非齐次松耦合变压器绕组,以减少磁损耗

文摘

无线电力传输证明承诺在不同的应用程序。齐次松耦合变压器绕组方法带来不必要的强烈的磁场分布的中心,导致额外的磁损耗。一个非齐次绕组方法提出了本文和相对均匀磁场分布在核心。本文研究了齐次绕组的磁损耗和非齐次蜿蜒的无线电力传输。构建一个理论模型来评估在非齐次绕组磁损耗。耦合系数和磁损耗进行了单独调查和比较不同宽度比的组合。理论分析是在实验中进行验证。

1。介绍

无线电力传输不需要电线连接电源的负载,它有广阔前景的植入式医疗器械,电动汽车等几种方法来提高能源效率的无线耦合线圈已经开发(1- - - - - -5]。

均匀的绕组,即。,maintain the same distance between each turn, is widely applied in loosely coupled transformers [6- - - - - -8]。这传统的绕线方法会导致内部磁场分布不均匀;磁感应强度是集中在中心区域,从而导致更大的损失核心中心。一个非齐次绕组方法本文提出:线圈松散缠绕在中心紧密缠绕在两端(图1),从而实现均匀磁场分布在核心(图2),减少磁损耗。

斯坦梅茨方程是最常用的方法来描述核心损失(9,10]。然而,对于无线电力传输系统,通量密度不均匀分布在核心很难直接雇佣斯坦梅茨方程。此外,如果我们把核心分为几个部分,每个部分的核心损失发生不仅通过自己的绕组,也由其相邻绕组。另外,有限元仿真软件广泛应用于计算核心损失(11,12]。然而,这种方法非常耗时,特别是对更精确的3 d模型。此外,优化系统参数只能通过实现全面的设计参数。优化点可能会错过,因为它缺乏全面的了解整个优化地区。在这些问题的观点,一个磁路模型(13]本文提出;它是有效的电磁绕组结构和方便获得流量分布。

是理想的减少磁损耗,同时保持紧密和紧凑的绕组。本文研究和比较不同的绕组参数,根据耦合系数和磁损耗。

本文安排如下。一个磁路模型提出了部分2计算在非齐次绕组磁损耗。部分3调查绕组参数的影响。讨论了实验装置和结果部分4。结论部分5。

2。磁性铁氧体在非齐次绕组的损失

一个典型的无线电力传输系统见图3。它包含一个全桥逆变器和整流器和相应的补偿拓扑。松耦合变压器包含一个发射线圈,线圈接收器,和相应的磁核。摘要发射机和接收机线圈都是电磁绕组。在主要方面,谐振电容C_P连接与发射线圈串联,形成谐振网络。二次侧的谐振电容C_年代连接与接收线圈。

一个典型的流量分布的电磁结构如图4。总通量问题内部漏通量,外部漏通量和相互通量,其中内部漏通量包括以来大多数漏通量比其他的路径长度要短得多。

相应的等效磁阻网络图分析5。见图5,核心在纵向方向分为7个部分。为了清楚地证明了磁动力和每个磁通路径的磁阻,至少7部门必须提供。随着越来越多的分歧,从理论上讲,我们可以获得一个更精确的结果,但计算复杂度将显著增加。离散化的数字是一个精度和复杂度之间的权衡。每个核心部分是模仿作为磁阻,而核心部分与励磁绕组建模为一个电压源串联磁阻。电压源与匝数和当前励磁绕组,由 在图5。

一个集总磁阻模型是建立在图6,关于电压源和在空气中的核心和不情愿。

在流量分布不均匀的情况,参数值{R_l1,R_l2,R_l3,R_l4},{R_m1,R_平方米,R_m3,R_m4}不能使用经验方程导出。应用有限元模拟一次获取流量分布{ϕ₁,ϕ₂,ϕ₃,ϕ₄}。流量值代入模型图6;磁阻的值可以根据基尔霍夫电压定律。

此外,磁阻可以计算为 在哪里每一个的长度是核心,真空磁导率,是核心的相对渗透率。

总通量密度y设在是 在哪里横截面积的核心吗x- - - - - -z飞机。

在获得所有的参数集总磁阻模型,磁通密度在不同工作条件下可以获得: 在哪里U是磁动力(MMF)矩阵和一个是磁阻系数。

值得注意的是,通量密度的主要核心是兴奋不仅由初级绕组,而且二次绕组。通过结合生成的结果主要和次要作用,通量密度分布的主要核心可以计算。

作为核心的结果,在正弦电流激发下,磁损耗可以计算使用斯坦梅茨方程: 在哪里的感应峰值频率正弦激励 , 每单位体积的时间平均功率损耗,和材料参数可获得的材料数据表。

用(3)(4),可以计算出每个部分的磁损耗。一般来说,最高的通量密度远低于饱和设计;因此,铁氧体通常工作在线性区域和整体磁损耗可以总结。

3所示。绕组参数的影响

调查的影响绕组参数,我们构建的两个耦合线圈,每个都有相同数量的总计和不同的绕组空间之间。接收线圈设计成均匀的绕组,当发射线圈是由不同的空间之间。

是理想的减少磁损耗,同时保持紧密和紧凑的绕组。在这篇文章中,不同的线圈绕组宽度比组合进行调查和比较,根据耦合系数和磁损耗。

系统配置如下。磁芯采用超低损耗DMR47软磁材料。核心的总尺寸是500380年12毫米,这是由小磁块(50386毫米)。初级和次级线圈的数量是45。初级和次级线圈之间的气隙是200毫米。该系统工作在其共振频率50千赫。输入电压是160 v和系统的负载是50 。

线圈同样分为5部分。部分的数量确定的数量组合线圈密度的可能性。有更多的部分,我们可以获得更准确的结果,但计算复杂度将大大增加。离散化的数字是一个精度和复杂度之间的权衡。当前的每个部分 对应的数量。串行连接5部分,计算耦合系数的接收机与发射机。应用不同的电流在每个部分实现非齐次绕组的影响。一个一行five-column数组显示当前值在5部分。见图7(9:9:9:9:9)表明9在每一个部分。

接收线圈保持均匀绕组,而不同的发射线圈的绕组参数进行了研究,寻求最优的组合。典型的理论结果与ANSYS的模拟相比麦克斯韦;非齐次绕组的影响如图7(一)- - - - - -7 (c)在同样的磁感应强度。仿真结果与理论分析吻合较好,如表所示1。

为了说明不均匀的影响绕组磁损失,耦合系数和核心损失的变化与不同的绕组参数描述,如图8。

水平轴代表了耦合系数,纵轴是1 /核心损失。所需的绕组参数耦合系数高和低核心损失,所以点位置在右上角地区者优先。

可以看到从图8,耦合系数的范围是有限的在0.118和0.122之间。齐次绕组(9,9日9,9,9)最糟糕的表现,最低的耦合系数和最高核心损失,相比之下,其他情况下粗绕组在中心。非齐次绕组有效地减少了铁氧体磁芯的磁损耗。最优情况的考虑范围内,与绕组参数(17日4,3、4、17),核心损失降低了5.6%而均匀的情况下,当耦合系数增加了1.9%。当设计绕组参数,相对低磁场密度在核心中心有助于减少整体核心损失。

4所示。实验结果和讨论

测量的无线电力传输系统在非齐次绕组是评估是否获得非齐次绕组的功率损耗减少发现翻译来提高功率效率。

初级线圈会缠绕着核心与不同空间之间。总匝数保持不变,工作频率不变,所以铜损失被认为是相同的,所以是涡流损失。电路总是在软切换工作模式,因此,开关损耗保持不变。因此,与不同的绕组参数,磁心损耗的变化导致系统效率的变化。实验系统如图的概述9。

设置的图测量如图10。系统的测试波形如图所示11,包括一次电流 ,次级电流 ,和逆变器的输出电压 。 代表了栅极驱动信号的MOSFET逆变器桥。ZVS条件下系统的工作原理,没有多少的电压尖峰波形的观察。

实验和计算结果对比图12。因为它很难直接获得核心损失,实验获得的核心损失减去测量与测量绕组总损失损失通过电感电容电阻测量计,交换设备损失,二极管损失通过集成使用HDO4034示波器的电压和电流波形。的变化来衡量核心损失同意与计算结果,假设绕组损耗和开关损耗相同频率保持不变。系统功率损耗大大降低线圈伤口相对粗在两端的中心和紧密。

5。结论

一种新颖的非齐次松耦合变压器绕组方法提出。电磁结构的磁阻模型建立计算核心损失在非齐次绕组。全面的地图与不同的初级绕组参数提供给调查的最优组合。获得的实验结果表明大协议提出了优化。与传统的均匀绕组相比,新的不均匀缠绕方法有效地减少了铁氧体磁芯的磁损耗,同时保持初级和次级线圈之间的紧密耦合。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认浙江重点研发项目的资金,在批准号2019 c01044。

引用

1. s .李·d·h·金,y曹et al .,“低泄漏电磁场水平和高效使用一种新颖的混合loop-array设计无线高功率传输系统,”IEEE工业电子产品,卷66,不。6,4356 - 4367年,2019页。视图:谷歌学术搜索
2. h . m . y . Li x y . Chen y郭台铭et al .,”概念设计和特性分析的滑动式超导无线电力传输系统使用ReBCO主要在50 hz,”IEEE应用超导卷,29号2,文章ID 5501304, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. z h .你们戴x, y . Sun和c .唐”U-coil无线电力传输系统的能源效率分析,“IEEE电力电子没有,卷。31日。7,4809 - 4817年,2019页。视图:谷歌学术搜索
4. 李y, z燕,c·张,问:杨”影响因素分析和改进方法通过耦合磁共振无线电力传输效率,”IEEE磁学,50卷,不。4、文章ID 4004204, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. j .刘邓,d . Czarkowski m . k . Kazimierczuk h .周和w·胡”频率优化基于交流电阻电感权力交接评价在利兹线线圈,”IEEE电力电子,34卷,不。3、2355 - 2363年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. y z Cheng Lei, k歌,和c·朱,“松耦合变压器的设计和损失分析水下大功率感应能量传输系统,”IEEE磁学,51卷,不。7篇文章ID 8401110, 2017。视图:谷歌学术搜索
7. x刘,刘,w•汉和p·w·t·Pong”多功能咯传感器矩阵的设计和实现无线电动汽车充电,“IEEE传感器杂志,19卷,不。5,1683 - 1692年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t . Gonda s Mototani k Doki, a .鸟居”效应的空气空间防水密封盒包含发射机和接收机无线电力传输的海水,“电气工程在日本卷。206年,24-31,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. Kolar j . w: j . Muhlethaler j . Biela,和a . Ecklebe”核心损失直流偏压条件下基于斯坦梅茨参数”IEEE电力电子,27卷,不。2、953 - 963年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. s . c . Tang和n . j . McDannold“功率损耗分析和比较的分段和不分段能量耦合线圈无线能量转移,”IEEE新兴和选定的主题在电力电子杂志》上,3卷,不。1,第225 - 215页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. k .依Elnail x l .黄x Chen l . l . Tan和h . z徐”核心结构和电磁场在WPT评价系统为电动汽车充电,“能量,11卷,不。7,1734年,页2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. x张、s . l . Ho和w . n .傅“无线电力传输的定量分析细胞与平面螺旋结构,”IEEE磁学卷,47号10日,3200 - 3203年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. f . y . Tang朱,h·马”效率优化新型磁路模型归纳权力交接的电动汽车,“电力电子杂志,18卷,不。1,第322 - 309页,2018。视图:谷歌学术搜索

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