滑动式变压器的特性分析

李方方，谢　卫，张美琴

(上海海事大学 物流工程学院，上海　201306)

滑动式变压器的特性分析

李方方，谢卫，张美琴

(上海海事大学 物流工程学院，上海201306)

摘要：随着工业自动化的蓬勃发展以及非接触电能传输技术的深入研究，滑动式变压器在有轨电车、港口货运小车等移动设备的供电方面有着巨大的潜在市场价值。文中首先对滑动式变压器的结构做简单的介绍，然后进行了实验，验证一、二次侧线圈位置的摆放以及二次侧线圈缠绕位置对滑动式变压器传输性能的影响。最后通过磁场仿真，分析一、二次侧线圈之间的距离对滑动式变压器磁场分布的影响。

关键词：非接触电能传输；滑动式变压器；磁场仿真

0引言

非接触电能传输 (Contactless Power Transfer，简称CPT) 技术早在19世纪末就已提出，限制于当时的科技发展程度，该技术并没有得到重视。近几十年来，随着电磁耦合技术、电力电子技术、控制技术等的快速发展，CPT技术不仅在理论研究上有了巨大突破，而且一些比较成熟的技术已运用于产品中。滑动式变压器是非接触电能传输系统的重要组成部分，它的特性好坏直接影响着整个系统的电能传输性能，所以优化其特性是非常重要的。该文将根据优化方案进行实验和仿真。

1滑动式变压器的结构

滑动式变压器的一次侧线圈和二次侧拾取线圈是分开的，一次侧线圈通常以平行的长导线形式出现，实际上是闭合线圈，二次侧拾取线圈缠绕在铁心上，铁心沿着平行导轨滑动。其特点就是漏感大、耦合系数小、传输性能低。其结构如图1所示[1]。图1中滑动式变压器采用的是E形铁心，除此外，还有S形、U形、M形等[2]。滑动式变压器常常被用于电磁感应式滑动电能传输(Inductively Sliding Power Transfer，简称ISPT)系统，如图2所示。

图1　滑动式变压器结构示意图

图2　ISPT系统示意图

2实验设计

文献[3-4]中介绍了一次侧线圈和二次侧拾取线圈摆放位置对滑动式变压器磁场分布的影响。为了验证其仿真结果，进行了实验1。理论上来说，拾取线圈缠绕位置的不同，会影响一次侧线圈耦合到二次侧拾取线圈的电磁的大小和方向，从而影响输出电压和电流。为了观察二次侧拾取线圈的缠绕位置对磁场分布的影响，进行了实验2。

2.1实验准备

实验器材：E形铁心、漆包铜线(直径d=0.31 mm)、平整木板、SPF40型任意波信号发生器、Tektronix TDS 1012C—EDU型示波器。实验平台如图3所示。一次侧线圈供电电压为5 V的交流电，频率为2 MHz，匝数N1=5，导轨长度约为10 cm。实验1中拾取线圈匝数N2=15。实验2中拾取线圈匝数N2=20。

图3　滑动式变压器的实验平台

2.2实验结果

实验1中，分别做了四种线圈摆放位置。如图4。

图4　一次侧线圈与二次侧线圈的摆放位置

图5　实验1输出波形

实验结果显示这四种摆放位置下的输出电压峰值依次为1.12 V，1.42 V，2.22 V，2.26 V。第四种摆放位置下的输出电压峰值是最大的，实验结果和仿真结果一致。如图5。所以当拾取线圈尽可能贴近磁轭处且一次侧线圈圆心位于拾取线圈的水平对称线上时，其耦合程度比较好。

实验2中，改变拾取线圈的缠绕位置，观察输出电压波形的变化。图6为拾取线圈缠绕位置示意图。

图6　拾取线圈缠绕位置示意图

图7　实验2的输出波形

图6(2)和图6(3)中，拾取线圈的两个线圈是串联的，每个线圈为10匝。

实验结果显示四种拾取线圈缠绕位置下的输出电压峰值依次为：1.86 V，780 mV，1.00 V，140 mV。因此拾取线圈缠绕在中柱的水平方向时，输出电压最大。如图7。

3仿真分析

为了了解一次侧线圈与拾取线圈之间的距离对滑动式变压器的磁场分布的影响，建立了仿真模型。仿真模型如图8所示，仿真软件为MagNet。

图8　仿真模型

E形铁心采用的材料为TDK公司的PC47铁氧体。其材料特性参数如表1所示，其尺寸如图9所示。导轨和拾取线圈采用的铜材料，导轨圆心位于铁心窗口的中心，直径为4 mm，并且其圆心同时也位于拾取线圈的水平对称线上。模型的工作温度设置为25℃。

导轨通入交流电，电压幅值U1m=200 V，频率f=10 kHz，匝数N1=100，拾取线圈的匝数N2=20。采样时间为10 ms，采样间距为0.005 ms，采用瞬态2D求解器。磁通密度幅值取采样时间5 ms的时候，此时的导轨电流幅值I1m=22.2 A，拾取线圈电流幅值I2m=104 A，磁通密度最大值Bm=0.257 252 T。

图9　E形铁心尺寸

主要材料初始磁导率μi最佳频率范围居里温度Tc/℃锰锌2500±25%10～500kHz>230℃密度/kg·m-3电阻率/Ωm矫顽力Hc/A·m-1饱和磁密Bs/mT4900413530

现在将两条导轨在其圆心所在的水平方向上以0.05 mm为间隔，分别向中柱和两个边柱方向平行移动1.9 mm，I1m，I2m，Bm变化曲线如图10、图11所示。

图10　往中柱平移时I1m，I2m，Bm的变化曲线

从图10可知，I1m，I2m随着导轨与拾取线圈的距离的减小而逐渐增加，而最大磁通密度开始的时候有些波动，在往中柱平移0.4 mm之后开始呈线性增长。

图11　往两边柱平移时I1m，I2m，Bm的变化曲线

从图11可知，I1m，I2m，Bm随着导轨与拾取线圈距离的增大，整体是逐渐减小的。从仿真结果来看，导轨与拾取线圈之间的距离越小，耦合程度越大。

4结语

该文通过实验分析了一次侧线圈和拾取线圈的摆放位置以及拾取线圈缠绕位置对滑动式变压器的耦合性能的影响，并验证了拾取线圈尽可能贴近磁轭处，并且一次侧线圈圆心位于拾取线圈的水平对称线上时，其耦合效果比较好。然后在实验结果基础上，对一次侧线圈和拾取线圈之间的距离对滑动式变压器磁场分布的影响进行了模型仿真，并得到两者距离越近，耦合程度越大的结论。

参考文献

[1] J. T. Boys, G.rant A. J. Elliott, G.rant A. Covic. An Appropriate Magnetic Coupling Co-Efficient for the Design and Comparison of ICPT Pickups. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 22, NO. 1, JANUARY 2007.

[2] Elliott G A J, Covic G A, Kacprzak D, et al. A new concept: asymmetrical pick-ups for inductively coupled power transfer monorail system[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(10): 3389—3391.

[3] 谢卫，孙桂红，李华. 滑动式可分离变压器的磁场分析[J]. 山东交通学院学报，2011.19(4).

[4] 李华. 可分离变压器的磁场分析与参数计算[D]. 上海海事大学硕士学位论文，2010.

[5] Toshi Hiro Nishimura, Tetsuji Eguchi, Katsuya Hirachi, Yasushi Maejima, Kouji Kuwana, Masao Saito. A Large Air Gap Flat Transformer for A Transcutaneous Energy Transmission System. IEEE 0—7803—1859—5,1994.

李方方，女，1989年生，硕士研究生，研究方向：滑动变压器的设计与特性分析。

作者简介：