滑动式变压器的电磁设计

(上海海事大学物流工程学院，上海201306)

0 引 言

非接触电能传输技术由著名的电气工程师、物理学家尼古拉.特斯拉提出。它与传统的利用导线进行电能传输的方式相比，在安全性、便捷性、使用寿命以及维修成本上表现出很大的优势。滑动式变压器在非接触电能传输领域起着举足轻重的作用，国内外对其也做了大量的研究，比如稳定性分析[1]、参数和结构的优化[2]、无功补偿[3]、磁场仿真[4]、技术应用[5]等。但是由于滑动式变压器的一次侧和二次侧是分离的，气隙大，耦合性能差，提高滑动式变压器的传输效率成为研究的重点。本文基于非接触电能传输系统，为了满足系统的各种性能要求，对滑动式变压器进行电磁设计。

1 滑动式变压器设计原理

非接触电能传输系统的基本构成包括交流电源、一次侧变换器、滑动式变压器、二次侧变换器以及负载等。系统构成如图1所示。滑动式变压器的结构如图2所示，由E形铁心、导轨(等效为一次侧线圈)、二次侧线圈(又称为拾取线圈)构成。拾取线圈缠绕在铁心上，铁心可以沿着导轨平行滑动。滑动式变压器的互感等效电路如图3所示，滑动式变压器的磁力线矢量图如图4所示。由图4可知，导轨与拾取线圈间的磁力线比较密集。

图1 滑动式电能感应系统构成图

图2 滑动式变压器结构示意图

图3 滑动式变压器的互感等效电路

图4 滑动式变压器的磁力线矢量图

2 滑动式变压器的电磁设计

对于不同的负载，其输出性能的要求也不一样，为了满足不同的输出要求，对于滑动式变压器的电磁设计是非常有必要的。

2.1 主要问题

首先是漏感，漏感对系统的影响可参考文献[6]。其次是系统的拓扑结构。系统电路图参考文献[7]。最后是磁芯的选择。磁芯的选择又包括材料的选择和尺寸的选择。磁芯的材料有很多种，目前市场上以软磁铁氧体最为常见。如何决定磁芯的尺寸，一般有面积乘积法和查表法两种方法。比较通用的方法是面积乘积法。它是磁芯截面积Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。下式为面积乘积的粗略预计:

式中，Po为输出功率(W);ΔB为磁通密度变化量(T);fs为变压器工作频率(Hz);K为0.014(正激变换器，推免中心抽头)，0.017(全桥、半桥)。

除了以上主要问题外，像温升和损耗、占空度D、窗口充填系数Kw等问题也需要考虑。

2.2 设计实例

设计一个以铁氧体为磁芯的全桥变换滑动式变压器，输出电压Uo为20 V，输出电流Io为125 A，工作频率fs为200 kHz，效率η为80%。

设计步骤如下:

1)确定磁芯材料。根据工作频率为200 kHz，输出功率为2 500 W，在手册选择磁芯材料。例如选择Philips 公司的3C90 材料，T=100 ℃时，材料的比损耗为100 mW/cm3时对应的Bmax=68 mT[9]，则ΔB=2Bmax=136 mT。

2)确定磁芯的尺寸。

根据计算结果，由生产商提供的手册数据，可以选择型号为E55/28/21的磁芯(AP=9.884 cm4)。它的尺寸数据如表1所示，表中a、b、c、d、e、f所表示的的长度如图5所示。Ae为磁芯截面积，Aw为线圈有效窗口面积。

表1 E55/28/21的磁芯尺寸数据

图5 E形磁芯尺寸

3)确定一次侧线圈匝数。

一次侧线圈匝数计算公式如下:

式中，U1为一次侧线圈电压;Ton为开关导通时间;Ae为磁芯有效截面积。

假设电网电压有±10%的波动，经全桥整流后，Ud为:

全桥逆变后，得到的交流电u1是矩形波，其幅值为Ud，将u1展开成傅里叶级数得:

基波有效值U1为:

取最大占空度Dmax为0.45，则:

由表1知磁芯的有效面积Ae=354 mm2，将以上数据代入式(3)得:

取12 匝。

4)确定二次侧线圈匝数。

已知Uo=20 V，假设二次侧整流二极管的压降为0.8 V，整流后的直流电压E为:

取2 匝。

5)确定线圈的尺寸。

一次侧线圈的直径d1为:

式中，A1为一次侧线圈的截面积，j为线圈的电流密度，这里取4.2A/mm2。可选用0.39 mm的漆包铜线5 股并绕。

二次侧线圈的直径d2为:

可选用0.60 mm的漆包铜线10 股并绕。

3 结束语

讨论了非接触电能传输系统的组成以及滑动式变压器结构和工作原理，文中给出了滑动式变压器的电磁设计方法和设计实例。设计方法借鉴了常规变压器的设计经验，并适应了滑动式变压器的特点。本文的研究成果为满足非接触电能传输系统的传输性能提供了帮助。

[1]武瑛，严陆光，徐善.新型无接触电能传输系统的稳定性分析[J].中国电机工程学报，2004，24(5):63-66.

[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]叶子晟，唐厚军，白亮宇，等.非接触电能传输系统原副边补偿拓扑的研究[J].电气自动化，2012，34(5):35-38.

[4]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):65-69.

[5]Elliott G A J，Boys J T，Green A W.Magnetically coupled systems for power transfer to electric vehicles[C]//Power Electronics and Drive Systems，1995，Proceedings of 1995 International Conference on，IEEE，1995:797-801.

[6]杨民生，王耀南.新型无接触感应耦合电能传输技术研究综述[J].湖南文理学院学报(自然科学版)，2010:22(1):44-53.

[7]武瑛.新型无接触供电系统的研究[D].北京:中国科学院研究生院(电工研究所)，2004:19-22.

[8]赵修科.实用电源技术手册-磁芯元器件分册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，2002:98-105.

[9]Ferroxcube.3C90 material specification[EB/OL].[2008-09-01].http://www.ferroxcube.com/FerroxcubeCorporate Reception/material/action.do?action=gotoPage＆pageType=_en＆pageName=material-3.