【正文】 能力和傳輸效率產(chǎn)生影響。變壓器原邊由交流電網(wǎng)輸入，整流濾波成直流電，并經(jīng)過功率因數(shù)校正，通過高頻逆變給變壓器原邊繞組提供高頻交流電流。 pL sLoI?oV?R pL sLMLpI? sCoI?oV?LsI?R （ a）未加補償 （ b）串聯(lián)補償 pL sLM LsI?LpI? sCoIoV? （ c）并聯(lián)補償 圖 副邊補償電路 因此，變換器的補償電路共有 4 種：串聯(lián) — 串聯(lián)補償，串聯(lián) — 并聯(lián)補償，并聯(lián) — 串聯(lián)補償，并聯(lián) — 并聯(lián)補償，分別適用于不同的應用場合 。在充電器場合，宜采用副邊并聯(lián)補償?shù)姆绞?，實現(xiàn)對電池的恒流充電。圖 (b)中，補償電容 sC 與變壓器副邊電感 sL 在頻率諧振處，副邊等效為一電阻，輸出電壓與負載無關，等效于輸出電壓為副邊感應電壓的恒壓源，適用于需要直流母線電壓的場合。 如果可分離變壓器副邊繞組直接與負載相連，變換器的輸出電壓和電流都會隨負載的變化而變化，限制了功率的傳輸，因此必須對變換器副邊進行補償。圖 (c)中，通過補償電容 pC 和原邊繞組 pL 的諧振，流過補償電容 pC 的電流對原邊繞組 pL 電流中具有一定的補償作用，降低了開關管的電流應力，適用于采用集中繞組的應用場合。 pL sLLpI? MLsI? pL sLMLsI?LpI? （ a）未加補償 （ b）串聯(lián)補償 pL sLMLsI?LpI? （ c）并聯(lián)補償 圖 原邊補償電路 若可分離變壓器的原邊繞組直接跟變換器的開關管連接，那么原邊繞組兩端的電壓直接加在開關管上，原邊繞組電流也全部流過開關管，開關管的電壓電流定額較高。串聯(lián)補償中補償電容和可分離變壓器的原、副邊繞組是串聯(lián)的；并聯(lián)補償中補償電容和可分離變壓器的原、副邊繞組是并聯(lián)的。 ocV?sL scI? sL （ a）戴維南等效電路 （ b）諾頓等效電路 圖 圖 中， ocV? 是變換器副邊感應電壓 oc LpV j M I???? （ ） scI? 是變換器副邊短路電流， /sc oc sI V j L???? （ ） 變換器負載為電阻 R 時，變換器的輸出功率為 ? ?2 22 oco sVRP RL?? ? （ ） 由電工學知識可知，變換器向負載 R 提供最大功率的條件是 sRL?? 最大輸出功率為 : 2m a x 122oco oc scsVP V IL?? ? ? （ ） 18 變換器的補償電路 變換器的原、副邊補償電路是指在非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)中，為了降低變換器原邊開關管 的電壓電流定額、改善變換器的輸出特性加入的電路，通常采取加入補償電容的方式來實現(xiàn) [14,19,21]。 17 pV?pLL pI?L sI?sLsV?Lsj M I? ?? Lpj M I? ?M 圖 可分離變壓器的互感等效電路 變換器 副邊等效電路 根據(jù)可分離變壓器的互感等效電路，假設可分離變壓器原邊繞組電流 pI 是恒定交流，那么在穩(wěn)態(tài)情況下，可分離變壓器副邊繞組的感應電壓是一個恒定的交流電壓源。 Lpj MI? ? 表示可分離變壓器原邊繞組電流 LpI? 在副邊的感應電壓， Lsj MI? ?? 是可分離變壓器副邊繞組電流 LsI? 在原邊的反映電壓 [3,12,13,16,20]。 圖 給出了采用互感模型的可分離變壓器等效電路，忽略原、副邊繞組的電阻?？煞蛛x變壓器的耦合性能較差，處于松耦合狀態(tài)，原、副邊電壓不滿足匝比關系?；ジ心Ｐ褪褂酶袘妷汉头从畴妷旱母拍顏砻枋鲈?、副邊繞組的耦合關系。這種模型適用于變壓器原邊和副邊緊密耦合的情形，原、副邊電壓滿足匝比關系，其漏感通?？梢院雎圆挥嫛．敶判究傞L度一定時，應令 L 略大于 2 倍氣隙長度，從而可有效利用磁芯長度盡量提高全耦合磁通比例，提高變壓器耦合系數(shù) [2]。繞組分繞在兩個底部向外擴展的磁芯邊柱上，為分布式平面繞組結構。 14 (a) 橫向尺寸優(yōu)化 (正視圖 ) (b) 寬度尺寸優(yōu)化 (底視圖 ) 圖 磁芯結構優(yōu)化方法 邊沿擴展平面 U 型非接觸變壓器 由上述優(yōu)化方法，本文提出了邊沿擴展 、 平面 U 型非接觸變壓器。減小 MFR 、 MPR ，同時增大 1LR 、0? ，有利于實現(xiàn)高耦合系數(shù)和輕量化。 增加 W，所有磁阻同時減小。對比兩種方法，可知兩種磁芯質(zhì)量相同，但增大 f，可減小 MFR ， MF? 所占比例較大，耦合系數(shù)更高。 由近似公式 ()可知，當 L2g 時，則 k， 相同氣隙條件下變壓器耦合系數(shù)低于文獻。增加耦合磁通比例可提高變壓器的耦合系數(shù)，且 全耦合磁通 MF? 所占比例越大越有利于提高 k。 根據(jù)電磁場仿真結果，結合磁通分類原則，可按照圖 來定義非接觸變壓器的磁阻，進而畫出非接觸變壓器的等效磁路圖，如圖 所示 [2]。 3 區(qū)為第 3 部分，完全耦合磁通為 MF? 。 2 區(qū)為第 2 部分，部分耦合磁通為 MP? 。 12 圖 磁通分塊示意圖 1A、 1B 區(qū)為第 1 部分，漏磁通為 L? 。 這些實驗結果表明，文獻 [9]給出的等效磁路和耦合系數(shù)近似分析方法有一定的局限性，不能夠準確地描述改進型非接觸變壓器的磁通分布及耦合系數(shù) [2]。參考文獻 [9]，可得到改進后非接觸變壓器的磁路模型，如圖 所示，其中 F1 = F2 = Ni /2。 圖 兩種繞組布置方式的仿真結果對比 因此，變壓器應采用分布式平面繞組結構 [2]。可以看出，兩種繞組布置方法主要影響磁芯窗口中的磁場分布。 表 1 平面 U 型磁芯兩種繞組布置方法的實驗結果 磁芯 質(zhì)量 /g L/mm 繞組形式 耦合系數(shù) 平面 U43（ Planar E43/10/28 磨掉中柱） 59 集中式 分布式 注：原副邊繞組均為 25 匝，氣隙 10mm，頻率 300kHz。 原 邊繞 組副 邊繞 組原 邊 磁 芯副 邊 磁 芯 (a) 集中式繞組 原 邊 繞 組副 邊 繞 組原 邊 磁 芯副 邊 磁 芯 (b) 分布式繞組 圖 繞組結構比較 為了分析兩種繞組布置方法對耦合系數(shù)的影響，本文采用 PlanarE43/10/28 磨掉中柱作為磁芯，在相同的條件下進行了對比實驗，結果如表 1 所示。 Lg 圖 改進的變壓器磁芯 繞組布置 針對圖 給出的平面 U 形磁芯，繞組也宜采用平面布置，便于減小漏感。改進 9 的變壓器磁芯如圖 所示，為平面 U 型結構。 g 固定， cL 越大，耦合系數(shù)越高，大氣隙引起的 /aLRR較大是非接觸變壓器耦合系數(shù)小的根本原因。 其中 ， F = Ni， Ra、 LR 分別為 g 和 cL 方向的磁阻。 8 （ a）滑動式可分離變壓器 （ b）旋轉式可分離變壓器 圖 可分離變壓器示意圖 改進型非接觸變壓器 磁芯形狀 T. H. Nishimura 于 1994 年提出了基于傳統(tǒng)非平面磁芯和卷繞繞組結構的非接觸變壓器，如圖 所示。 滑動式，原邊和副邊處于相對滑動的狀態(tài)，主要應用于有軌電車、磁浮列車等交通運輸領域，如圖 （ a）所示。但是可分離變壓器的原邊和副邊是分離的，如圖 所示，存在較大的氣隙，空氣磁路長度遠遠超過了常規(guī)變壓器的長度，變壓器處于松耦合狀態(tài)，磁路中有較大距離的空氣磁路，磁動勢中相當一部分消耗在空氣磁路部分，變壓器漏磁較大，耦合系數(shù)不高；而常規(guī)變壓器的磁路中氣隙很小，其磁動勢主要分布在鐵芯磁路部分，而鐵芯所具有的高磁導率決定了常規(guī)變壓器的磁阻較小，需要的勵磁電流較小 [12,15]。 7 第三章 可分離變壓器概述與新型非接觸變壓器的磁路模型及其優(yōu)化 可分離變壓器概述 可分離變壓器特點 可分離變壓器是非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的關鍵部分，實現(xiàn)電能的非接觸傳輸。 (4) 提高變換器的輸入功率因數(shù)。提高變換器的開關頻率可以減小非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的體積和重量，但是隨著開關頻率的不斷提高，采取硬開關方式的功率變換器，其開關損耗將大大增高，影響了系統(tǒng)效率的提高，對電動汽車和磁浮列車等大功 率充電場合，提高變換器的效率尤為重要。為了給變壓器原邊繞組提供波形質(zhì)量較好的交流電流，減少電磁干擾和電磁輻射，常采用諧振變換器給可分離變壓器的原邊繞組提供正弦電流。選取合適的變壓器鐵芯結構和繞組位置，可以提高可分離變壓器的耦合系數(shù)，提高能量傳輸?shù)哪芰Α? 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的設計準則 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)采用可分離變壓器實現(xiàn)能量傳輸，因此變壓器的原邊繞組與副邊繞組之間有一段較長的空氣磁路，漏磁很大，耦合系數(shù)較低，限制了能量傳輸?shù)哪芰托? 6 率。 整 流 濾 波 功率 因 數(shù) 校 正電 網(wǎng)高 頻逆 變原 邊繞 組副 邊繞 組整 流 濾 波功 率 調(diào) 節(jié)用 電設 備無 線通 訊無 線通 訊電 能 傳 輸 方 向可 分 離 變 壓 器 圖 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸框圖 非接觸感應電能傳輸?shù)脑砑皟?yōu)點 非接觸供電是基于磁場耦合實現(xiàn)無線供電的新型電能傳輸方式，利用原 副邊完全分離的非接觸變壓器，通過高頻磁場的耦合傳輸電能，實現(xiàn)能量傳遞過程中供電側和用電側無物理連接?？煞蛛x變壓器的原邊繞組和副邊繞組是可分離的，這和開關電源中的變壓器有很大的不同。通過原邊繞組與副邊繞組的感應電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設備。 ? 第五章對本次畢業(yè)設計進行了總結，對工作中存在的問題以及未來的發(fā)展研究方向做出了一個總結，并對以后的工作做出了一個展望。 ? 第三章在概述可分離變壓器的基礎上，介紹了改進型非接觸變壓器，給出了改進型非接觸變壓器的磁路模型，提出了非接觸變壓器的優(yōu)化方案。 本文研究的內(nèi)容 本文對非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的關鍵技術進行了研究，主要內(nèi)容如下： ? 第一章在概述研究背景的基礎上，介紹了非接觸感應電能傳輸技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，指出本文的研究意義和研究內(nèi)容。采用新型無接觸能量傳輸系統(tǒng)為電動車供電，具有一定優(yōu)越性。 電動汽車是唯一滿足零排放的車輛，它通常需利用蓄電池儲能，需要反復進行電池充電。 4 本文研究的意義及內(nèi)容 本文研究的意義 隨著人們環(huán)境意識的提高和對石油燃料資源耗盡危機的警覺，未來的交通運輸系統(tǒng)將逐漸向著綠色、 環(huán)保、電氣化的方向發(fā)展。非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的研究正逐步向兩個方面發(fā)展：一是以磁懸浮列車為代表的大功率方向，包括汽車充電站、磁懸浮列車等等；另一種是小功率方向，主要是對一些日常小電器進行無接觸充電。由于非接觸供電效率較低，并且有一定的電磁輻射，經(jīng)濟效益和環(huán)保問題也是非接觸感應電能傳輸技 術應考慮的一個重要方面。其次，非接觸感應電能傳輸依賴于功率變換技術、非線性電路理論的進一步發(fā)展。像其他新技術一樣，非接觸感應電能傳輸技術的發(fā)展面臨著很多挑戰(zhàn)。 非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 非接觸感應電能傳輸技術是近些年發(fā)展的一項新技術，國際上至今還沒有制訂相關的標準。 1995 年 1 月，美國汽車工程協(xié)會根據(jù) Ma