遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院的研究人員楊玉崗吳瑤黃偉義在2019年第13期《電工技術學報》上撰文指出旋轉式無線勵磁系統的核心部件松耦合變壓器因存在大氣隙導致其漏感較大無法有效地提高耦合系數從而限制了系統效率的提升

為解決該問題首先對旋轉式松耦合變壓器進行等效建模與漏感分析針對常見繞組存在的缺陷進行了改進設計提出PCB繞組結構利用Ansys/Maxwell仿真分析軟件確定該優化結構的可行性設計S-S諧振補償方案運用Simplorer與Maxwell進行聯合仿真進一步驗證該方案的優化程度

最后搭建實驗平臺對改進前后松耦合變壓器在較大氣隙條件下的耦合系數與傳輸效率進行對比驗證了所提方案的合理性

旋轉式無線勵磁電源隸屬于無線電能傳輸領域是一種近年來獲得廣泛發展的能量傳輸技術該技術主要以旋轉式松耦合變壓器作為核心部件通過高頻磁場的耦合實現供電側與負載側無導線無物理連接的能量傳輸目前國內外專家學者對該技術進行了較為深入的研究

有學者提出了將非接觸能量傳輸技術引入到傳統勵磁系統中形成新型的非接觸式同步電機轉子勵磁系統在1mm氣隙下對相鄰式與嵌套式線圈結構的松耦合變壓器進行相對旋轉狀態的3D瞬態仿真但對較大氣隙條件下松耦合變壓器的研究較少

有學者對串聯-串聯諧振補償進行了穩定性分析大幅提高了非接觸式同步電機勵磁電源的傳輸效率為本設計的諧振補償方案提供了理論基礎

在無線電能傳輸系統中提高逆變器開關頻率增加松耦合變壓器耦合系數（電磁感應耦合電能傳輸系統傳輸距離與可分離變壓器一次側二次側距離直接相關增加傳輸距離會增加氣隙導致一次側二次側漏感增加通過合理設計松耦合變壓器盡量減小氣隙變化對耦合系數的影響）同時加入諧振補償裝置可提高ICPT系統傳輸效率

本文通過對變壓器的磁心及繞組結構進行分析提出采用PCB繞組取代利茲線繞組的設計結構利用Ansys/Maxwell仿真分析軟件對比分析該結構與利茲線繞組結構漏磁通及磁通密度的優缺點選用S-S諧振補償電路制定無線勵磁電源設計方案運用Simplorer與Maxwell進行聯合仿真驗證該方案的優化程度最后通過實驗對改進后松耦合變壓器在較大氣隙條件下的耦合系數和傳輸效率進行了驗證

結論

針對旋轉式無線勵磁系統中松耦合變壓器在較大氣隙條件下耦合系數低而影響傳輸效率的問題通過對松耦合變壓器模型進行漏感分析提出PCB繞組結構建立PCB繞組與利茲線繞組松耦合變壓器的Maxwell 3D仿真模型分析旋轉式松耦合變壓器中磁通密度漏磁及氣隙等參數對耦合系數的影響設計S-S諧振補償方案進一步減小漏磁通影響

運用Simplorer與Maxwell進行聯合仿真驗證該方案最后搭建實驗平臺通過對比兩種松耦合變壓器在較大氣隙條件下的耦合系數和傳輸效率得出采用PCB繞組繞制的松耦合變壓器比采用利茲線繞組繞制的松耦合變壓器在傳輸效率上有一定程度的提高