基于海水环境下ICPT系统电磁耦合器的研究

贺县林，戚连锁，罗宁昭

(海军工程大学电气工程学院，武汉 430033)

0 引言

在海洋资源探测、开发中，水下机电设备依靠蓄电池供电，电能耗尽时续进行充电。传统的充电方式有两种：一种是返回岸基或者甲板进行充电；另一种由电缆系统进行水下湿插拔式的充电。这两种充电方式的自动化程度都较低，且湿插拔所需的力较大，导致磨损严重，存在漏电的隐患，效率也不高。

在海底对水下设备进行充电时，水下设备对充电电压和充电效率的稳定性要求较高。由于洋流的扰动，电磁耦合器可能出现偏移，耦合器的自感、互感和耦合系数都会因此下降，系统参数和耦合状态都会改变，充电电压和充电效率存在较大的波动，因而设计合适磁芯和选取适当的耦合间隙尤为重要。

本文结合相关文献对各种型号的磁芯进行分析比较，选取了 PM87型磁芯，利用 Ansys Maxwell软件仿真分析了不同间隙下海流扰动对耦合器的耦合系数和自感的影响。建立系统互感等效电路，分析系统谐振情况下系统功率和传输效率的影响因素，并仿真计算系统功率和效率随频率、输入电压、负载、线圈匝数变化，研究海水环境下提高ICPT系统传输功率和效率的途径。

1 ICPT系统的工作原理

海水环境下 ICPT系统利用电磁感应原理，以“电—磁—电”的方式实现初次级之间的电能传输。如图1所示。

图1 非接触式电能传输原理

1.1 互感模型

电磁耦合装置与传统变压器不同的是：初、次级线圈分别绕在独立的磁性结构上。由于磁性结构之间存在间隙，漏感显著增加，传统的变压器等效电路模型不再适用，为此引入互感模型，如图2所示，设电源电压Us，变压器两侧电流分别为I1、I2，原边线圈电阻R1，自感L1，副边线圈电阻R2，自感L2，互感M，负载电阻RL。根据 KCL，得：

图2 ICPT 系统的互感电路模型

原边侧：

副边侧：

设Z1＝R1+jwL1，Z2＝R2+jwL2，求解方程可得：

等效电路为：

图3 ICPT系统初次级解耦等效电路模型

由于耦合器初级绕组和次级绕组间存在较大间隙，漏磁通大，耦合系数低，系统的传输性能差。为了提高系统功率和传输效率，需对耦合器两边线圈进行补偿。综合考虑后采用 SP型补偿对两侧自感进行电容补偿，即初级串联电容，次级并联电容，使变压器两侧处于谐振状态，因系统谐振角频率较高，次级线圈内阻可以忽略。等效电路如图4所示。

图4 ICPT系统两侧处于谐振状态的等效电路模型

1.2 参数分析

如图3所示:

为副边侧在原边的反射阻抗，消耗的功率即传递到副边侧的功率，代表了耦合器的功率传输能力，故提高反射阻抗的吸收功率是提高 ICPT系统传输能力方法。

其中，Rr和Xr分别为反射电阻和反射电抗，有：

由式（6）（7）可知，对于固定结构的电磁耦合器，耦合系数M和线圈电阻R2和电感L2确定，当负载电阻一定时，提高工作频率可以增大反射电阻和反射电抗，但频率增大到一定程度后，反射电阻值趋于一个最大值，此时再增大频率，反射电阻趋于不变。因此在实际设计系统时，不宜过分追求高工作频率，以免系统损耗增加。

ICPT 系统的传输效率为：

由式（8）（9）可知，系统的输出功率随电压增大而增大，随负载的增大而减小。在不考虑磁芯损耗和负载线圈损耗的情况下，系统的传输效率与输入电压和系统频率无关，故谐振频率的选取原则为能够实现系统最大功率出下的最小频率，即让系统工作在最大功率传输模式。因存在磁芯损耗和海水的涡流损耗、线路及元器件的损耗，实际的系统传输效率要比式（9）计算的低。

1.3 补偿电容的计算

系统谐振角频率w选取较高，此时副边拾取线圈内阻R2可以忽略。为了实现系统的最大功率传输，副边谐振电容C2的选取需满足：2＝1；故

并联电容C2后，副边的等效负载Z副为：

ICPT系统总的等效阻抗为：

为了减少系统的无功功率，实现系统总体电路呈阻性，原边谐振补偿电容的选取需满足式（12）虚部为 0，求得原边补偿电容的取值为

2 仿真结果及分析

建立可分离变压器模型,用以分析可分离变压器的传输性能,同时验证耦合器设计的正确性。电压设置为有效电压120 V的正弦电压源，工作频率为100 kHz，原边、副边线圈各30匝，负载为50 Ω电阻，耦合器采用的是PM87罐形磁芯，其模型尺寸，如图5和表1所示。

图5 PM87磁芯模型

表1 PM87磁芯尺寸(mm）

2.1 磁芯偏移对耦合系数和电感的影响

在深海进行输电时，磁芯受到海流冲击后产生轴向偏移，耦合器线圈自感、互感随偏移增大而减小，以致影响系统的谐振，从而影响系统功率和传输效率。因此，需对海流扰动下耦合系数和电感的变化趋势进行研究。

图6和图7分别为不同间隙条件下，磁芯偏移对耦合系数和电感参数的变化曲线。由图6可知，在不同间隙情况下，耦合系数随磁芯偏移的降低趋势比较一致，耦合间距从1～6 mm，侧移对耦合系数的影响都在15%左右。由图7可知，磁芯间隙越小，偏移对电感的影响越大，当间隙为 1 mm时，电感量下降了 32%；间隙为2mm时电感量下降了28%，而间隙为4 mm时，电感量下降为5%；耦合间隙大于4 mm时，线圈电感量基本维持不变。从以上仿真分析可知，ICPT系统在深海环境中的应用与陆地上存在差别，在系统设计中需考虑磁芯偏移对电磁耦合器参数的影响，在耦合系数下降不大时，适当增加磁芯间隙，有利于减小海流扰动对电磁耦合器参数的影响，提高系统的稳定性，降低环境因素的影响。

图6 不同磁芯间隙条件下磁芯偏移对耦合系数的影响

图7 不同磁芯间隙条件下磁芯偏移对电感的影响

2.2 输入电压对系统传输功率及效率的影响

如图8和9所示，随着输入电压的增大，耦合到副边的电压也相应增大，系统的输出功率不断增大；系统的传输效率则基本不受输入电压的影响，基本维持在75%上下，与式（9）相符。

2.3 负载对系统传输功率及效率的影响

如图10和图11所示，系统的输出功率随负载电阻的增大而减小。传输效率在负载电阻为150 Ω时达到最大，随后系统效率下降，当负载电阻增大到250 Ω以后，传输效率趋于稳定。

图8 输出功率随输入电压的变化

2.4 频率对系统功率及效率的影响

如图12和图13所示，系统的输出功率随系统频率的增大而减小，在40～80 KHz之间趋于平稳，随着系统频率的提高，线圈阻抗增大，励磁电流减小，输出功率减小。传输效率随频率的增大急剧上升，并在75 KHz时，系统传输效率到达最大值81.72%，输出功率220 W左右。当频率继续增大时,原、副边线圈绕组的交流电阻也急剧增大，线圈损耗增加，同时电磁耦合器的磁芯损耗也随着频率的增大而增加，系统总损耗增大，故系统的传输效率开始呈下降趋势。

图9 系统效率随输出电压的变化

图10 输出功率随负载电阻的变化

图11 系统效率随负载电阻的变化

2.5 线圈匝数对系统功率及效率的影响

如图14和15所示，当输入电压一定时，系统的输出功率随线圈匝数的增加而减小；系统的传输效率则是先增加后减小，在线圈30匝时达到最大。当线圈为10匝时，电感的阻抗较小，原边侧线圈的励磁电流过大，系统输出电压波动很大，十分不稳定。随着匝数的增加，原边侧阻抗增大，励磁电流逐渐减小且趋于平稳，线圈的损耗也逐渐减小，系统效率上升。当匝数30时，系统传输效率达到最大值。继续增加线圈匝数时，线圈阻抗较大，但原边电流减小不明显，而线圈电阻却不断增加，导致线圈损耗的功率过大，故系统效率下降。

图12 输出功率随频率的变化

图13 系统效率随频率的变化

图14 输出功率随线圈匝数的变化

3 小结

1）电磁耦合器的耦合间隙越小，偏心对电磁耦合器的自感影响越大；而偏心对耦合系数的影响与耦合间距基本无关。因此，设计系统时，在不会过大降低耦合系数的情况下，适当增加磁芯间隙，有利于提高耦合器参数在深海环境中的稳定性。

2）采用SP型补偿的ICPT系统，系统的输出功率随输入电压、负载电阻线性变化，传输效率基本不受输入电压、负载电阻影响；适当调整系统的工作频率和原副边线圈匝数可以有效提高系统的输出功率和传输效率。

图15 系统效率随频率的变化

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