小型无线电能传输装置设计与实现.pdf

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1、重庆大学 硕士学位论文 小型无线电能传输装置设计与实现 姓名 吴卓坪 申请学位级别 硕士 专业 控制工程 指导教师 孙跃 张宗明 20120531 中文摘要 摘要 无线电能传输装置克服了通过金属接触直接供电的种种弊端 如滑动磨损 接触火花 和不安全导体裸露 在易燃 易爆 高温 潮湿的环境中容易发生安 全事故 无线电能传输装置具有更安全 更可靠 更耐用的电气特性 在一些易 燃 易爆 水环境的特殊环境中进行能量接入具有无法比拟的优势 论文介绍了小型无线电能传输装置的基本原理 用磁路等效模型分析出系统 的电磁机构 并用M a x w e l l 软件分析了不同磁芯结构的电磁场分布和平面式能量 接入机

2、构线圈绕制方式 根据基本原理设计出了小型无线电能传输装置的主电路 次级电路和耦合补偿拓扑 设计了系统的控制程序具有软开关控制和负载识别功 能 根据互感等效模型和频闪映射模型 在M a t l a b 中建立了M 文件 用于验证寻 找系统软开关工作点的频率 在M a t l a bS i m u l i n k 建立了小型无线电能传输装置电 路仿真模块 验证了系统工作的功率和效率 运用S a b e r 软件仿真验证了小型无线 电能传输装置次级电路输出电压值 最后搭建了实验装置 装置输出功率达到1 5 0 W 输出电压为4 8 V 满载时系 统效率达到8 1 6 7 待机消耗小于2 W 系统具有

3、负载识别功能 关键词 无线电能传输 I C P T 感应耦合 电磁机构 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 A B S T l 认C T W i r e l e s sp o w e rt r a n s f e rd e v i c ew a so v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft h e d i r e c t t r a n s m i s s i o no fp o w e r t h r o u g ht h em e t a lc o n t a c t S u c ha ss l i d i n gw e a r c o n t a c

4、t i n gs p a r k a n du n s a f ec o n d u c t o r b a r e i tp r o n et os e c u r i t yi n c i d e n t sf o rd i r e c t l yi n s e r t e da n dp u l l e d o u ti nt h ef l a m m a b l e e x p l o s i v e h i g ht e m p e r a t u r e h u m i de n v i r o n m e n t W i r e l e s sp o w e r t r a n

5、s f e rd e v i c ew i t has a f e r m o r er e l i a b l e m o r ed u r a b l ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s w h i c h h a sa ni n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e sf o r e n e r g ya c c e s si n t h es p e c i a le n v i r o n m e n to f f l a m m a b l e e x p l o s i v e w

6、 a t e re n v i r o n m e n t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fs m a l lW i r e l e s sp o w e r t r a n s f e rd e v i c e U s eo ft h em a g n e t i cc i r c u i te q u i v a l e n tm o d e lh a df i n i s h e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r

7、 e o fa n a l y s i s A n a l y s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ed i 伍e r e n t c o r e s t r u c t u r e sa n dp l a n a rc o n n e c t o r e n e r g ya c c e s si n s t i t u t i o n s c o i l w i n d i n gw i t ht h e M a x w e l ls o f t w a r e D

8、 e s i g nam a i nc i r c u i t s e c o n d a r yc i r c u i ta n d c o u p l i n gc o m p e n s a t i o n t o p o l o g y w h i c ha c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fs m a l lW i r e l e s sp o w e rt r a n s f e r d e v i c e D e s i g nac o n t r o lp r o g r a mw i t ht h es

9、 o f ts w i t c hc o n t r o la n dl o a di d e n t i f i c a t i o nf o r t h i sd e v i c e B u i l daM f i l ei nM a t l a ba c c o r d i n gt om u t u a li n d u c t a n c ee q u i v a l e n tm o d e l a n dt h es t r o b o s c o p i cm a pm o d e l w h i c hu s e dt ov e r i f ya n df i n dt h

10、ef r e q u e n c yo ft h e d e v i c e s o f t s w i t c h i n gp o i n t B u i l dap o w e rc i r c u i ts i m u l a t i o nm o d u l ei nM a t l a b S i m u l i n kw h i c hv e r i f i e dt h ep o w e ra n de f f i c i e n c yo ft h ew o r k i n gd e v i c e V e r i f i e d s e c o n d a r y c i r

11、 c u i to u t p u tv o l t a g ev a l u ei nS a b e rs o f t w a r e F i n a l l yb u i l dt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e t h ed e v i c eo u t p u tp o w e ri s15 0 W t h eo u t p u t v o l t a g ei s4 8 Vt h ed e v i c ee f f i c i e n c yi s81 6 7 a tf u l ll o a d s t a n d b yc o n s u

12、 m p t i o n1 e s s t h a n2 w t h ed e v i c eh a sa1 0 a di d e n t i f i c a t i o nf e a t u r e K e y w o r d s W i r e l e s sp o w e rt r a n s f e r I C P T I n d u c t i v e c o u p l i n g E l e c t r o m a g n e t i c s t r u c t u r e I I I 重庆大学硕士学位论文 I V 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 目前 器件与器件 组件与组件

13、系统与系统之间进行能量和信号的传递主 要是通过金属直接接触实现的 这种供电方式存在诸如滑动磨损 接触火花 和 不安全裸露导体等弊端 在易燃 易爆 高温 潮湿的环境中容易发生安全事故 小型无线电能传输装置的设计是为了克服以卜缺点 从原理上解决通过金属 片裸露接触来实现电气连接的弊端 实现电能的非接触供电 小型无线电能传输 装置的核心技术是感应耦合电能传输技术 I n d u c t i v eC o u p l e dP o w e rT r a n s m i s s i o n 简称I C P T 它是在电源逆变技术和功率半导体器件发展的基础上产生的新技术 逆变模块所产生的高频交变电流注入原

14、边线圈 原边线圈中的高频交变电流产生 高频交变的磁场与副边线圈电磁感应 产生感应电动势 从而可以通过较大气隙 传输电能成为现实 根据感应耦合电能传输技术可以知道小型无线电能传输装置具有以下几个优 点 安全 由于消除了金属之间接触放电产生的电火花 避免了火花在易燃易 爆环境中可能引起的爆炸 而且可以避免金属之间接触不良等安全隐患 也可以 避免金属外露引起触电事故的发生 因此小型无线电能传输装置更安全 可靠 由于避免了接触 没有摩擦 因而不会产生磨损 腐蚀等现象 使 电能传输不受灰尘 泥土 水 天气等外界环境因素的影响 因此小型无线电能 传输装置更可靠 寿命高 由于避免了直接接触 不会有变形 擦损

15、等问题 因此小型无线 电能传输装置寿命更高 综上所述 小型无线电能传输装置可以弥补金属直接接触供电的缺点 在易 燃 易爆 水环境和人体医疗器械中具有无法比拟的优势 小型无线电能传输装 置可以用在以下几个方面 1 采矿 炼油设备的能量接入 如钻井平台的供电 2 水下工作设备的能量接入 如水下机器人的供电 或者潜艇的供电 3 特殊医疗设备的能量接入 如人工心脏的电池充电 本文主要是设计出小型无线电能传输装置 实现在有特殊环境要求的小功率 设备的电能接入 能在易燃 易爆 水环境中进行电能接入 重庆大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外理论研究现状 2 0 世纪8 0 年代 E A

16、 b e l 和S M T h i r d 提出非接触式电能传输概念 用非接 触的取电方式来代替导线和金属片接触取电的方式 9 0 年代后 新西兰 美国 日本等国的技术专家和学者对其进行了大量的研究 新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心 以波依斯 P r o f J o h nB o y s 教授为首的团队 以有轨电车 运料车等轨道交通设备的供电以及电 动汽车感应充电设备为工程研发背景 先后发表了上百篇关于无线电能传输技术 方面的文章 文献 2 阐述了无线电能传输技术的概念 设计并应用于自动引导电气化单轨 电车 运用于物料搬运行业 与传统的电池供电的电气化单轨电车相比 具有防 尘

17、 防水 便于维护的优势 文献 3 讨论了小型无线电能传输装置中四种常用的补偿形式 并给出了各个 补偿形式的参数计算方法 此方法是对原边和副边的谐振电路建立高阶数学模型 原边补偿的目的就是让原边的零相位频率等于副边谐振频率 使电能传输的能力 提高 文献 4 通过数学分析 计算机仿真和实际实验 选定的谐振式变换器适合小 型无线电能传输装置 通过改变现有小型无线电能传输装置的变换器结构 优化 系统的动态性能和电力传输能力 给出新的电能变换器 提高了电能传输效率和 系统运行可靠性 降低了成本 文献 5 利用电磁建模的方法来设计非接触感应电能电动汽车的能量拾取机 构 文中给出相同的铁氧体体积和相同的线圈

18、绕组数 对进行了改进的磁机构进 行仿真对比 得出改进了的磁芯机构更有利于提高系统拾取的功率 并在实验室 证明了设计的正确性 美国D e l t aP r o d u c t sC o r p o r a t i o n 的Y u n g t a c kJ a n g 及M i l a nM J o v a n o v i c 研究了 基于电磁感应耦合的无线电能传输技术 并研究出适用于宽范围的输入电压 实 现了高效率的高功率密度的非接触手机充电器 6 美国的R L S t e i g e r w a l d 等为小 型无线电能传输装置能量接入机构和磁芯材料的选择给出了依据 7 j 日本K u m

19、 a m o t oI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y 的H i r o s h iS a k a m o t o K o o s u k eH a r a d a 等人也对感应耦合非接触电能传输技术进行了深入的研究 8 先后在I E E E 上发表 了大量的论文 由此可见国外对无线电能传输技术的基本设计原理和设计方法 对磁场耦合 机构设计 功率 频率 效率分析不断的深入 提出了很多的新方法 新的概念 为本文的设计提供了强大的理论支持 1 绪论 1 2 2 国外产品研发现状 目前 美国德州仪器试制出了符合无线供电业界团体 W P C 无线充电联盟 制

20、定的 Q i 标准的非接触充电模块 并在M o b i l eW o r l dC o n g r e s s2 0 1 2 上进行了展 示 并且 德州仪器还将该模块安装到平板终端的背面 展示了实际进行非接触 充电的情形如图1 1 1 2 所示 此次 德州仪器为了使供电电力超过O i 标准规定的5 W 达到1 0 W 改进了 电源电路 使该模块能以5 V 电源供给1 9 A 的电流 据该公司介绍 该模块可在 确保与O i 规格的兼容性的同时 提高供给电流 1 1 终端受电线圈和充电电路 F i g 1 1P o w e ra c c e p tc o i la n dc h a r g i n

21、 gc i r c u i to ft e r m i n a l 图1 2 非接触充电模块和能量发送机构 F i g 1 2C o n t a c t l e s sp o w e rc h a r g i n gm o d u l ea n dp o w e rs e n d i n gi n s t i t u t i o n s 在电磁感应方式中 如果供电线圈和受电线圈的中心轴偏移 原理上电力传 重庆大学硕士学位论文 输效率会大幅降低 因此 在位置自由的理想与电磁感应方式的原理之间存在着 巨大的沟壑 各公司为填补这个沟壑 实现位置自由所做出的努力各不相同 自 由位置型包括两种方式 一是

22、三洋电机开发的 可动线圈方式 如图1 3 所示 该 产品的最大特点是 利用嵌入供电底座的小型步进马达驱动供电线圈 这样便可 使供电线圈和受电线圈的中心完全吻合 该产品还有一个特点 那就是为推断便携终端的位置 设置了不同于供电线 圈的专用线圈 在呈矩阵状配置的位置推断线圈上流过微弱的检测电流 检测放 上便携终端时检测电流的变化 由此锁定受电线圈的位置 图1 3 可动线圈方式 F i g 1 3T h ew a yo ft h em o v i n gc o i l 另一种自由位置型的 多线圈方式 则没有上述问题 日立麦克赛尔采用该技术 的供电底座 W P P D l 0 B K 内部的供电线圈层

23、叠了三层如图1 4 所示 W P P D l 0 B K 可为2 部便携终端充电 一个系统组合了7 个供电线圈 供电时最多可利用三个 供电线圈 将便携终端放在供电底座上后 首先会逐个启动供电线圈 然后从中 选择传输效率较高的 4 1 绪论 图1 4 多线圈方式 F i g 1 4T h ew a yo ft h em u l t i p l ec o i l s 由上可见国外对于小型无线电能传输装置产品取得了一定的进展 并且一些 存在的一些技术难题也在不断的被攻克 但是传输距离 多自由度 E M I 的减少 的设计还需要进一步优化 1 2 3 国内理论研究现状 国内近些年开始对无线电能传输技术

24、的研究呈现一种蓬勃的态势 浙江大学 的徐晔 马皓对电压型非接触电能传输变换器进行了研究 9 1 0 周雯琪对小型无线 电能传输装置的特性进行了分析 提出一种通用的基于功率因数的多谐振补偿设 计方法 该方法能够对系统进行有效的补偿 使得系统在不同负载下均具有较高 的功率因数 l2 1 中国科学院电工研究所武瑛 严陆光 徐善纲等人对运动设备无 接触供电系统耦合特性进行了研究 l 引 以及对小型无线电能传输装置的稳定性进 行了分析 l4 1 西安交通大学电气学院的王兆安 韩腾 卓放等人对小型无线电能 传输装置的频率分叉现象进行了研究 15 1 南京航空航天大学航空电源重点实验室 的张峰 刘建 王慧贞

25、等对小型无线电能传输装置的全桥谐振变换器进行了研究 1 6 1 8 O 重庆大学自动化学院电力电子与控制工程研究所 自2 0 0 2 年便开始了对国内 外非接触式电能接入技术相关基础理论与产品研发进行密切跟踪和研究 并与国 际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率 电子学研究中心的波依斯 P r o B o y s 教授为首的课题组进行了深层次的学术交 流与技术合作 在理论和技术成果上有了较大的突破 研究所对于无线电能传输 技术的基本原理和设计思路 逆变电路的拓扑结构和特性 功率开关管的驱动电 重庆大学硕士学位论文 路 1 9 系统效率分析与参数优化 2 0 乏2

26、 1 系统软开关工作点分析 2 3 2 4 拾取机构多 自由度问趔2 5 1 系统稳定性分析 2 6 28 1 功率控制策略 2 9 3 0 能量信号同步传输 3 1 1 耦合机构设计 3 2 等有了深入的研究 并取得了突出的成果 研究所的科研人员已 在国内外重要学术期刊及国际会议上发表了几十篇论文 1 2 4 国内产品研发现状 2 0 0 5 年 香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出 无线电池充电平 厶 口 O 近些年重庆大学自动化学院电力电子与控制工程研究所的科研工作者 注重 实际应用领域的产品研发 先后开发出功率从不同功率等级的实验样机 如图1 5 所示为研究所开发出的l k w

27、 无线供电的有轨电车 图1 5 非接触式供电电动汽车 F i g 1 5C o n t a c t l e s sP o w e rs u p p l yf o rt h ee l e c t r i cc a r s 针对家用电器等中功率用电设备 研究所与海尔合作开发出了无线电能传输 技术的海尔无尾电视 电饭锅 豆浆机无线电能供电电源 针对小功率的非接触 手机充电器 一般照明都有相关的实验产品 1 3 课题研究目的 意义 1 3 1 研究目的 本文研究的目的就是整理和消化国内外相关无线电能传输技术资料 参考能 量拾取机构设计 无线电能传输电路设计等文献 并运用磁场仿真软件 电路仿 真软件 实

28、验等手段 设计出具有特殊要求的小型无线电能传输装置 1 3 2 研究意义 小型无线电能传输装置能在易燃 易爆 水环境中进行能量接入 克服了通 过金属接触供电的种种弊端 如滑动磨损 接触火花 和不安全导体裸露 在易 燃 易爆 高温 潮湿的环境中进行能量接入容易发生安全事故 小型无线电能 传输装置具有更安全 更可靠 更耐用的电气特性 在一些易燃 易爆 水环境 的特殊环境中进行能量接入有无法比拟的优势 因此本文对于小型无线电能传输 6 1 绪论 装置的设计具有很高的实用价值 1 4 论文组织结构及内容 本文主要通过电磁仿真软件分析设计出小型无线电能传输装置合适的能量耦 合机构 设计出小型无线电能传输

29、装置的整个硬件系统和保护电路 并设计出相 应的控制算法以及负载识别算法 论文组织结构和基本研究内容如下 第1 章 绪论 分析了金属直接接触供电和小型无线电能传输装置的优缺点 并给出了小型无线电能传输装置的应用意义 简述了国内外对于小型无线电能传 输装置的理论研究现状和产品研发现状 提出了本文的设计目的和意义 第2 章 对小型无线电能传输装置设计运用到的原理进行了分析 分析了常 用磁性材料的特性并选择了能量接入机构的材料 分析了小型无线电能传输装置 能量接入机构线圈绕组特性 给出互感耦合模型 给出了测量和计算能量接入机 构的互感M 和互感系数K 的方法 第3 章 根据磁路模型 优化能量接入机构

30、并用A n s o f tM a x w e l l 进行仿真 分析验证 分析了集中绕制方式和分散式绕制两种线圈绕制方式下磁场的分布情 况 比较出分散式绕制更有利于互感耦合系数的提高 第4 章 对小型无线电能传输装置的变换器 补偿拓扑 驱动电路 保护电 路 控制电路 耦合谐振参数 次级拾取电路进行了设计 计算出各电路重要参 数 设计了小型无线电能传输装置的控制程序和负载识别程序 对小型无线电能 传输装置的主要元器件进行了选型 第5 章 用M A T L A B 仿真验证了小型无线电能传输装置电路软开关工作点频 率和主电路的功率和效率 用S a b e r 仿真验证了小型无线电能传输装置次级电路

31、输 出电压的稳定性 最后用实际产品获得的实验结果 证明上面章节的设计满足小 型无线电能传输装置的设计指标 第6 章 总结所取得的成果 并提出进一步的研究问题 1 5 本章小结 本章对小型无线电能传输装置与金属直接接触供电的优缺点进行了详细的分 析 综合国内外小型无线电能传输装置研究现状 为设计小型无线电能传输装置 提供了理论基础和实践经验 并提出了该设计的目的 意义及主要研究内容 7 重庆大学硕士学位论文 8 2 小型无线电能传输装置原理分析 2 小型无线电能传输装置原理分析 2 1 引言 小型无线电能传输装置的设计需要对一些基本原理的研究和分析 比如我们 要对无线电能传输的基本工作原理进行分

32、析 能量接入机构耦合特性的分析等 下面小节将对它们进行详细的解释和分析 2 2 小型无线电能传输装置的工作原理 小型无线电能传输装置的核心基本工作原理就是感应耦合电能传输 I n d u c t i v e l yC o u p l e dP o w e rT r a n s f e r 简称I C P T 能量传输示意图如图2 1 所示 小型无线电能传输装置的基本工作原理如下 高频逆变部分产生的高频交变电流 注入原边线圈 原边线圈中的高频交变电流产生高频交变的磁场与副边线圈电磁 感应耦合 从而产生感应电动势 该感应电动势通过高频整流及直流斩波等功率 调节电路之后即可向负载提供参数合适的直流电

33、能供应 2 J 耦合磁场 一 卜 卜 卜 一 卜 一 卜 卜 图2 1小型无线电能传输装置示意图 F i g 2 1P r i n c i p l es c h e m eo f w i r e l e s sp o w e rt r a n s f e rd e v i c e 在小型无线电能传输装置的能量接入耦合机构中 原边线圈与副边线圈问存 有较大的空气间隙 因此其耦合系数K 较小 为了提高小型无线电能传输装置的 功率传输能力 减小耦合机构的体积 采用在原边线圈中注入高频交变电流的方 法 以提高松耦合变压器的功率密度 为了提高系统的能量传输效率 一般对原 副边进行补偿 采用谐振电路来提高

34、系统的功率传输能力 2 3 磁路欧姆定律分析 电路中有电路的欧姆定律 同样 磁路中也有磁路的欧姆定律 磁路是指磁 通 或磁力线 通过的闭合路径 由磁场基本原理知道 磁力线或磁通总是闭合 的 磁通和电路中电流一样 总是偏向于向低磁阻的通路流通 高磁阻通路流通 9 重庆大学硕士学位论文 磁通较少吲 图2 2 环形磁芯及磁路模型 F i g 2 2T h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e lo fc i r c u l a rc o r e 如图2 2 所示 在一环形磁芯磁导率为 的磁芯上 绕有 匝线圈 磁路平均 长度为 环的截面积为彳 在线圈中通入电流 在磁

35、芯建立磁通 根据安培环 路定律日 孚考虑磁场强度公式H 旦和磁通公式 B A 有 l U F M H l 一B l 二 心 2 1 J 2 i 式中 F N I 是磁动势 而吃 R m 一磁路的磁阻 与电阻的表达式相 a A 似 与磁路的长度 成正比 与导磁介质的材料的磁导率 和通过导磁介质的截面 积彳成反比 3 2 其倒数为磁导 表达式表示为 G r a 百l2 竽 2 2 式 2 1 为磁路的欧姆定律 与电路的欧姆定律相似 磁路欧姆定律和电路欧姆 定律的对应关系可以用表2 1 表示 磁路欧姆定律为下章的小型无线电能传输装置 磁芯结构的设计提供了理论基础 表2 1 磁路与电路的对应关系表 T

36、 a b2 1 T h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n a lt a b l e so fm a g n e t i cc i r c u i ta n dt h ec i r c u i t 磁路 电路 磁动势F 磁通西 磁通密度B 磁阻民 t a 4 磁导G m 彳 l 磁路欧姆定律F 矽氏 电动势E 电流 电流密度 电阻R y A 电导G y A 电路欧姆定律E I R 1 0 2 小型无线电能传输装置原理分析 2 4 小型无线电能传输装置磁芯材料特性分析及选择 2 4 1 常用磁芯材料介绍及特性分析 磁芯材料分为硬磁性材料 软磁性材

37、料 硬磁性材料 永磁体 指磁化后能 长久保持磁性的材料 常见的有高碳钢 铝镍钴合金 钛钴合金等 软磁性材料 指磁化后 不能保持原有的磁性 本节主要介绍软磁性材料 3 4 1 软磁性材料按制品形态分类 主要有合金类 粉芯类 铁氧体类 合金类 主要又有硅钢片 坡莫合金 非晶及微晶合金 其性能如表2 2 表2 2 合金类软磁材料的分类及其特性 垒12 兰垒 旦 Q 鱼坐垒星坠堕i 里望 垒 星曼垒 垒望旦 堕曼里 垒 i 壁垒 i Q 望Q 坐旦卫 旦仑旦堕i 旦 大分主分主要系饱和磁初始磁电阻率居里温特点 类类列密度导率度 硅钢硅钢片1 8 2 I 1 0 3 4 57 5 0 可冲片 切割 有叠

38、片 式及卷绕式 价格便 宜 产量大 使用温度 可超2 0 0 度 其使用频 率不超过4 0 0 H z 坡莫铁镍合 1 51 0 4 1 0 5 4 54 5 0 温度可超2 0 0 度 矩形 合金金 系数接近1 但价格高 非晶铁基1 3 1 81 0 3 1 0 41 3 5 1 4 04 1 5 高饱和磁感应强度 铁 合金损低 适合于1 0 k H z 以下频率使用 合金铁镍基 0 7 1 04 1 0 3 21 6 03 6 0 价格较贵 但导磁率比 1 0 4 较高 可以代替硅钢片 或者坡莫合金 用作高 要求的中低频变压器 铁芯 钴基0 5 0 81 0 4 1 0 51 3 6 1

39、4 23 3 0矩形比B r B s 0 9 9 5 价 格高 微晶 1 2 3 8 t 1 0 41 2 05 7 0 是目前市场上综合性 能最好的材料 适用频 率范围 5 0 H z 1 0 0 k H z 最佳频率范围 2 0 k H z 5 0 k H z 重庆大学硕十学位论文 粉芯类 铁粉芯 铁硅铝粉芯 高磁通量粉芯 H i g hF l u x 坡莫合金粉 芯 M P P 其性能如表2 3 表2 3 粉芯软磁材料的分类及其特性 T a b 2 3 P o w d e r c o r e m a g n e t i c m a t e r i a l s a n d t h e c

40、l a s s i fi c a t i o n oft h ep r o p e r t i e s 大分主分主要系 饱和磁初始磁电阻率 居里温特点 类类 列密度导率度 铁粉纯铁 1 41 0 7 5 1 17 0 0 价格低p i F 曲线稳定 芯 高频损耗高 铁硅仙台粉 1 0 52 6 1 2 58 05 0 0磁滞伸缩系数接近零 铝粉 损耗比铁粉芯小8 0 芯 性价比高 高磁H F 1 51 4 2 0 0 1 0 04 0 0粉芯中最较高的磁感 粉芯通粉 应强度 价格低于 芯 M P P 钼坡M P PO 7 5 1 4 5 5 01 2 04 0 0粉芯中损耗最低 温度 莫合 稳

41、定性好 磁滞伸缩系 金粉 数接近零 粉芯中价格 芯 最高 铁氧体类 算是特殊的粉芯类 包括 锰锌系 镍锌系 其性能如表2 4 表2 4 铁氧体软磁材料的分类及其特性 T a b 2 4 F e r r i t em a g n e t i c m a t e r i a l sa n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e p r o p e r t i e s 一 大分主分 主要系饱和磁初始磁 电阻率居里温特点 类类列 密度导率 廑 功率铁 1 5 锰锌氧体 1 0 3 铁氧系 高导铁 5 1 5 1 0 31 0 4 体氧体0 3 5 0 4 1

42、 0 3 镍锌高频铁0 2 0 3 1 2 1 0 3 1 1 0 6 系氧体 1 2 1 3 0 2 5 0 1 1 0 3 5 0 产量大 成本低 高频损耗小 2 小型无线电能传输装置原理分析 2 4 2 小型无线电能传输装置磁芯材料选择 根据小型无线电能传输装置电磁机构系统特性 对其磁芯机构软磁材料的选 择要求 3 2 1 可以概括为以下几点 磁导率要高 要求具有很小的矫顽力狭窄的磁滞回线 电阻率要高 有足够大的饱和磁感应强度绞 磁损耗要小 居里温度要高 通过上面小节对常见的软磁材料参数的分析 铁氧体 坡莫合金 非晶合金 三种软磁 都能够满足小型无线电能传输装置磁芯机构磁性材料的设计要求

43、 但 从总体性能上面来讲 综合生产磁芯的加工难以程度和生产成本来说 铁氧体是 最多运用于小型无线电能传输装置磁芯软磁材料中的一种 因此本小型无线电能 传输装置的磁性材料选择锰锌系列的铁氧体 2 5 小型无线电能传输装置线圈绕组特性分析 2 5 1 高频交变电流的集肤效应分析 集肤效应是指交变电流通过导体时 由于感应作用引起导体截面上电流分布 不均匀 愈近导体表面电流密度越大 考虑到集肤效应的特性 在选择导线的直 径时 应考虑集肤效应引起的导线有效截面积的减小量 工程上定义从表面到电 流密度下降到表面电流密度的0 3 6 8 即l e 的厚度为趋肤深度或穿透深度 用 来表示 焉 2 3 C O

44、2 万厂一角频率 一导线材料的磁导率 y 一导线的电导率 k 一材料电导率 或电阻率 温度系数 表2 5 给出了不同频率下铜导线的穿透深度的对应关系 表2 5 频率与铜导线的穿透深度对应关系表 璺丝 主壁 堑塑垒业旦望坐旦墼业塑 Y 塑堡坐星旦塑旦堕垒堕堡望尘 工作频率f K H z 穿透深度A m m 工作频率f K H z 穿透深度A m m 5 1 0 1 5 2 0 0 9 3 4 6 0 6 6 0 8 0 5 3 9 6 0 4 6 7 3 2 5 3 0 3 5 4 0 0 4 0 8 0 3 8 1 5 0 3 5 3 2 0 3 3 0 4 重庆大学硕士学位论文 2 5 2

45、小型无线电能传输装置线圈材料选择 研究表明 采用多根细线绞合的李兹线 可以有效减少集肤交流和邻近效应 的影响 李兹线是由多股单股漆包线绞合而成 其绞合形式为螺旋式结构 如图 2 3 所示 1 为李兹线外皮 2 为单股漆包线 3 为单跟铜线 图2 3 李兹线结构图 F i g 2 3L i zl i n ec h a r t 此小型无线电能传输装置线圈材料采用多股单股漆包线绞合而成的李兹线 适应频率2 0 K H z 至5 0 0 K H z 2 6 小型无线电能传输装置互感耦合特性分析 2 6 1 小型无线电能传输装置互感耦合原理分析 在一般的功率变换电路中 常常运用变压器模型来描述原 副边绕

46、组的耦合 关系 原 副边电压满足原 副边匝数比关系 但是这种关系只适合运用于紧密 耦合的情形 漏感忽略不计的情况 小型无线电能传输装置的磁芯机构耦合性能 较弱 完全处于一种松耦合状态 漏感较大 原 副边电压关系不满足原 副边 匝数比关系 因此不能用变压器模型进行描述 互感耦合模型用感应电压和反映 电压的概念来描述原 副边绕组的耦合关系 感应电压和反映电压都通过互感来 表达 因此用互感模型来表示小型无线电能传输装置互感等效电路模型更为合适 3 5 1 I s c 图2 4 小型无线电能传输装置互感耦合模型 F i g 2 4M m u t u a li n d u c t a n c ec o

47、u p l i n gm o d e lo fc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rd e v i c e 1 4 2 小型无线电能传输装置原理分析 图2 4 给为小型无线电能传输装置的互感耦合模型 在进行互感模型的功率计 算时 两个重要的参数为丌路电压圪 和短路电流 根据电路原理可得 开路电压 g o j c o M I 2 4 一原边电流的角频率 M 一原 副边问的互感耦合值 厶一原边电感的电 流 短路电流为 I 粤 2 5 L S 三 一副边线圈的电感 理论上在无补偿的时候最大输出功率为 己 V O C t 国等矸 2 6 L s 若考

48、虑实际电路当中存在的功率补偿且品质因素为Q 输出功率可以表示为 J P Q 圪 t Q c o 掣 二坪 2 7 从2 7 式可以看出 小型无线电能传输装置的传输功率除与频率 副边电感 原边电流有关外 还与原副边间的互感耦合的平方成正比 由此可见 若能有效 提高互感耦合系数 则系统的输出功率能力将会显著提高 2 6 2 小型无线电能传输装置互感M 值与耦合系数K 值的测量与计算 本文选择串联耦合测试法测量互感 其测量原理如图2 4 2 5 所示 当n 式1 二 1 气1当n 孟1 R C 0 T l O S O T lC K IR B 01 N T 1 1 一P2 1 支 R C l 汀l o

49、 S lc C C P 2 R B l 3 0 p F1 1 0 1 芝 R C 2 C C p jR B 2 Y l 尹 R C 3 S C K S C LR B 3 i P j M I r j 霉 R C 4S D I S D AR B 4 R C 5 S D OR B 5 X T A L 耄 R C 6 T X C K R B 6 P G C 司 c 2 R C 7 R X t D TR B 7 P G D 型q 卜 O j o 譬 O S C l L 诅R A O A N 0 o S C 2 j C L K 0 R AlA N l 陛一 1 一 R A 2 懑N 2 V R E F 汇

50、V R E F 獬e L V P PR A 3 7 A N 3 V R E F 幸 I 口3 0 K 孽1 K 臼 R A 4 T K K 王 elo U T 1 0 艘 c 6 1 0 0 P F 4 3 m x2 R 9 C 6 3 2 p f m i 4 小型无线电能传输装置的系统设计 经计算 锁相范围为4 6 9 5 K H z f 5 1 6 5 K H z 即只要谐振频率在这个范围内 均能稳定锁相 这对于负载变化所引起的原边L C 参数变化将有很好的适应性 4 3 小型无线电能传输装置的耦合补偿拓扑设计 4 3 1 耦合补偿拓扑的选择 小型无线电能传输装置的系统中 存在着较大的漏电