高效无线电力传输系统.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：高效无线电力传输系统摘要——本文提出了基于自动引导车辆的无线电力传输系统的概念该系统在车上装有充电电池并在特定的地方进行充电。当给车辆充电时要接近蓄电池充电器进行自动充电因此蓄电池充电器的初级变压器与车上的次级变压器之间需要较大的间隙用以防止碰撞损坏。这样的话就要设法预防由于这个较大距离产生的变压器耦合率的降低传统的无线电力传输技术由于电力需要通过拾波电圈从电线获得就要装备一个大尺寸的变压器并且当距离超过车行驶的长度铜的损失也会加大。先进的系统采用一个高频率的应用软开关方法变极器减小变压器尺寸变压器间隙每10mm耦合率0.88并且可达到91%的运行效率。引言最近研究者对基于诸如自动引导车辆等运动机械的无线电力传输系统进行了测试自动引导车辆通常使用带台车的供电系统但好的金属粒子是通过供电时的摩擦产生的由于无线电力传输系统不产生摩擦其严格要求在清洁的室内或医院里并且因为没有磨损从而该系统有减低维修频率的有点。传统的带有无线电力传输系统的自动引导车辆需要一条与轨道平行的电线并且通过拾波电圈获得电能但是因为拾波电圈在结构上与变压器的第一圈相似所以为了在次级变压器端（车辆端）获得足够的电能在初级变压器一端（电线端）需要超额的电流特别是当车辆行驶一段长距离铜损失不能被忽略并且由于发生磁通量的大量泄漏耦合率不足所以拾波线圈也需要大型的变压器和较大的电能供应设备。本文提出了基于自动引导车辆的无线电力传输系统的概念在无线变压器见有10mm间隙的情况下得到不同变压器结构的仿真和实验结果从这些结果中给出了一种高耦合率的变压器结构此外采用了0V变换方式的回荡变极器作为供电设备（蓄电池充电器）的变极器选取100kHz变换频率以减小变压器尺寸。对充电器和变压器的实验评价显示该提出的系统可以高效率运行。无线电力传输系统的概念图1.表示基于自动引导车辆的无线电力传输系统的新概念该系统的充电电池装载在车上特定地点进行供电。由于系统有充电电池能量储运损耗的影响不是很大并且可以储存再生能源夜晚经济用电从而达到节省能源的效果。这种通过无线电力传输系统向电池供电的技术已经部分应用到电动汽车和家用电器上这些产品和新系统的不同之处在于初级变压器和次级变压器之间的间隙大小。图1.中的自动引导车辆自动行驶并接近初级变压器因此为防止变压器的碰撞损坏需留有相对较大的间隙这样必须预防因该间隙变压器耦合率的降低参考[6]给出了一个设计变压器芯型和提高耦合率的例子。变压器形状电磁领域的仿真显示可以通过改变线圈和芯型提高无线电力传输系统的变压器耦合率通过3-D有限元分析可以计算出耦合率。线圈位置与耦合率的关系图2.（a）-（c）为U-U型变压器的仿真结果U-U型变压器由两个U型芯组成每个芯有2个腿和一个连接头。仿真条件：（1）2300相对渗透率的铁芯材料；（2）芯直径20mm。图2.（a）为线圈绕在U型铁芯连接处的磁通量的2D分布图初级变压器和次级变压器间的间隙为10mm。通过空载情况下初级变压器产生的磁通量与次级变压器磁通量比例关系计算出耦合率。仿真的耦合率为0.22大部分的初级变压器磁通量产生了泄漏这表明几乎没有能量传递到次级变压器上就是说当变压器通过数百毫米长度磁场10mm的间隙是非常大的。图2（b）为当线圈缠绕在U-型芯的末端并且彼此分离时的仿真结果注意线圈的位置初级线圈在顶部和底部的方向产生磁通量因此以初级线圈为基准放置次级线圈和次级铁芯可以轻松产生磁通量并且泄漏可以减小10mm间隙仿真的耦合率为0.53。通常理论的计算感应系数需要用到线圈的圈数由芯材料决定的磁阻以及磁场的覆盖区域但不包括线圈位置参数。如果差距比磁磁场覆盖区域小线圈位置的影响小且电感大小的计算非常准确.然而如果差距较大从图2（a）与（b）之间的差别可以相当清楚的看出“线圈位置”对电感的影响。图3（a）和（b）是对线圈布置位置改变时的一种评价；（a）显示了磁芯末端（b）显示了耦合率的模拟结果。图3（b）表明当为了减少磁通量的泄露而使线圈缠绕在铁芯末端附近时耦合率会增加。B.线圈形状与耦合率的关系图2（c）显示了当考虑线圈形状线圈缠绕在U型铁芯末端时的模拟结果。图2（b）的结果表明磁通量从间隙向四周幅散以及大部分磁通泄露在这部分产生。在图2（c）中通过线圈缠绕在U型铁芯末端从变压器中漏出的磁通量会被吸收且耦合率会提高。当间隙时10mm时耦合率的模拟量可以提高到0.75.通常有间隙的变压器为了减少磁通泄露线圈缠绕尽可能统一；如图2所示在狭小部分缠绕浓密线圈的变压器是不好的示例。但是在间隙很大的变压器中在到达第二个变压器之前磁通量从变压器的初级线圈扩散过程中产生。因此随着线圈缠绕密集变压器中漏出的磁通量能够被吸收