U型磁芯结构ICPT系统功率传输容量研究

夏晨阳，贾娜，庄裕海

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116)

U型磁芯结构ICPT系统功率传输容量研究

夏晨阳，贾娜，庄裕海

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116)

感应耦合电能传输(ICPT)技术是近年来发展起来的一种新型电能传输模式。为了实现磁路耦合机构的最大能量传输，本文从磁路角度对常用的U型磁芯磁路机构的功率传输能力进行了分析，得出了系统传输功率能力与磁芯机构形状和大小、原边导轨位置、工作频率以及副边拾取线圈匝数等因素之间的关系，并给出了U型磁芯结构下的磁路耦合机构的优化设计。根据理论分析结果对ICPT系统磁路耦合机构进行实验研究，实验结果验证了理论分析的正确性。

ICPT;U型磁芯;功率传输容量;磁路优化

1 引言

感应耦合电能传输(ICPT)技术是一种新型电能传输模式，该技术综合应用电力电子技术、磁场耦合技术和现代控制理论等，通过一次侧、二次侧线圈间的耦合磁场实现电能从静止电源系统向一个或多个可移动用电设备的非电气直接接触电能传输［1］。通过感应耦合方式供电，增加了用电设备的灵活性，消除了传统供电方式的安全隐患，弥补了传统供电方式存在的因为电气连接产生的缺陷［2］。因此，感应耦合供电技术是一种安全、可靠、灵活的电能接入新技术。目前正受到国内外越来越多学者和公司的关注，并得到了广泛的应用［3，4］。

为了提高系统的功率传输能力，现有的对磁路机构的分析方法通常都局限于互感耦合模型，对于各种结构的磁路分析通常通过互感M值来体现，这种分析方法很普遍但也很笼统，对我们通常采用的U型磁芯磁路机构分析不够精确。针对这种特定结构的磁路耦合系统，已有一些文献对ICPT系统磁路机构给出了一定的分析。文献［5］通过有限元分析方法介绍了各型磁芯的传输功率分析方法，并在此基础上对各种环境应用下的磁路机构进行了分析［6-10］。但这些分析基本上都是通过有限元仿真得出系统磁路机构的优化模型，对于磁路功率容量的计算以及对于一定形状的磁芯机构如何优化分析以提高输出功率没有进行更加深入的分析。

本文针对副边滑动型ICPT系统，从磁路分析的角度给出了U型磁芯的磁路等效模型，通过分析得出了系统功率传输容量的近似计算公式。在此分析基础上，在特定的U型磁芯机构下，提出一种副边绕组匝数的优化计算方法，从而实现了系统最大功率容量输出。

2 ICPT系统磁路机构介绍

ICPT系统磁路耦合机构根据不同环境需求，其磁能转换机构可以有多种模式，如可分离变压器型、同轴变压器型、旋转变压器型、平面螺旋型以及副边滑动型等非接触电能传输电磁机构。其中，副边滑动型非接触电能传输电磁机构适用于原、副边线圈具有相对滑动的情况，它解决了现代移动电气设备在运动中的灵活性供电需求。根据实际需求，副边滑动型非接触电能传输电磁机构可以做成O型、U型、E型、EI型等结构。本文主要对较常见的U型磁芯结构的功率容量进行分析，其磁芯结构如图1所示。

图1中，Ip是原边导轨线圈电流;Is是副边拾取线圈电流;N1是原边导轨线圈的匝数;N2是副边导轨线圈的匝数。磁芯大小及绕线位置参数如图1中a，b，c，d，e，f，g，h，i所示。

图1 U型磁芯结构Fig.1 Structure of U-magnetic core

3 ICPT系统U型磁路机构功率容量分析与优化

3.1 U型磁芯磁路机构分析

图2为原边励磁导线处于U型磁芯的中央、通过电流后磁场中磁力线仿真分布图。

图2 U型磁芯Maxwell仿真磁力线分布Fig.2 Distribution ofmagnetic line for ICPT system with U-magnetic core

为了求得空气部分的磁通，必须对空气部分的磁阻进行分析和计算。用有限元法以及电磁场相似原则分析磁场虽然准确，但使用比较复杂。比较实用的方法是可以估计磁通可能的路径，把整个磁场分为几个简单的几何形状的磁通管，即分割法。从图2中可以看出，忽略两臂末端侧面漏磁通以及磁体外表面的漏磁通，在开口处空气中的磁通可近似看成如图3所示的分布。

图3中U型磁芯两臂开口末端的磁通分割成如图4所示的6种形状。

从图3和图4可以看出，U型磁芯空气气隙的磁导可表示为

图3 U型磁芯磁通分布剖分图Fig.3 Division ofmagnetic flux in U-magnetic core

图4 U型磁芯气隙处的磁通管分割图Fig.4 Division ofmagnetic flux tube of U-magnetic core in air

式中，Λa～Λh分别表示图4中各个图对应的空气部分磁导。

根据图1中U型磁芯参数，由文献［11］可以求得空气气隙部分总磁导为

其空气磁阻为

同样求得，U型磁芯两臂磁阻和磁芯底部磁阻分别为

整个磁芯部分的磁阻定义为

3.2 U型磁芯磁路功率容量计算与优化

为了分析系统的功率容量，需要对系统的磁路机构进行分析，根据磁路原理，可得到U型磁芯的等效磁路如图5所示。

图5 U型磁芯的等效磁路Fig.5 Equivalentmagnetic circuit of U-magnetic core

图5中，N1ip(t)和N2is(t)分别表示原边导轨和副边拾取线圈的磁动势。根据磁路欧姆定律，可以求得通过副边绕组的等效磁通

原副边磁动势方程

其中，m12(t)、m21(t)分别为原副边绕组在磁芯中引起的互相相连的磁通。根据电磁感应定律，原边导轨中电流在副边线圈上产生的感应电压可以表示为

为了实现功率的最大化传输，通常需要对原副边绕组的电感进行补偿，假定系统原副边均工作在串联谐振状态。系统输入电压为则副边线圈感应电压为

由式(8)、式(10)和式(11)可得

原副边均采用串联谐振的ICPT系统，如图6所示。

图6 串联调谐的ICPT系统简化模型Fig.6 Simplified model of series-tuned ICPT system

从图6可以看出，在原副边全谐振模式下，即

由于副边内阻Rs相对于负载电阻R很小，可以忽略不计。在全谐振条件下，副边回路呈阻性。因此副边电流表达式为

根据磁路定律，可得到原边磁路方程

那么，系统输出功率为

求解

可得，当

时，系统输出功率达到最大，其最大值为

从式(17)可以看出，提高系统的工作频率、输入电压和原边电流能够有效地提高系统的输出功率，从中还可以看出磁芯结构以及原边导轨位置等参数(表现在磁阻R中)对系统传输功率的影响。另外，从式(19)可知，提高系统的工作频率能够减少副边绕组的优化匝数，从而降低系统的成本。

由于随着原边导轨匝数和电流的增加，磁芯必然趋向饱和，由式(11)可以看出磁芯中的磁通密度的表达式为

其中，S为磁芯绕线的横截面积;U的表达式见式(16)。为了让磁芯不饱和，必须保证磁通密度小于饱和磁通密度Bsat，否则磁芯的功率容量将不再增加。

4 ICPT系统磁路机构功率最大化实验验证

根据以上分析，选定U磁芯机构参数，系统设定参数分别见表1和表2。

表1 磁芯机构参数Tab.1 Parameter ofmagnetic core

表2 系统设定参数Tab.2 Parameter of system

根据如表1和表2所示的系统参数，搭建ICPT系统，采用U型磁芯的磁路机构，得到系统在U型磁芯结构下的功率容量随副边绕组匝数的关系，如图7所示。

从图7中可以看出，对于U型磁芯，为了提高系统的传输功率，副边绕组的匝数不是越多越好，而是存在一个优化的绕组匝数。理论上分析得出的副边绕组的优化匝数是15匝，而实际系统中测试得出优化匝数为17匝，实验验证的结果与理论分析结果基本近似。实验结果与理论分析有一定的误差，原因有两个:一是在理论分析中，空气气隙的磁导多采用近似计算，因此有一定误差，而且忽略了原副边绕组漏感;二是由于在实际的系统电感和电容的匹配上，不能达到完全谐振。这两方面导致了系统实际的功率比理论分析得出的功率要低一些。

图7 U型磁芯输出功率与N2的关系Fig.7 Output power of U-model core varying with N2

5 结论

本文从磁路分析的角度给出了U型磁芯的磁路等效模型，通过分析得出了采用U型磁芯的副边滑动型ICPT系统功率传输容量的近似计算公式，并提出一种副边绕组匝数的优化计算方法，从而实现了系统最大功率容量输出。本文的研究结果对根据不同功率传输要求进行磁芯参数的选型以及磁路优化有一定的指导意义。

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［3］武瑛，严陆光，徐善纲(Wu Ying，Yan Luguang，Xu Shangang).新型无接触电能传输系统的稳定性分析(Stability of the new contactless power delivery system)［J］.中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2004，24(5):63-69.

(，cont.on p.76)(，cont.from p.10)

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Power capacity analysis of ICPT system based on U-magnetic core circuit

XIA Chen-yang，JIA Na，ZHUANG Yu-hai
(School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

ICPT is a new mode of power transfer developed in recent years.And it has attractedmore andmore attention of scholars at home and abroad and has been widely used.In order to assure themaximal power transfer of the magnetic coupling circuit，this paper analyze the capacity of power transfer for framework of U-magnetic core magnetic circuit from the point ofmagnetic circuit view.At the same time，the relationship between power transfer ability and the framework ofmagnetic core，position of primary guide way，the working frequency as well as the number of turns of secondary is given.Then，optimization design ofmagnetic circuit for the U-magnetic core architecture is given.Finally，this criterion is justified via an experiment.

ICPT;U-magnetic core;power transfer capacity;magnetic circuit optimization

TP29

A

1003-3076(2014)08-0007-04

2012-11-27

国家自然科学基金(51307173)、高等学校博士学科点专项科研基金(20120095120022)、中国博士后基金(2012M521140)、江苏省自然科学基金(BK20130188)资助项目

夏晨阳(1982-)，男，江苏籍，讲师，博士后，主要从事非接触电能传输技术的研究;贾娜(1989-)，女，山东籍，硕士研究生，主要从事电力电子技术及三相ICPT系统相关研究(通讯作者)。