CN103474213A

CN103474213A - 绕组混合绕制的非接触变压器

Info

Publication number: CN103474213A
Application number: CN2013104179694A
Authority: CN
Inventors: 陈乾宏; 侯佳; 孙枕戈; 阮新波; 田锋; 周建平; 罗勇; 赵勇; 刘俊强
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; ZTE Corp
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; ZTE Corp
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明的绕组混合绕制的非接触变压器，包括原边磁芯、原边绕组、副边磁芯、副边绕组、变压器屏蔽部分，所述原边绕组或/和副边绕组由围绕磁芯边柱水平绕制的线圈和围绕磁芯顶柱垂直绕制的线圈按照正向耦合顺向串联而成。通过引入垂直绕制线圈，可减小非接触变压器的尺寸和占用的面积。通过在变压器磁芯外侧放置屏蔽部分，增大垂直绕制线圈对应的漏磁路径上的磁阻，来提高变压器的耦合系数。通过采用由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成的变压器磁芯，可在保持高耦合系数的同时显著降低变压器的重量。非常有利于非接触供电系统的小型化、轻量化及高效率，适用于大多数非接触式电能传输场合。

Description

绕组混合绕制的非接触变压器

技术领域

本发明涉及一种适用于非接触电能传输系统中的高耦合系数、小尺寸的绕组混合绕制的非接触变压器，属于变压器或电能变换领域。

背景技术

非接触供电是基于磁场耦合实现“无线供电”的新型电能传输模式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电。非接触供电技术因其特有的恶劣环境适应性、高安全性、少维护和方便性，在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车等移动设备的供电场合，在油田、矿井、水下供电等环境恶劣或者易燃易爆场合均已得到了应用。

目前的非接触供电系统产品普遍存在低效率的缺点，以日本精工—爱普生公司、东光公司生产的非接触手机充电器产品为例，其变换效率低于40%。G. B. Joung and B. H. Cho, “An energy transmission system for an artiﬁcial heart using leakage inductance compensation of transcutaneous transformer”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.13, no.6, pp.1013-1022, November 1998所研究的60W人工心脏用非接触电源，在气隙为10mm时变换器最高效率为78%。针对非接触供电系统低效率的原因，Chun-Hung Hu Ching-Mu Chen Ying-Shing Shiao Tung-Jung Chan Tsair-Rong Chen, “Development of a Universal Contactless Charger for Handheld Devices”, 2008 IEEE，IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 99-104等文章均明确指出，要提高系统效率，不仅要采用合理的谐振变换器对变压器的大漏感、小激磁电感进行补偿，还必须尽量提高变压器的耦合系数。Qianhong Chen, Siu Chung Wong, Chi K. Tse, Xinbo Ruan,“Analysis, Design and Control of a Transcutaneous Power Regulator for Artificial Hearts”,IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2009, 3(1):23-31的损耗测试和分析结果表明：满载情况下，变压器的损耗占到变换器损耗的70%以上。由此可见，提高非接触变压器的耦合系数是提高非接触变换器效率的关键。

为了获得高耦合系数同时减小变压器体积重量，专利“边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，CN200910032016.X”发明了一种边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，通过提高磁芯正对面积来提高全耦合磁通所占比例从而提高非接触变压器的耦合系数。但是这种非接触变压器的绕组全部采用平面绕制方式，变压器的体积尤其是变压器所占用的面积较大。Nagatsuka Y, Ehara N, Kaneko Y, Abe S, Yasuda T, “Compact contactless power transfer system for electric vehicles”, IEEE IPEC, 2010: 807-813提出的非接触变压器磁芯采用平面I型磁芯，绕组变为围绕磁柱垂直绕制的绕组，来减小变压器所占用的面积，在当长度与气隙比为6.6(长度330mm，气隙50mm)时耦合系数为0.48。如何提高非接触变压器的耦合系数，同时尽量减小其尺寸重量成为非接触变压器设计的难点。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有非接触变压器存在变压器占用面积大、耦合系数低、磁芯重量重的缺陷，提供有利于非接触供电系统的小型化、轻量化使用的绕组混合绕制的非接触变压器。

本发明的绕组混合绕制的非接触变压器，包括原边磁芯、原边绕组、副边磁芯、副边绕组、变压器屏蔽部分，其特征在于所述原边绕组或/和副边绕组由围绕磁芯边柱水平绕制的线圈和围绕磁芯顶柱垂直绕制的线圈按照正向耦合顺向串联而成；变压器屏蔽部分布置在变压器的磁芯外侧。

所述原边绕组或/和副边绕组包括多个绕组，其中至少一个绕组由围绕磁芯边柱水平绕制的线圈和围绕磁芯顶柱垂直绕制的线圈按照正向耦合顺向串联而成。

所述原边磁芯或/和副边磁芯结构采用U型、E型、I型以及边沿扩展型；其中边沿扩展型是指磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展，详细定义可参见专利“边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，CN200910032016.X”。

所述原边磁芯或/和副边磁芯可由整块磁芯实现也可由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成。

所述变压器屏蔽部分的几何形状为平面形状或沿磁芯贴合的立体形状。

所述变压器屏蔽部分采用粉芯、磁薄膜、铁氧体、非晶、微晶、超微晶、坡莫合金之一或几种组合的磁屏蔽材料，或者采用铜、银、铝、铅之一或几种组合的电磁屏蔽材料。并由屏蔽材料组成屏蔽板、屏蔽箔、屏蔽膜、屏蔽网、屏蔽布之一或几种组合。

所述变压器磁芯采用铁磁材料或非铁磁材料。

所述原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线、铜皮、铜管或者PCB绕组。

本发明与现有非接触变压器相比的主要技术特点是，通过本发明的绕组布置方式，将部分平面绕制的绕组改为垂直绕制，进一步减小非接触变压器的尺寸和占用的面积；通过在变压器磁芯外侧放置屏蔽部分，增大垂直绕制线圈对应的漏磁路径上的磁阻，来提高变压器的耦合系数；通过采用由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成的变压器磁芯，可在保持高耦合系数的同时显著降低变压器的重量。适用于大多数非接触式电能传输场合。

附图说明

图1是本发明中的采用边沿扩展型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）；

图2是本发明中的采用U型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的绕组混合绕制的非接触变压器的结构示意图；

图3是本发明中的变压器磁芯一侧为边沿扩展型结构另一侧为I型结构的、变压器屏蔽部分一侧为平面形状另一侧为沿磁芯贴合的立体形状的绕组混合绕制的非接触变压器的结构示意图；

图4是本发明中的采用E型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）；

图5是本发明中的采用E型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的、包含两套独立绕组的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）；

图6是本发明中的原边或副边磁芯由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成的，磁芯结构为边沿扩展型的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的磁芯结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）。

图7是本发明中的适用于10mm气隙、60W功率的采用边沿扩展型磁芯结构的混合绕制的非接触变压器的磁芯结构尺寸图；

图8是本发明所述采用边沿扩展型磁芯结构的绕组混合绕制的非接触变压器(下图)与采用边沿扩展型结构的绕组平面绕制的非接触变压器(上图)的磁场仿真对比图。

图9是无变压器屏蔽部分（上图）和有变压器屏蔽部分（下图）的非接触变压器的磁场仿真对比图。

图10和图11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1-11中的主要符号名称：1—变压器屏蔽部分；2—绕组一；3—绕组二； i—绕组电流一；i '—绕组电流二；W ₂—磁芯长度；f—磁芯宽度；d—磁芯高度；L—变压器窗口宽度；L_Al —变压器屏蔽部分的长度；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，是采用边沿扩展型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）。下图中绕组被一拆为三，两端绕组围绕磁芯边柱呈平面绕制，中段绕组围绕磁芯顶柱呈垂直绕制，且三部分绕组按照磁通正向耦合顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组，即拆分成的三段绕组中，相邻两个绕组其中一个绕组的异名端与另一绕组的同名端相连，保证在磁芯中产生的磁通相互增强。“*”为拆分的三部分绕组的同名端。

参见附图2，是采用U型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的绕组混合绕制的非接触变压器的结构示意图。其绕组连接方式同附图1。

参见附图3，是变压器磁芯一侧为边沿扩展型结构另一侧为I型结构的、变压器屏蔽部分一侧为平面形状另一侧为沿磁芯贴合的立体形状的绕组混合绕制的非接触变压器的结构示意图。其绕组连接方式同附图1。

参见附图4，是采用E型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）。下图中绕组被一拆为四，两端绕组部分围绕磁芯边柱呈平面绕制，中间两段绕组围绕磁芯顶柱呈垂直绕制，且四部分绕组按照磁通正向耦合顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组。

参见附图5，是采用E型磁芯结构、变压器屏蔽部分为平面形状的、包含两套独立绕组的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）。图中两套绕组间无电气连接，磁通耦合可为正向耦合或者反向耦合。每套绕组被一拆为二，一段绕组围绕磁芯边柱呈平面绕制，另一段绕组围绕磁芯顶柱呈垂直绕制，两段绕组按照磁通正向耦合顺向串联成一套绕组。

参见附图6，是原边或副边磁芯由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成的，磁芯结构为边沿扩展型的绕组混合绕制的非接触变压器的原边或副边的磁芯结构示意图（上图）和绕组连接示意图（下图）。将整块磁芯改为多块磁芯组合实现，可以显著降低磁芯的重量，并具有实施灵活、经济性好的优点。

仿真对比

下面以附图1中所示的混合绕制的非接触变压器结构为例，利用商用有限元仿真软件Ansoft 2D, 阐述其减小尺寸提高耦合系数的原理。

仿真所采用的混合绕制的非接触变压器的参数如附图7所示。下面所得到的两组仿真对比数据都是在同样的气隙（10mm原副边匝数(12:12)、磁芯结构和激励电流(5A/300kHz)的情况下得出的。如附图8、附图9所示，其中混合绕制的非接触变压器原副边绕组均为6匝采用平面绕制、6匝采用垂直绕制。

附图8是采用边沿扩展型结构的绕组混合绕制的非接触变压器(下图)与采用边沿扩展型结构的绕组平面绕制的非接触变压器(上图)的磁场仿真结果对比。在同样的气隙、绕组线径、匝数、磁芯结构和激励电流的条件下，绕组混合绕制的非接触变压器磁场分布与平面绕制的非接触变压器相同，但由于将绕组混合绕制，变压器原、副边的尺寸可进一步减小。附图8中变压器的最大横向尺寸从平面绕制的80mm减小到了混合绕制的70mm。

附图9是无变压器屏蔽部分的绕组混合绕制的变压器(上图)和有变压器屏蔽部分的绕组混合绕制的非接触变压器(下图)的磁场仿真结果对比。仿真结果表明，垂直绕组的加入虽然可以减小变压器的尺寸，但是增加了一个新的漏磁路径。为了抑制这一部分的漏磁，需要加入变压器屏蔽部分以减少垂直绕制线圈对应的漏磁路径上的漏磁通，提高耦合系数。

实验测试

下面以附图1所示的混合绕制的非接触变压器结构为例，通过实验验证其减小尺寸提高耦合系数的优点。

实验中所采用的边沿扩展型混合绕制的非接触变压器的具体参数如图7所示，气隙为10mm、原副边匝比为12:12，其中原副边绕组均为6匝采用平面绕制、6匝采用垂直绕制。采用本发明设计的非接触变压器，经Hp HEWLETT PACKARD 精密LCR测试仪测试，能够在10mm气隙的条件下，保持耦合系数为0.583而最大方向上的尺寸仅为73mm。就耦合系数和尺寸来说，均比国内外文献中此类非接触变压器优秀。具体实施效果对比如下表所示。

非接触变压器实例	长度(mm)/气隙比(mm)	耦合系数
			垂直绕制	330/50=6.6	0.48
平面绕制	90/10=9	0.6
			本发明的混合绕制	73/10=7.3	0.583

其中垂直绕制的非接触变压器的具体参数和实验数据可见Nagatsuka Y, Ehara N, Kaneko Y, Abe S, Yasuda T, “Compact contactless power transfer system for electric vehicles”, IEEE IPEC, 2010: 807-813；平面绕制的非接触变压器的具体参数和实验数据可见专利“边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，CN200910032016.X”。

由上述测试结果表明，本发明设计的混合绕制的非接触变压器相同尺寸下耦合系数高于现有的非接触变压器。

本发明的实施拓扑一，参照附图10，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。其中全桥谐振变换器向副边传递功率时原边绕组（N_p）的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，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11，是采用绕组混合绕制的非接触非接触变压器应用于半桥谐振变换器的示意图。其中半桥谐振拓扑向副边传递功率时原边绕组（N_p）的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出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

1.一种绕组混合绕制的非接触变压器，包括原边磁芯、原边绕组、副边磁芯、副边绕组、变压器屏蔽部分，其特征在于所述原边绕组或/和副边绕组由围绕磁芯边柱水平绕制的线圈和围绕磁芯顶柱垂直绕制的线圈按照正向耦合顺向串联而成；变压器屏蔽部分布置在变压器的磁芯外侧。

2.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述原边绕组或/和副边绕组包括多个绕组，其中至少一个绕组由围绕磁芯边柱水平绕制的线圈和围绕磁芯顶柱垂直绕制的线圈按照正向耦合顺向串联而成。

3.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述原边磁芯或/和副边磁芯结构采用U型、E型、I型以及边沿扩展型；所述边沿扩展型是指磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展。

4.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述原边磁芯或/和副边磁芯可由整块磁芯实现由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成。

5.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述变压器屏蔽部分的几何形状为平面形状或沿磁芯贴合的立体形状。

6.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述变压器屏蔽部分采用粉芯、磁薄膜、铁氧体、非晶、微晶、超微晶、坡莫合金之一或几种组合的磁屏蔽材料，或者采用铜、银、铝、铅之一或几种组合的电磁屏蔽材料。

7.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述变压器屏蔽部分由屏蔽材料组成屏蔽板、屏蔽箔、屏蔽膜、屏蔽网、屏蔽布之一或几种组合。

8.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，其特征在于所述变压器磁芯采用铁磁材料或非铁磁材料。

9.根据权利要求1所述的绕组混合绕制的非接触变压器，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、铜管或者PCB绕组。