Page 68 - 电力与能源2023年第四期
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374 王 斌，等：基于松耦合变压器的无线电能传输技术研究
铁心的位置有很高的要求 ，一旦位置发生偏移 要求的补偿电容为 221 μF。这在选择补偿电容时
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就无法达到充电的效果。 会产生如下问题：普通电容、超级电容、普通电解
本文设计的松耦合变压器系统主要由 4 部分 电容和无极性电解电容因为体积、电容值等限制
组成：电源、发射器、接收器、负载。 均无法达到很好的补偿效果。
感应耦合无线电能传输系统原理示意如图 1 对于以上问题，现在主要有两种解决方式：提高
所示。 系统工作频率或者采用有铁心松耦合变压器。这两
种方法都可以提高线圈间的耦合系数，达到提高系
统传输效率的效果。其中，提高工作频率是现在很
多小型无线充电器采用的方法，传输效率高且设备
轻便，但是传输距离短，传输功率低。本文探讨的是
家用电器甚至电动汽车级的无线充电器，所以决定
图 1 感应耦合无线电能传输系统原理示意 采用给线圈加装铁心来提高系统的耦合系数，以牺
图 1 是基于互感的系统电路。在设计的系统 牲轻便性为代价提高系统的工作效率。
中，电源将产生的信号输送给感应线圈 L1，然后
2 松耦合变压器的铁心设计及仿真
发射线圈通过电磁感应耦合的方式将能量传输到
接收线圈 L2，利用交变的电磁场实现电能的无线 现有计算松耦合变压器系统电磁场的方法主
传输。首先分析最容易实现的互感线圈探讨工频 要有两种：棱边有限元法和节点有限元法。棱边
条件下的工作情况。在探讨阶段，以 275 匝∶275 匝 有限元法在计算三维电磁场时精确度较节点有限
的互感线圈为基础，设计线圈的内外半径分别为 元法高，因此基于棱边有限元法利用 ANSYS 软
0.25 m 和 0.36 m，自感经计算为 0.071 919 H，导 件计算松耦合变压器的相关参数。
线采用 ϕ2.04 mm 的漆包线，两个线圈中心之间的 由于铁心的结构直接影响松耦合变压器的自
距离取 2 cm，线圈的填充系数经计算为 0.744 2； 感、互感以及耦合系数，进而决定变压器的性能，
负载取 13.75 Ω，负载电压取为 220 V，通过调整线 因此本文设计了 3 种不同形状的铁心，并且综合
圈匝数，探讨输入输出电压以及系统效率的变化 分析了不同的铁心结构在不同气隙长度条件下的
情况，系统中的电容补偿均采用完全补偿。不同 耦合系数和系统效率。设计的几种不同场合下适
匝数情况下互感线圈的计划结果如表 1 所示。 用的铁心结构示意如图 2 所示。
表 1 不同匝数情况下互感线圈的计算结果
匝数比 互感/H 输入电压/V 输入电流/A 效率/%
275∶275 0.056 6 383.8 17.5 62.1
275∶250 0.046 4 340.4 20.5 59.8
275∶325 0.061 6 425.7 16.7 58.8
275∶400 0.059 4 413.5 21.0 48.1
275∶200 0.023 0 262.9 35.2 37.9
图 2 不同场合下适用的铁心结构示意
200∶200 0.019 8 189.3 40.8 45.5
200∶150 0.009 2 227.3 82.5 − 通过分析可以看到，相较于普通变压器，由于
220∶275 0.044 8 268.8 20.3 64.3
松耦合变压器铁心间存在气隙，而气隙的磁阻很
220∶214 0.035 1 229.0 24.4 62.8
220∶250 0.036 7 235.8 23.8 63.7 大，因此松耦合变压器会产生一定程度的漏磁通，
220∶220 0.024 7 196.4 33.6 53.2 其耦合系数较普通变压器会有所降低。
由表 1 可知，在工频条件下，互感线圈间耦合 三柱式铁心结构松耦合变压器在不同气隙长
较差，导致系统效率不高，设备损耗较大。其次， 度条件下的 ANSYS 仿真计算结果如表 2 所示。
对于 275 匝自感为 0.071 919 H 的线圈，完全补偿 由表 2 可见，随着气隙长度的增加，线圈间的耦合
