CN104916419A - 一种变压系统、变压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种变压系统、变压装置，涉及电力电子技术用以解决现有技术中变压装置漏磁严重、性能不佳的问题。所述变压系统包括原边侧变压装置和副边侧变压装置，所述原边侧变压装置包括原边磁芯，所述原边磁芯上绕有原边绕组，所述副边侧变压装置包括副边磁芯，所述副边磁芯上绕有副边绕组，其特征在于，所述原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从所述原边磁芯泄漏的磁能束缚住，所述副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从所述副边磁芯泄漏的磁能束缚住。本发明可用于各种变压器耦合的无线充电应用中。

Description

一种变压系统、变压装置

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是涉及一种变压系统、变压装置。

背景技术

近年来，电池的无线充电技术日益成熟，已经越来越广泛的应用在各种大容量电池如电动汽车车载电源的充电中。由于连接点埋于地下，无线充电不仅几乎没有漏电等危险，能够防止有线充电方式中的连接不良的问题，而且还无需人值守，全自动操作，有效提高电池寿命和长期使用后的整车价值；同时，由于采用中功率充电，对电网压力小，很便于在停车场、车库等地点普及。

目前主要存在三种类型的无线充电：射频或微波无线充电，电磁感应式无线充电，以及电磁共振式无线充电。其中，又以电磁感应式无线充电的应用最为普遍。电磁感应式无线充电是基于电磁感应原理，利用原、副边分离的变压器（又称松耦合变压器），在较近距离条件下（如20cm）进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线充电方式均采用该技术，其无线充电端到端效率已经接近90%，无线充电功率可达30千瓦，甚至更高。

松耦合变压器是无线充电系统的核心组成部件，其性能是决定无线充电系统电能传输效率的关键。由于松耦合变压器原边和副边之间存在气隙，导致松耦合变压器的漏磁较大，耦合系数偏低。特别是对于电动汽车无线充电系统来说，由于松耦合变压器工作时一般处于电动汽车的正下方，漏磁不但会降低变压器耦合系数，令变压器损耗变大，还会对电动汽车上的电子元器件造成不良影响，甚至对电动汽车上乘客的身体健康造成危害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变压系统、变压装置，用以解决现有技术中变压装置漏磁严重性能不佳的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种变压系统，包括原边侧变压装置和副边侧变压装置，所述原边侧变压装置包括原边磁芯，所述原边磁芯上绕有原边绕组，所述副边侧变压装置包括副边磁芯，所述副边磁芯上绕有副边绕组，其特征在于，所述原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从所述原边磁芯泄漏的磁能束缚住，所述副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从所述副边磁芯泄漏的磁能束缚住。

可选的，所述原边磁芯与所述副边磁芯彼此相对设置，所述原边屏蔽部，设置在所述原边磁芯的远离所述副边磁芯的一侧，所述副边屏蔽部，设置在所述副边磁芯的远离所述原边磁芯的一侧。

另一方面，本发明还提供一种原边侧变压装置，包括原边磁芯，所述原边磁芯上绕有原边绕组，其特征在于，所述原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从所述原边磁芯泄漏的磁能束缚住。

可选的，所述原边磁芯为“U”形磁芯，所述原边绕组缠绕在所述原边磁芯的“U”形两臂上。

可选的，所述原边绕组采用分布式平面绕组的布置方式缠绕。

可选的，所述原边屏蔽部成平板状设置于所述原边磁芯的“U”形底部。

可选的，所述原边屏蔽部上设置有开口。

另一方面，本发明还提供一种副边侧变压装置，包括副边磁芯，所述副边磁芯上绕有副边绕组，其特征在于，所述副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从所述副边磁芯泄漏的磁能束缚住。

可选的，所述副边磁芯为“U”形磁芯，所述副边绕组缠绕在所述副边磁芯的“U”形两臂上。

可选的，所述副边绕组采用分布式平面绕组的布置方式缠绕。

可选的，所述副边屏蔽部成平板状设置于所述副边磁芯的“U”形底部。

可选的，所述副边屏蔽部上设置有开口。

本发明的实施例提供的变压系统、变压装置，在原边磁芯上设置有原边屏蔽部，从而将从原边磁芯泄漏的磁能束缚住，在副边磁芯上设置有副边屏蔽部，从而将从副边磁芯泄漏的磁能束缚住，这样就改变了变压装置的原边侧和副边侧的磁场分布，将原本发散到自由空间的磁场重新约束到变压装置中，从而大大减小了变压装置的漏磁，有效提高了变压装置的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的变压系统的一种结构示意图；

图2是图1中的副边绕组的具体缠绕方式示意图；

图3是本发明实施例提供的变压系统的副边侧变压装置的一种结构示意图；

图4是本发明实施例提供的变压系统的副边屏蔽部的一种结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种变压系统、变压装置，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明的实施例提供一种变压系统，包括原边侧变压装置和副边侧变压装置，所述原边侧变压装置包括原边磁芯，原边磁芯上绕有原边绕组，所述副边侧变压装置包括副边磁芯，副边磁芯上绕有副边绕组，原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从原边磁芯泄漏的磁能束缚住，副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从副边磁芯泄漏的磁能束缚住。

本发明的实施例提供的变压系统，在原边磁芯上设置有原边屏蔽部，从而将从原边磁芯泄漏的磁能束缚住，在副边磁芯上设置有副边屏蔽部，从而将从副边磁芯泄漏的磁能束缚住，这样就改变了变压系统的原边侧和副边侧的磁场分布，将原本发散到自由空间的磁场重新约束到变压系统中，从而大大减小了变压系统的漏磁，有效提高了变压系统的性能。

变压系统利用电磁感应原理使电能在原边侧和副边侧之间传输。可以理解的，为了使变压系统具有尽可能高的电能传输效率，其原边侧变压装置和副边侧变压装置的磁心和绕组应该尽量靠近并且相对放置。然而，由于应用条件所限，在很多的实际情况中，原边侧和副边侧之间的距离（气隙）往往会比较大，从而在原边侧和副边侧引起较大的磁泄漏。具体的，在原边磁芯和副边磁芯彼此相对（靠近）的一侧，由于电磁感应产生的磁极磁性相异，彼此吸引，所以磁力线还较为聚拢，泄漏的磁能较小，但在原边磁芯和副边磁芯彼此相背（远离）的一侧，由于不存在近距离的异性磁极对磁力线的束缚，此处的磁力线较为发散，因此磁能泄漏更严重。为了遏制这种现象的发生，原边屏蔽部优选设置在原边磁芯的远离副边磁芯的一侧，副边屏蔽部优选设置在副边磁芯的远离原边磁芯的一侧。

可选的，原边屏蔽部和副边屏蔽部的材料既可以相同，也可以不同，两者均可以为任何导磁材料，如铁氧体等，既可以与磁芯材料相同，也可以与磁芯材料不同，导磁材料的导磁率越高，对磁能的约束性越好。可选的，当形成原边屏蔽部和副边屏蔽部的导磁材料与相应的磁芯材料相同时，原边屏蔽部与原边磁芯还可以一体成型，副边屏蔽部与副边磁芯也可以一体成型。并且，当变压系统的原边侧变压装置或副边侧变压装置还设置有外壳时，原边屏蔽部和副边屏蔽部可以分别位于相应的外壳内。

原边磁芯和副边磁芯的具体形态也可以根据应用场景的需要而不同，例如可以为E形磁芯或者U形磁芯等，本发明的实施例对此不作限制。下面以U形磁芯为例，对本发明实施例提供的变压系统进行说明，其他形状的磁芯也可以类似的方式得出。

如图1所示，变压系统包括原边侧变压装置2和副边侧变压装置4，原边侧变压装置2包括原边磁芯6，副边侧变压装置4包括副边磁芯8，原边磁芯6和副边磁芯8分别为“U”形磁芯，原边绕组61缠绕在原边磁芯6的“U”形两臂上，副边绕组81缠绕在副边磁芯8的“U”形两臂上。原边绕组61和副边绕组81采用分布式平面绕组的布置方式分别缠绕，即，原边绕组61和副边绕组81在U形臂上各自缠绕了若干圈，且此若干圈都位于同一个平面内，采用这种方式布置的绕组，漏磁通的闭合磁路的长度可以被有效增加，相应的漏磁通的磁阻也会增加，从而有效减小了磁能的泄漏。图2示出了图1中副边绕组81的缠绕方式示意图，按照变压器的电磁能量传递原理，可以得出原边绕组61的具体缠绕方向，因此不再图示。

原边磁芯6上还设置有原边屏蔽部62，用于将从原边磁芯6泄漏的磁能束缚住，副边磁芯8上还设置有副边屏蔽部82，用于将从副边磁芯泄漏的磁能束缚住。具体而言，本实施例中，原边屏蔽部62和副边屏蔽部82，分别成平板状对应设置于原边磁芯6的“U”形底部和副边磁芯8的“U”形底部。这样，当在原边绕组61加高频交流电流时，原边绕组61的线圈内形成交变磁场。该交变磁场经由原边磁芯穿过空气气隙G传到副边磁芯8中，从而使副边绕组81中有交变的磁场穿过，并在副边绕组81的两端产生感应电动势，以实现能量的无线传输。在电磁能量传输的过程中，磁能以闭合回路的形式蓄存于磁芯中，当局部区域的磁能没有被磁芯束缚住而从磁芯泄漏时，设置于原边磁芯6上的原边屏蔽部62和设置于副边磁芯8上的副边屏蔽部82就可以将从磁芯泄漏的能量再次束缚住，从而有效减小了变压装置的漏磁，大大提高了变压装置特别是松耦合变压装置的性能。

当然，在本发明的其他实施例中，绕组也可以采用其他方式布置，例如也可以缠绕在U形磁芯的U形底部而不是U形臂上，缠绕方式也可以沿着U形臂缠绕成如螺线管的形态而不是形成分布式平面绕组，本发明的实施例对此不做限制。只要在磁能量有泄漏的位置附近设置上屏蔽部（原边屏蔽部或副边屏蔽部）即可改善变压装置中的磁场分布，有效减小磁能泄漏。

考虑到副边磁芯和副边绕组一般都位于可移动的待充电设备上，为了减轻待充电设备的负担，优选的，还可以在保证副边磁泄漏率较低的条件下，适当减少副边磁芯或者副边屏蔽部的重量。例如，如图3所示，在本发明的一个实施例中，副边磁芯8的U形臂的肩部可以被削去一部分形成台阶S，副边屏蔽部82可以以同样的台阶形状与副边磁芯8相适应。可选的，副边屏蔽部82还可以以其他形状将副边磁芯8的U形顶部完全覆盖或部分覆盖。进一步的，如图4所示，在本发明的一些实施例中，副边屏蔽部82上还可以设置有开口821，以使用于漏磁屏蔽的导磁材料只分布在靠近副边磁芯8的边缘，从而在有效减小漏磁的同时还减轻了变压装置的重量，有利于在电动汽车等移动设备上安装和使用。

相应的，原边磁芯6、原边屏蔽部62的具体结构既可以与副边侧相同，例如原边屏蔽部上也可以设置有开口，也可以与副边侧不同，例如原边磁芯6的肩部可以没有台阶，本发明的实施例对此不做限制。

上述实施例中，原边侧变压装置2一般设置在供电设备上，副边侧变压装置4一般设置在待充电设备上。当需要充电时，供电设备和待充电设备相互靠近，使原边磁芯和副边磁芯位置相对，利用电磁感应原理完成能量转移。当不充电时，原边侧变压装置2和副边侧变压装置4又可以作为各自独立的装置。

相应的，本发明的实施例还提供一种原边侧变压装置，包括原边磁芯，所述原边磁芯上绕有原边绕组，所述原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从所述原边磁芯泄漏的磁能束缚住。

本发明的实施例提供的原边侧变压装置，在原边磁芯上设置有原边屏蔽部，从而将从原边磁芯泄漏的磁能束缚住，这样就改变了变压系统的原边侧的磁场分布，将原本发散到自由空间的磁场重新约束到原边侧变压装置中，从而大大减小了原边侧变压装置的漏磁，有效提高了原边侧变压装置的性能。

可选的，所述原边磁芯为“U”形磁芯，所述原边绕组缠绕在所述原边磁芯的“U”形两臂上，所述原边绕组采用分布式平面绕组的布置方式缠绕。所述原边屏蔽部成平板状设置于所述原边磁芯的“U”形底部。

当然，在本发明的其他实施例中，绕组也可以采用其他方式布置，例如也可以缠绕在U形磁芯的U形底部而不是U形臂上，缠绕方式也可以沿着U形臂缠绕成如螺线管的形态而不是形成分布式平面绕组，本发明的实施例对此不做限制。只要在磁能量有泄漏的位置附近设置上原边屏蔽部（即可改善变压装置中的磁场分布，有效减小磁能泄漏。

进一步的，为了节省材料、减轻原边侧变压装置的负担，优选的，还可以在保证原边磁泄漏率较低的条件下，适当减少原边磁芯或者原边屏蔽部的重量。例如，当原边磁芯为“U”形磁芯时，原边磁芯的U形臂的肩部可以被削去一部分形成台阶。可选的，原边屏蔽部还可以以其他形状将原边磁芯的U形顶部完全覆盖或部分覆盖。进一步的，原边屏蔽部上还可以设置有开口，以使用于漏磁屏蔽的导磁材料只分布在靠近原边磁芯的边缘，从而在有效减小漏磁的同时还减轻了变压装置的重量。

相应的，本发明的实施例还提供一种副边侧变压装置，包括副边磁芯，所述副边磁芯上绕有副边绕组，所述副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从所述副边磁芯泄漏的磁能束缚住。

本发明的实施例提供的副边侧变压装置，在副边磁芯上设置有副边屏蔽部，从而将从副边磁芯泄漏的磁能束缚住，这样就改变了变压系统的副边侧的磁场分布，将原本发散到自由空间的磁场重新约束到副边侧变压装置中，从而大大减小了副边侧变压装置的漏磁，有效提高了副边侧变压装置的性能。

可选的，所述副边磁芯为“U”形磁芯，所述副边绕组缠绕在所述副边磁芯的“U”形两臂上。所述副边绕组采用分布式平面绕组的布置方式缠绕。所述副边屏蔽部成平板状设置于所述副边磁芯的“U”形底部。

当然，在本发明的其他实施例中，绕组也可以采用其他方式布置，例如也可以缠绕在U形磁芯的U形底部而不是U形臂上，缠绕方式也可以沿着U形臂缠绕成如螺线管的形态而不是形成分布式平面绕组，本发明的实施例对此不做限制。只要在磁能量有泄漏的位置附近设置上副边屏蔽部，即可改善变压装置中的磁场分布，有效减小磁能泄漏。

进一步的，为了节省材料、减轻原边侧变压装置的负担，优选的，还可以在保证副边磁泄漏率较低的条件下，适当减少副边磁芯或者副边屏蔽部的重量。例如，当副边磁芯为“U”形磁芯时，副边磁芯的U形臂的肩部可以被削去一部分形成台阶。可选的，副边屏蔽部还可以以其他形状将副边磁芯的U形顶部完全覆盖或部分覆盖。进一步的，副边屏蔽部上还可以设置有开口，以使用于漏磁屏蔽的导磁材料只分布在靠近副边磁芯的边缘，从而在有效减小漏磁的同时还减轻了变压装置的重量。

有关原边侧变压装置和副边侧变压装置的一些更为具体的分析，在前文的变压系统中已经进行了详细的阐述，请参考变压系统的相关说明。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (12)

1.一种变压系统，包括原边侧变压装置和副边侧变压装置，所述原边侧变压装置包括原边磁芯，所述原边磁芯上绕有原边绕组，所述副边侧变压装置包括副边磁芯，所述副边磁芯上绕有副边绕组，其特征在于，所述原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从所述原边磁芯泄漏的磁能束缚住，所述副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从所述副边磁芯泄漏的磁能束缚住。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述原边磁芯与所述副边磁芯彼此相对设置，所述原边屏蔽部，设置在所述原边磁芯的远离所述副边磁芯的一侧，所述副边屏蔽部，设置在所述副边磁芯的远离所述原边磁芯的一侧。

3.一种原边侧变压装置，包括原边磁芯，所述原边磁芯上绕有原边绕组，其特征在于，所述原边磁芯上还设置有原边屏蔽部，用于将从所述原边磁芯泄漏的磁能束缚住。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述原边磁芯为“U”形磁芯，所述原边绕组缠绕在所述原边磁芯的“U”形两臂上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述原边绕组采用分布式平面绕组的布置方式缠绕。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述原边屏蔽部成平板状设置于所述原边磁芯的“U”形底部。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述原边屏蔽部上设置有开口。

8.一种副边侧变压装置，包括副边磁芯，所述副边磁芯上绕有副边绕组，其特征在于，所述副边磁芯上还设置有副边屏蔽部，用于将从所述副边磁芯泄漏的磁能束缚住。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述副边磁芯为“U”形磁芯，所述副边绕组缠绕在所述副边磁芯的“U”形两臂上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述副边绕组采用分布式平面绕组的布置方式缠绕。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述副边屏蔽部成平板状设置于所述副边磁芯的“U”形底部。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述副边屏蔽部上设置有开口。