CN101630577B - 边沿扩展型高耦合系数非接触变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，包括原边磁芯、原边绕组、副边磁芯、副边绕组，所述原边磁芯或/和副边磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展，绕组分绕在两个底部向外扩展的磁芯边柱上，两个磁芯边柱上的两部分绕组顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组。通过增大窗口宽度和原副边磁芯正对面积、对绕组拆分连接、平面化分布式绕组布置等方法，能有效降低在原边直接闭合的磁通的比例，提高了变压器的耦合系数；将磁芯边沿的扩展部分限制在底部，因而能在获得高耦合系数的同时可显著降低变压器的体积重量。非常有利于非接触供电***的小型化、轻量化及高效率，适用于大多数非接触式电能传输场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于非接触电能传输***中的高耦合系数及轻量化的边沿扩展型非接触变压器，属于变压器或电能变换领域。
背景技术
非接触供电是基于磁场耦合实现“无线供电”的新型电能传输模式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电。非接触供电技术因其特有的恶劣环境适应性、高安全性、少维护和方便性，在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车等移动设备的供电场合，在油田、矿井、水下供电等环境恶劣或者易燃易爆场合均已得到了应用。
目前的非接触供电***产品普遍存在低效率的缺点，以日本精工-爱普生公司、东光公司生产的非接触手机充电器产品为例，其变换效率低于40％。G.B.Joung and B.H.Cho，“An energy transmission system for anartificial heart using leakage inductance compensation of transcutaneoustransformer”，IEEE Transactions on Power Electronics，vol.13，no.6，pp.1013-1022，November 1998所研究的60W人工心脏用非接触电源，在气隙为10mm时变换器最高效率为78％。国内重庆大学研制的600至1000瓦感应式能量变换装置，效率为70％。针对非接触供电***低效率的原因，Chun-Hung Hu Ching-Mu Chen Ying-Shing Shiao Tung-Jung Chan Tsair-RongChen，“Development of a Universal Contactless Charger for Handheld Devices”，2008 IEEE，IEEE International Symposium on Industrial Electronics，99-104等文章均明确指出，要提高***效率，不仅要采用合理的谐振变换器对变压器的大漏感、小激磁电感进行补偿，还必须尽量提高变压器的耦合系数。Qianhong Chen，Siu Chung Wong，Chi K.Tse，Xinbo Ruan，“Analysis，Designand Control of a Transcutaneous Power Regulator for Artificial Hearts”，IEEETransactions on Biomedical Circuits and Systems，2009，3(1)：23-3 1的损耗测试和分析结果表明：满载情况下，变压器的损耗占到变换器损耗的70％以上。由此可见，提高非接触变压器的耦合系数是提高非接触变换器效率的关键。
为了获得高耦合系数，H.Sakamoto，K.Harada，S.Washimiya，K.Takehara.Large Air-Gap Coupler for Inductive Charger，IEEE Trans.on Mag.Vol.35.No.5.Sep.1999，3526-3528不惜以增大磁芯体积、重量为代价，用外径520mm、重量为17.2kg的磁芯制作变压器，提高大气隙时的耦合系数，但是其过大的体积重量削弱了其实用价值；为此，Fumiaki Nakao，YoshioMatsuo，Mikio Kitaoka，Hiroshi Salcamoto，Ferrite Core Couplers for InductiveChargers，power conversion conference 2002，vol.2，850-854进一步将圆形磁芯分割成扇面，来减小磁芯重量，分割后的耦合系数与原来相当。当外径与气隙比为7.4(外径370mm，气隙50mm)时耦合系数为0.5。上文提到的人工心脏用60W变换器中，变压器同样存在体积、重量较大的问题。B.H.Cho采用的POT66/56磁芯重量达到550g，而Qianhong Chen，Siu ChungWong，Chi K.Tse，Xinbo Ruan，“Analysis，Design and Control of aTranscutaneous Power Regulator for Artificial Hearts”，IEEE Transactions onBiomedical Circuits and Systems，2009，3(1)：23-31完成的同样功率的设计中采用PlanarE64/10/50的磁芯，磁芯重量达到122g。如何提高非接触变压器的耦合系数，同时尽量减小其体积重量成为非接触变压器设计的难点。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有非接触变压器存在耦合系数低、磁芯重量重的缺陷，设计一种有利于非接触供电***的小型化、轻量化使用的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器。
本发明的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，其结构主要由原边磁芯、原边绕组、副边磁芯、副边绕组组成，其中，所述原边磁芯或/和副边磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展，绕组分绕在两个底部向外扩展的磁芯边柱上。两个磁芯边柱上的两部分绕组顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组。
所述原边绕组和副边绕组拆分的两部分围绕磁芯的扩展边柱呈平面分布绕制，两部分绕组之间无集中气隙，在宽度方向上填满变压器窗口。
所述原边磁芯或/和副边磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展的几何形状为矩形、圆形或多边形。
所述磁芯可采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金等铁磁材料，原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线或者PCB绕组。
本发明与现有非接触变压器相比的主要技术特点是，通过本发明的磁芯形状，增大窗口宽度和原副边磁芯正对面积，大大提高了磁通经原副边磁芯闭合的比例，显著提高非接触变压器的耦合系数；通过对绕组拆分连接、平面化分布式绕组布置等方法，能有效降低在原边直接闭合的磁通的比例，提高了变压器的耦合系数；将磁芯边沿的扩展部分限制在边柱的底部，因而能在获得高耦合系数的同时可显著降低变压器的体积重量。非常有利于非接触供电***的小型化、轻量化及高效率。适用于大多数非接触式电能传输场合。
附图说明
图1是本发明中的一种单向矩形边沿扩展磁芯结构的示意图；
图2是本发明中的一种双向矩形边沿扩展磁芯结构的示意图；
图3是本发明中的一种圆形边沿扩展磁芯结构的示意图；
图4是本发明中的一种六边形边沿扩展磁芯结构的示意图；
图5是本发明中的原边磁芯和副边磁芯的两边柱底部均沿侧边向外扩展的非接触变压器的结构示意图；
图6是本发明中的一边磁芯的底部沿侧边向外扩展与另一边磁芯为普通平面U型磁芯组合的非接触变压器的结构示意图；
图7是本发明中的一边磁芯的底部沿侧边向外扩展与另一边磁芯为普通平面I型磁芯组合的非接触变压器的结构示意图；
图8为本发明中的原边或副边的两部分绕组顺向串联方式的结构示意图；
图9是本发明所述非接触变压器(如下图b所示)与采用PlanarE64/10/50磁芯的非接触变压器(如上图a所示)的磁场仿真对比图；
图10是分布式绕组(如左图a所示)和集中式绕组(如右图b所示)的磁场仿真对比图；
图11是本发明适用于10mm气隙60W的非接触变压器原(副)边的一种磁芯结构尺寸图(如上图a所示)以及实物照片(如下图b所示)图；
图12和图13是本发明的非接触变压器用于非接触电能传输的实施例中的2个主电路拓扑的电路结构示意图。
图12-13中的主要符号名称：Vin-直流电源电压；Q1～Q4-功率管；D1～D4-二极管；Cp-原边谐振电容；Cs-副边谐振电容；Cd1、Cd2-输入分压电容；DR1～DR4-整流二极管；Co-输出滤波电容；R-负载；Np-原边绕组；Ns-副边绕组。
具体实施方式
附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例，结合附图对本发明作进一步描述如下。
参见附图1，其磁芯边沿扩展部分采用矩形形状，且只沿磁芯窗口宽度X方向单向扩展。
参见附图2，其磁芯边沿扩展部分采用矩形形状，沿磁芯窗口宽度X方向和窗口深度Y方向双向扩展。
参见附图3，其磁芯边沿扩展部分采用圆形形状，沿磁芯窗口宽度X方向和窗口深度Y方向双向扩展。
参见附图4，其磁芯边沿扩展部分采用六边形形状，沿磁芯窗口宽度X方向和窗口深度Y方向双向扩展。
参见附图5，是原边磁芯和副边磁芯均为边沿扩展型磁芯组合的非接触变压器示意图。图中标号的1是原边磁芯，2是原边绕组，3是副边磁芯，4是副边绕组，图6-10中的粗线表示磁芯，圆圈表示绕组。
参见附图6，是原边磁芯或副边磁芯中的一边磁芯选用边沿扩展型磁芯与另一边磁芯选用普通平面U型磁芯组合的非接触变压器示意图。
参见附图7，是原边磁芯或副边磁芯中的一边磁芯选用边沿扩展型磁芯与另一边磁芯选用普通平面I型磁芯组合的非接触变压器示意图。
参见附图8，是本发明的非接触变压器中分布式平面绕组的拆分连接示意图。图中绕组被一拆为二，且两绕组顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组，即拆分成的两绕组中的一个绕组的异名端与另一个绕组的同名端相连，保证在磁芯中产生的磁通互相增强。“*”为拆分的两部分绕组的同名端。
下面以附图1中磁芯边沿扩展为矩形的结构为例，利用商用有限元仿真软件Ansoft 2D，阐述其提高耦合系数的原理。
附图9是基于PlanarE64/10/50磁芯的非接触变压器(如上图a所示)与本发明采用的边沿扩展型非接触变压器结构(如下图b所示)的磁场仿真结果图。可见在同样的气隙、绕组线径、匝数和激励电流的条件下，本发明的磁芯结构中的边沿扩展部分增大了原副边磁芯的正对面积。正对面积的增大，变压器原副边之间气隙磁阻减小，在气隙较大的情况下，仍然能够保证有足够比例的磁通同时耦合原、副边绕组。为减小在原边直接闭合的磁通的比例，增大耦合系数，必须增大磁柱之间的距离。由于本发明中绕组平面布置、磁芯为双柱结构，磁芯窗口宽度相对较大，节省磁芯材料，有利于轻量化和高耦合系数。
附图10是无集中气隙的分布式绕组(如左图a所示)和有集中气隙的集中式绕组(如右图b所示)的磁场仿真结果图。可见两种绕组布置方法的差异主要体现在磁芯中部两磁柱之间的磁场分布。对集中式绕组而言，磁通能够从两磁柱之间的低磁阻回路直接闭合，从而使得耦合系数较低。
综上所述，本发明的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，其结构主要由原边磁芯1、原边绕组2、副边磁芯3、副边绕组4组成，其中，所述原边磁芯1或/和副边磁芯3的两边柱底部沿侧边向外扩展，如图1-4所示，绕组2和4分绕在两个底部向外扩展的磁芯边柱上，如图5-7所示，两个磁芯边柱上的两部分绕组顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组，如图8所示。
所述的磁芯可采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金等多种铁磁材料；磁芯边沿扩展部分的几何形状可为矩形、圆形、六边形或多边形等。所述绕组可以采用实心导线，Litz线或者PCB绕组等等；每个绕组拆分的两部分的匝比关系应尽量接近1∶1，以便于提高耦合系数。所述原边磁芯与副边磁芯可采用两个上述的边沿扩展型磁芯组合，如图5所示；亦可采用边沿扩展型磁芯与平面I型磁芯组合，如图7所示；或者采用边沿扩展型磁芯与平面U型磁芯组合，如图6所示。根据原副边之间的气隙、输出功率、磁芯总宽度及重量要求，使得磁芯窗口宽度与边沿扩展宽度的比值满足一定优化关系，可最大化地提高变压器的耦合系数与重量的比值。
附图11是采用本发明中的一种磁芯(如上图a所示)设计的60W非接触变压器的原边或副边变压器的实物照片图(如下图b所示)，采用本发明设计的非接触变压器，经Hp HEWLETT PACKARD精密LCR测试仪测试，能够在10mm气隙的条件下，保持耦合系数为0.6而重量不超过60g。就耦合系数和体积重量来说，均比国内外文献中此类非接触变压器优秀。具体实施效果对比如下表所示。
| 非接触变压器实例 | 重量(g) | 耦合系数 | 单位输出功率/重量(W/g) |
| POT66/56 | 550 | 0.39 | 0.109 |
| PlanarE64/10/50 | 122 | 0.53 | 0.492 |
| 本发明的样品 | 60 | 0.60 | 1 |
由上述测试结果表明，本发明设计的非接触变压器耦合系数和单位输出功率/重量(W/g)明显高于现有的非接触变压器，而重量却远远小于现有同功率非接触变压器。
本发明的实施拓扑一，参照附图12，是采用本发明的非接触变压器应用于全桥谐振变换器的示意图。其中全桥谐振变换器向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，，副边绕组的两个端点通过副边的谐振电容连接于全桥整流的中点。
本发明的实施拓扑二，参照附图13，是采用新型非接触变压器应用于半桥谐振变换器的示意图。其中半桥谐振拓扑向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点通过副边的谐振电容连接于全桥整流的中点。
上述实例中的原副边补偿电容在实际应用中均可采用串联/串联补偿，串联/并联补偿，并联/串联补偿，并联/并联补偿。本例只是以串联/串联补偿给出。
Claims (5)
1.一种边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，包括原边磁芯、原边绕组、副边磁芯和副边绕组，其特征在于所述原边磁芯或/和副边磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展，绕组分绕在两个底部向外扩展的磁芯边柱上，两个磁芯边柱上的两部分绕组顺向串联成一个原边绕组或一个副边绕组。
2.如权利要求1所述的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，其特征在于所述原边绕组和副边绕组拆分的两部分围绕磁芯的扩展边柱呈平面分布绕制，两部分绕组之间无集中气隙，在宽度方向上填满变压器窗口。
3.如权利要求1或2所述的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，其特征在于所述原边磁芯或/和副边磁芯的两边柱底部沿侧边向外扩展的几何形状为圆形或多边形。
4.如权利要求1或2所述的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，其磁芯可采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金铁磁材料，原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线或者PCB绕组。
5.如权利要求3所述的边沿扩展型高耦合系数非接触变压器，其磁芯可采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金铁磁材料，原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线或者PCB绕组。
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