基于ANSYS的松耦合变压器的研究

开发设计

基于ANSYS 的松耦合变压器的研究

张 磊 周 静 李 星

(西安石油大学井下测控研究所 陕西西安)

摘 要:文章利用大型有限元软件ANSYS,对松耦合变压器的磁芯和线圈建模,分析了影响松耦合变压器效率的主要参数。通过ANSYS 中的场路耦合仿真求出初级、次级的电流、电压,然后求出效率,并与实际测得松耦合变压器的效率进行对比分析,得出了影响松耦合变压器效率的主要因素,对松耦合变压器的研发有很大的帮助。关键词:场路耦合;松耦合变压器;耦合系数

中图法分类号:TM 401+,1 文献标识码:B 文章编号:1004-9134(2009)01-0018-03

0 引 言

松耦合变压器(Loosely Coupled Transformer,LCT)将其原边和副边分开一定的距离实现电能的无接触传输。由于有气隙的存在,磁动势主要降落到气隙的磁阻上,导致松耦合变压器的效率很低,所以,提高松耦合无接触电能传输系统的效率成为首要解决的难题。本文利用有限元ANSYS 软件,分析影响变压器效率的

关键参数[1~4]。ANSYS 的最大优点就在于对模型的有限元计算区域的局部变化非常敏感,并且模型几何尺寸的改变,变压器参数的改变易于实现,从而为松耦合变压器的分析提供了有利的工具。

1 E 型铁磁阻分析[5、

6]

E 型磁芯及等效磁路如图1所示。

图1(b)中将两个E 型铁对接,

中间有气隙的情况

图1 E 型磁芯及等效磁路

下求出整个磁路中的磁阻。线圈磁势降落在磁芯和气隙两部分:F =NI =H C L +H r (F 为磁动势)。式中H C 和H 分别为磁芯和气隙的磁场强度。虽然气隙不大,因空气磁导率比磁芯磁导率低得多,所以气隙磁场强度H 比磁芯磁场强度H C 大得多。

A =57mm;

B =23.8mm ;

C =25.9mm;

D =18.8mm;

E =38.2mm ;

F =14.4mm ;a =(A -E )/2=9.4

mm;r =0.2mm ;L 1=F +(B -F )/2=19.1mm ;L 2=E 2+A-E 4

=28.5mm 。半个E 型磁芯尺寸见图1(a)所示,中柱的截面积:A 1=C D =486.92mm 2;边柱截面积:A 2=(A -E )2 C =A 12=243.46mm 2;端部面积:A 3=(B

-F ) C =243.46mm 2。

第一作者简介:张 磊,男,1985年生,西安石油大学井下测控研究所2006届在读研究生,研究方向为旋转导向钻井技术。邮编:710065

18

石 油 仪 器

PE T ROLEUM INSTRUMENTS

2009年02月

所以各段磁路磁阻为:

R 1=

L 1

A 1=3.1215 103(H -1);R 2=L 2 A 3=9.3155 103(H -1

);

R 3=L 1 A 2

=6.2430 103(H -1);

其中: 0=4 10-7H /m; = 0 10000根据经验公式可得出气隙磁导为:

GA =GC =4 0a c 4r +m (a +c )

(r +m )+

0.13(a +c )+0.077r +m

4=1.6597 10-6(H )

GB =4 0D c 4r +m (D +c)(r +m )

+

0.13(D +c)+0.077r +m

4=3.2239 10-6(H )

根据磁欧姆定律:F =NI = R 即: NI = R ,在线圈匝数,和流过电流一定的情况下磁路中磁阻越

大,磁路中的磁通量 就越小。

从计算磁阻的结果可以看出,气隙中的磁阻比整个磁芯中的磁阻还要大好多倍,所以气隙在松耦合变压器中是影响变压器效率的主要因素;中柱间的气隙磁阻要比边柱的气隙磁阻要小,可以得出,扩大边柱的截面可以减小气隙磁阻。

2 影响耦合系数的参数

[7、8]

衡量变压器好坏的主要参数就是耦合系数,理想变压器的耦合系数为1,而松耦合变压器的耦合系数

随着气隙的加大而减小。下面通过ANSYS 仿真改变变压器的一些结构参数观察耦合系数的变化。2.1

磁芯形状对耦合系数的影响

对EI 和EE 型两种铁芯分别在铁芯之间加气隙后观察耦合系数随气隙增加的变化规律。EI 型磁芯耦合系数随气隙变化图如图2、3所示。

图2 EI 型磁芯耦合系数随气隙变化图

图3 EI 型磁芯耦合系数随气隙变化图

从图2及图3中可以看出,在气隙不是很大的时候,随

着气隙的增加,耦合系数在大幅度地下降,当气隙增加到一定的程度后,耦合系数降低的幅度逐渐减小。图

2中两线圈之间的距离不随着气隙增加而变化,所以,随着I 型铁的远离耦合系数最低降低到0.8,在5mm 气隙内耦合系数随气隙增加下变化率很大,在超出5

19 2009年 第23卷 第1期 张 磊等:基于ANSYS 的松耦合变压器的研究

mm 气隙时,变化率变的很小。在图3中,随着气隙的增加,次级线圈和初级线圈的间距也在逐渐加大,所以,当气隙增加到一定程度后,耦合系数可以降低为0。

2.2 磁芯相对磁导率对耦合系数的影响[9、

10]

变压器是能量传输器件。激磁电流提供能量传输条件,不参加能量传输。因此激磁存储能量越小越好,即希望用高磁导率材料的磁芯。一般磁芯在气隙为0.2mm 时改变磁芯的相对磁导率(设磁芯为线性的)观察耦合系数的变化系数关系如图4

所示。

图4 磁芯相对磁导率与耦合系数关系图

从图4中我们可以看出,随着相对磁导率的提高耦合系数也在提高,但是幅度不是很大,没有气隙对耦合系数的影响强。虽然铁芯材料对耦合系数影响很小,但是为了减少铁损,磁芯材料应该选择,较高电阻率的高频磁导磁材料。2.3 改变气隙观察漏磁

变压器次级与初级全耦合不好时,存储在漏感中的能量不能传输到相应的次级,即漏感不参与能量传输。。漏感是变压器的寄生参数,应当越小越好。但是随着气隙的增加,变压器中的漏磁将逐渐增加见图5。当漏磁增加后,通过变压器中柱上的磁通量就会减少,也就是穿过次级线圈的磁通量减少,根据电磁感应原理,次级的感应电动势将减少。为了获得和没有气隙的情况下同样的感应电动势,必须提高输入电流的频率,增加磁通量的变化率,增加通过次级线圈的磁通量,漏磁随气隙的变化如图5所示。

3 实测效率和仿真效率对比

为了分析方便,在仿真时将磁芯设为线性导磁材料,相对磁导率定为:10000;不考虑涡流损耗;气隙间

距:0.2mm 。仿真结果见表1

。

图5 漏磁随气隙的变化

表1 R =11.8 仿真结果

初级电压/V

初级电流/A 次级电压/V 次级电流/A 效率/%92.20.03594 3.6850.3124334.744115

0.045

4.6

0.39167

34.15

从上面结果分析,将线圈间距设为0.2mm 时,效率就变为34%。可见在工频50Hz 下松耦合变压器的效率是很低的。

在工频输入电压(50Hz)的情况下,负载为11.8的情况,测得变压器初级次级电流电压见表2。

表1 R =11.8 实测结果

初级电压/V

初级电流/A 次级电压/V 次级电流/A 效率/%92.20.047 3.90.3827.2115

0.065

5.0

0.39

26.87

从表1和表2的分析对比可以看出,仿真和实测的效率误差在6%~8%之间。其中次级的电流电压

值基本上和实际测量的电流电压值基本相符合。造成误差的主要原因就是初级线圈的励磁电流。由于篇幅所限制,表中只列出初级电压在92.2V 和115V 两种情况。因为仿真中,磁芯的磁导率假设为线性的,而实际中的硅钢片磁特性用非线性的B-H 磁滞回线来表示的,所以,仿真和实测值存在的一定的误差。

4 结 论

利用ANSYS 对松耦合变压器进行建模仿真,可以方便地改变变压器的关键参数,利用场路耦合求出耦合系数和初级次级的电流电压,然后求出变压器的效率。通过改变松耦合变压器的主要参数,可以得到影响松耦合变压器效率的关键参数和这些关键参数对松耦合变压器效率的影响规律,进而推动松耦合变压器领域的发展。

(下转第23页)

20

石 油 仪 器

PE T ROLEUM INSTRUMENTS

2009年02月