CN105826048B - 一种梯形截面分离式变压器 - Google Patents

Abstract

一种梯形截面分离式变压器，包括次级磁芯、次级线圈和初级线圈。次级磁芯的内、外侧面与次级磁芯的底面围成梯形凹槽，次级线圈置于梯形凹槽内；初级线圈置于次级磁芯的窗口侧。梯形凹槽内的次级线圈扁平化排布，次级线圈的绕组的截面为梯形，次级线圈绕组的匝数在靠近初级线圈一侧多于远离初级线圈的一侧。次级磁芯的内侧面与磁芯底面的夹角、以及外侧面与磁芯底面的夹角均为钝角，钝角角度大小使得布置于梯形凹槽内的每匝次级线圈与初级线圈之间的距离短。在同等线圈匝数的情况下，扁平化的线圈可有效减小线圈的自感，增加初、次级线圈之间的耦合磁通，提高分离式变压器的耦合系数，特别适用于移动式非接触式电能传输。

Description

一种梯形截面分离式变压器

技术领域

本发明涉及一种分离式变压器结构，特别涉及一种用于移动供电领域非接触电能传输***中的分离式变压器结构。

背景技术

非接触供电是基于电磁耦合实现电能无线传输的新型供电模式，利用完全分离的变压器的初级线圈和次级线圈，通过高频磁场的耦合实现电能传输。在电能传递过程中，供电侧的初级线圈和受电侧的次级线圈无物理连接，与传统的供电方式相比，非接触供电使用方便、安全，没有接触损耗和触电危险，无摩擦积碳和相应的维护问题，可适应多种恶劣的天气和使用环境，具备使用方便、安全可靠、环境适应性强、没有粉尘污染、维护成本低等优势，在生物医学领域、交通领域和工业生产领域逐渐得到应用。

目前的非接触供电***普遍存在的问题是初级线圈和次级线圈的耦合系数低、互感小、漏感大，电能传输效率较低。例如新西兰奥克兰大学开发的载人游览车供电***，其电能传输效率为70％，韩国铁路研究院研发的1MW高速列车非接触供电***，在气隙长度为10mm时变换器效率最高为82.7％。有关损耗测试和分析结果表明，满载时初级线圈和次级线圈损耗占整个***损耗的70％以上。提高非接触供电***效率的关键之一在于提高初级线圈和次级线圈的耦合系数。

为了获得较高的初级线圈和次级线圈耦合系数，目前分离式变压器次级聚磁的磁芯结构有E-E型、C-I型、U型等，用于交通领域等移动供电场合，考虑到初级线圈和次级线圈之间有相对运动，通常采用扁平化的设计方式，并利用高磁导率的磁芯材料约束磁通路径来实现。中国专利200910032016.X和201510086843.2提出的边沿扩展型分离式变压器通过扩展U型磁芯的两个磁芯面的底部来增加初级和次级磁芯的正对面积，但是其体积较大，无法应用于对初级和次级尺寸有限制的场合。同时上述这些磁芯结构的弯折角度均为直角，如图4的31、32、33，在磁芯弯折处磁阻较大，磁场分布不均匀，磁芯容易饱和。截面为矩形的线圈排列方式，线圈排列紧密、自感较大，次级线圈位于磁芯直角处的电缆与初级距离较远，不利于提高初级线圈和次级线圈的耦合系数，较大的自感还会造成回路谐振电压较高、不利于工程实施。因此，需要优化磁路结构，实现初级和次级轻量化、合理布置磁芯和线圈使磁场分布均匀、降低线圈的自感和谐振电压，提高初级和次级的耦合系数。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有非接触供电***中初级线圈和次级线圈之间存在的耦合系数低的缺陷，提出一种梯形截面的分离式变压器，其耦合系数高、磁芯利用率高，特别适用于移动领域的非接触供电***。

本发明的梯形截面的分离式变压器包括初级线圈、次级线圈和次级磁芯。所述的次级磁芯的内侧面和外侧面向外倾斜，截面呈梯形。次级磁芯的内侧面和外侧面与底面围成一个梯形凹槽，所述的次级线圈绕在此梯形磁芯的梯形凹槽内，初级线圈置于次级磁芯的窗口侧。

位于次级磁芯的梯形槽内的次级线圈呈扁平化排布，次级线圈的绕组排布的截面为梯形，次级线圈绕组的匝数在靠近初级线圈一侧多于远离初级线圈的一侧。

梯形次级磁芯的内侧面与磁芯的底面的夹角、外侧面与磁芯的底面的夹角均为钝角，钝角角度大小的设计原则是使得布置于所述梯形凹槽内的每匝次级线圈与初级线圈之间的距离短。

所述次级磁芯沿线圈可按一定分段间隔稀疏排布，也可紧密排布。当次级磁芯按一定分段间隔稀疏排布时，可等间距均匀排布，也可根据梯形次级磁芯所在位置的磁场大小调整间隔距离，按不等间隔排布。

次级线圈可以根据空间大小设置在初级线圈所在平面的一侧，也可设置在初级线圈所在平面的两侧，设置在初级线圈所在平面两侧的次级线圈形成双次级结构。

所述初级线圈为多匝时，初级线圈的绕组截面为梯形，靠近次级线圈一侧绕制的匝数多于远离次级线圈一侧的匝数，初级线圈外部布置围成梯形凹槽的磁芯。

所述磁芯可采用铁氧体、非晶合金、微晶、超微晶或坡莫合金铁磁等铁耗较低、导磁性能好的材料，初级线圈和次级线圈的导线采用多匝Litz线或PCB线圈。

相比现有的截面为直角的矩形线圈结构，本发明的梯形磁芯内侧面和外侧面与磁芯的底面夹角为钝角，磁芯弯折度较小，在磁芯弯折处，梯形结构与常规的以直角弯折的矩形磁芯结构相比，磁场分布更均匀；在线圈匝数相同情况下，梯形结构能够增大磁芯窗口宽度与初级线圈的正对面积，提高磁通经初级线圈、次级线圈、次级磁芯闭合的比例，提高分离式变压器的耦合系数；相比于现有的以直角弯折的U型磁芯、以及磁芯内的线圈绕组截面为矩形的线圈排布方式，在初级、次级耦合较强的一侧增加线圈导线数量，而在初级、次级耦合较弱的一侧减少线圈导线数量，在增强初、次级线圈之间的耦合的同时，减小线圈的自电感，，降低线圈谐振电压。

附图说明

图1a是本发明实施例1的二维截面图；

图1b是本发明实施例1中次级线圈布置和磁芯布置示意图；

图2a是本发明实施例2的次级二维截面图；

图2b是本发明实施例2中次级线圈布置和磁芯布置示意图；

图3是本发明实施例3的次级二维截面图；

图4是直角弯折的次级矩形磁芯二维截面图；

图5a是本发明梯形次级磁芯结构实施例1的磁场分布计算图；

图5b是现有直角弯折的矩形磁芯结构分离式变压器的磁场分布计算图；

图6是本发明实施例4的二维截面图；

图7是本发明实施例5的二维截面图。

图中：1梯形次级磁芯，11梯形次级磁芯1的底面，12梯形次级磁芯1的内侧面，13梯形次级磁芯1的外侧面，2梯形次级线圈，3初级线圈，21实施例3的梯形次级磁芯的底面，22实施例3的梯形次级磁芯的内侧面，23实施例3的梯形次级磁芯的外侧面，31直角弯折的次级矩形磁芯的底面，32直角弯折的次级矩形磁芯的内侧面，33直角弯折的次级矩形磁芯的外侧面，41第二次级梯形磁芯，42第二次级梯形线圈，51初级磁芯，52初级线圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的梯形截面分离式变压器包括次级磁芯1、次级线圈2和初级线圈3，所述的次级磁芯1的内侧面12和外侧面13向外倾斜，截面呈梯形。次级磁芯1的内侧面12和外侧面13与次级磁芯1的底面11围成一个梯形凹槽，所述的次级线圈2置于所述的梯形凹槽内，初级线圈3置于次级磁芯1的窗口侧。

位于次级磁芯1的梯形槽内的次级线圈2呈扁平化排布，次级线圈2的绕组排布的截面为梯形，次级线圈2绕组的匝数在靠近初级线圈3一侧多于远离初级线圈3的一侧。

梯形次级磁芯1的内侧面12与磁芯的底面11的夹角、外侧面13与磁芯的底面11的夹角均为钝角，钝角角度大小的设计原则是使得布置于所述梯形凹槽内的每匝次级线圈2与初级线圈3之间的距离尽量短。

次级磁芯1沿次级线圈2可按一定分段间隔稀疏排布，也可紧密排布。当次级磁芯1按一定分段间隔稀疏排布时，可等间距均匀排布，也可根据梯形次级磁芯1所在位置的磁场大小调整间隔距离，按不等间隔排布。

次级线圈2可以根据空间大小设置在初级线圈3所在平面的一侧，也可设置在初级线圈3所在平面的两侧，分别设置在初级线圈所在平面两侧的次级线圈2和次级线圈42形成双次级线圈。

初级线圈为多匝时，初级线圈52的绕组截面为梯形，靠近次级线圈2一侧绕制的匝数多于远离次级线圈2一侧的匝数；初级线圈52外部布置围成梯形凹槽的磁芯51。

实施例1

本发明实施例1的二维截面如图1a所示。次级磁芯1的内侧面12和外侧面13向外倾斜，内侧面12和外侧面13与磁芯1的底面11呈钝角连接。次级磁芯1的截面为梯形，次级磁芯1的内侧面12和外侧面13与次级磁芯1的底面11围成一个梯形凹槽，次级线圈2绕在次级磁芯1的凹槽内，线圈绕制了5层。初级线圈3置于次级磁芯1的窗口侧，顺向连接形成回路。次级线圈2的绕制方法如图1b所示，线圈导线顺向连接。次级磁芯1沿次级线圈2在z轴方向紧密排列或间隔排列；线圈导线可以选用Litz线或PCB线圈。

在实施例1中，次级磁芯1在图1b的z轴方向紧密排列。

为更清楚地说明本发明梯形截面分离式变压器提高耦合系数的原理，下面以图1a中梯形次级分离式变压器为例，利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell，对梯形次级磁芯结构分离式变压器，以及如图4所示的现有的磁芯弯折角度为直角的矩形磁芯结构分离式变压器分别建立有限元模型，进行对比，证明本发明的梯形截面分离式变压器结构能够提高耦合系数。

图5a是本发明梯形截面分离式变压器的磁场仿真结果图，图5b是现有的矩形次级磁芯结构的分离式变压器的磁场仿真结果图。在同样的气隙、线圈线径、匝数、磁芯材料和激励电流的条件下，对比本发明和现有的分离式变压器的二维磁场分布，可以看出本发明磁芯1的内侧面12和外侧面13向外倾斜的结构增大了初级线圈和次级线圈的正对面积，未经磁芯耦合初级、次级线圈的漏磁通较少。初级、次级线圈正对面积的增大，有利于减小变压器初级、次级之间气隙磁路的磁阻。同时，本发明的磁芯弯折度小，因而磁芯弯折部分的磁阻相比于现有的以直角弯折的磁芯结构的磁阻有所减小，磁芯内磁场分布更均匀，当激励增大，磁芯不容易饱和，能够实现大功率电能传输。对比图5a和图5b对应的两种结构的分离式变压器，可以看出相同匝数的情况下，图5a所示的本发明的次级线圈排布方式比图5b所示的现有直角弯折的矩形磁芯结构的分离式变压器的次级线圈排布更加扁平，有利于提高耦合系数。

通过建立梯形次级磁芯结构的分离式变压器和矩形磁芯结构的分离式变压器三维模型，进行仿真对比，结果如下表所示：

	初级安匝数	次级安匝数	耦合系数k	k提高
					矩形结构	1	35	0.10963	—
梯形结构	1	35	0.12083	10.22％

上表的仿真结果表明，本发明的梯形截面分离式变压器的初、次级之间的耦合系数0.12083大于现有的分离式变压器初、次级之间的耦合系数0.10963，也就是说，本发明的梯形磁芯结构减小了分离式变压器初、次级之间的气隙磁阻，增大了同时耦合初、次级线圈的磁通，提高了耦合系数10.22％。

实施例2

本发明实施例2的二维截面如图2a所示，俯视如图2b所示，次级磁芯在图2b的z轴方向等间隔稀疏排列，其中，排布间隔与磁芯在z轴方向的宽度相等。在梯形截面分离式变压器的初、次级线圈线径、匝数和气隙长度相同的情况下，仅改变次级磁芯的排布间隔。次级磁芯等间隔排布的情况下，当磁芯排布间隔不超过磁芯宽度时，实施例2的分离式变压器的耦合系数与次级磁芯密集排布的实施例1的耦合系数相差不大，但减少了磁芯用量、降低磁芯损耗、减轻分离式变压器重量，更适用于工程应用。

实施例3

本发明实施例3的横截面如图3所示。实施例3由次级磁芯底面21、次级磁芯内侧面22、次级磁芯外侧面21、次级线圈2、初级线圈3组成。实施例3的次级线圈匝数在与实施例1和实施例2的次级线圈匝数相同的情况下，次级线圈敷设3层，梯形次级更扁平。

实施例4

本发明实施例4的横截面如图6所示。实施例4的分离式变压器由第一次级磁芯1，第一次级线圈2，第二次级磁芯41，第二次级线圈42和初级线圈3组成。所述的第一次级磁芯1和第二次级磁芯41的结构与图1所示的实施例1的次级磁芯1相同；所述的第一次级线圈2、第二次级线圈42的绕法与图1所示的实施例1的次级线圈绕制方法相同；所述初级线圈3的绕法与图1所示的实施例1的初级线圈3的绕制方法相同。相比于本发明的实施例1、实施例2和实施例3，实施例4的初级线圈3所在平面的两侧都有次级线圈，充分耦合了初级线圈3周围的磁场，提高了分离式变压器的耦合系数，适用于对分离式变压器耦合系数要求高的场合。

实施例5

本发明实施例5的横截面如图7所示。实施例5的分离式变压器由次级磁芯1、次级线圈2、初级磁芯51和初级线圈52组成。所述初级磁芯52的结构与本发明实施例1的次级磁芯1相同，初级磁芯51的排法可以与实施例1的次级磁芯1排法相同，也可以与实施例2的次级磁芯排法相同，所述初级线圈52的绕制方法与本发明实施例1中的次级线圈2的绕法相同。相比于本发明实施例1和实施例2，实施例5的初、次级线圈都布置有磁芯，大大减小了初、次级耦合磁路的磁阻，提高了分离式变压器的耦合系数，适用于对分离式变压器耦合系数要求高的场合。

综上所述，本发明的梯形截面分离式变压器通过将磁芯的内侧面和外侧面向外侧倾斜，能够以较小的体积重量获得窗口面积的增大和磁阻的减小，增大分离式变压器的初级和次级的耦合系数，在输出功率一定情况下，降低输入功率容量，提高***效率，适用于移动场合非接触式电能传输。

Claims (4)

1.一种梯形截面分离式变压器，包括次级磁芯(1)、次级线圈(2)和初级线圈(3)，次级线圈(2)为有两个直线段的环形，初级线圈(3)有两个平行的直线段，其特征在于：所述的次级磁芯(1)的内侧面(12)和外侧面(13)向外倾斜，截面呈梯形，内侧面(12)和外侧面(13)与磁芯的底面(11)的夹角均为钝角，钝角角度大小的设计原则是使得布置于所述梯形凹槽内的每匝次级线圈(2)与初级线圈(3)之间的距离短；在环形次级线圈(2)的下方有初级线圈(3)的直线段布置次级磁芯(1)，次级线圈(2)端部的弯曲段外部不设置次级磁芯(1)；次级磁芯(1)分为两段，次级磁芯(1)的内侧面(12)和外侧面(13)与次级磁芯(1)的底面(11)围成两段梯形凹槽，梯形凹槽的窗口宽度大于凹槽底部宽度，所述的次级线圈(2)与初级线圈(3)平行的两个直线段分别置于次级磁芯(1)的两段所述梯形凹槽内，次级线圈(2)的绕组以次级磁芯(1)围成的梯形凹槽的形状布置；初级线圈(3)置于次级磁芯(1)窗口侧的下方。

2.如权利要求1所述的梯形截面分离式变压器，其特征在于：所述在梯形凹槽内的次级线圈(2)呈扁平化排布，次级线圈(2)的绕组排布的截面为梯形，次级线圈(2)绕组的匝数在靠近初级线圈(3)一侧多于远离初级线圈(3)的一侧。

3.如权利要求1所述的梯形截面分离式变压器，其特征在于：所述次级线圈(2)设置在初级线圈(3)所在平面的一侧，或设置在初级线圈(3)所在平面的两侧，设置在初级线圈(3)所在平面的两侧的次级线圈形成双次级线圈结构。

4.如权利要求1所述的梯形截面分离式变压器，其特征在于：所述的初级线圈为多匝时，初级线圈的绕组截面为梯形，初级线圈外部布置围成梯形凹槽的磁芯(51)，磁芯(51)围成的梯形凹槽的窗口宽度大于凹槽底部宽度，磁芯(51)梯形凹槽的窗口侧面向次级磁芯(1)围成的梯形凹槽的窗口侧；初级线圈靠近次级线圈(2)一侧绕制的匝数多于远离次级线圈(2)一侧的匝数。