | 现有的单回路绕组 | 本发明的样品 |
主磁场感应出的电压有效值(mV) | 17.7 | 23.7 |
由图9的测试结果表明,本发明设计的非接触变压器原边的主磁场明显高于现有的轨道式变压器。
实例四:
附图10是现有的轨道式绕组(图10-1)与本发明的原边8字型绕组(图10-2)的漏磁场实验对比图,同样通过放置的闭合线圈所感应出电压的强弱来表征漏磁场的强弱。图10中上图给出了非有效磁感应区内磁场的测试方法:闭合线圈放置在轨道外围一固定位置,下图给出感应电压的大小。在同样的尺寸、同样的匝数和激励电流的条件下,实验得出的具体数据如下:
非接触变压器实例 | 现有的单回路绕组 | 本发明的样品 |
漏磁场感应出的电压有效值(mV) | 21.1 | 8.95 |
由图10的测试结果表明,本发明设计的非接触变压器原边的漏磁场明显减小。
附图9和附图10同时表明,本发明设计的非接触变压器原边绕组采用的8字型绕组的有效磁感应区内的磁场增强,且非有效磁感应区内的磁场明显减弱。所述绕组有聚磁且漏感小的特性。
本发明的实施拓扑一:
参照附图11,是采用本发明的非接触变压器应用于全桥谐振变换器的示意图。其中原边绕组的两个端点通过原边的谐振电容连接于全桥谐振变换器的中点,副边绕组的两个端点通过副边的谐振电容连接于全桥整流的中点。
本发明的实施拓扑二:
参照附图12,是采用本发明非接触变压器应用于半桥谐振变换器的示意图。其中原边绕组的一个端点通过原边的谐振电容接在电容中点,另一个端点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点。副边绕组的两个端点通过副边的谐振电容连接于全桥整流的中点。
上述图11、12实例中的原副边补偿电容,在实际应用中均可采用串联/串联补偿,串联/并联补偿,并联/串联补偿,并联/并联补偿。本例只是以串联/串联补偿给出。
Claims (8)
1.一种可聚磁的轨道式非接触变压器,包括原边绕组、原边磁芯、副边绕组、副边磁芯,原边绕组沿两侧轨道排布,并形成闭合绕组,其特征在于:所述原边绕组和原边磁芯安装在轨道侧,所述副边绕组和副边磁芯安装在轨道上行驶的车辆上;所述原边绕组在一侧轨道与另一侧轨道之间交替向前排布,至末端后再按同样方式折回始端形成闭合绕组;所述副边采用沿轨道长度方向错位布置的多个副边绕组经整流后相串/并联的形式。
2.如权利要求1所述的可聚磁的轨道式非接触变压器,其特征在于:所述原边绕组在两侧轨道间交替形成若干个线圈单元。
3.如权利要求2所述的可聚磁的轨道式非接触变压器,其特征在于:所述原边绕组形成的线圈单元形状呈矩形、圆形、正多边形或不规则多边形。
4.如权利要求1所述的可聚磁的轨道式非接触变压器,其特征在于:原边磁芯、副边磁芯采用铁磁材料或非导磁材料。
5.如权利要求4所述的可聚磁的轨道式非接触变压器,其特征在于:所述铁磁材料采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金;非导磁材料采用空气、陶瓷或塑料。
6.如权利要求1所述的可聚磁的轨道式非接触变压器,其特征在于所述原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线、铜皮或者PCB绕组。
7.权利要求1所述轨道式非接触变压器的原边绕组的排布方法,其原边绕组在一侧轨道与另一侧轨道之间交替向前排布,最后再按同样方式折回形成闭合绕组。
8.如权利要求7所述的轨道式非接触变压器的原边绕组的排布方法,其中,所述沿两侧轨道交替排布的原边绕组形成若干个线圈单元,该线圈单元形状呈矩形、圆形、正多边形或不规则多边形。
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