影响非接触式能量传输效率的因素分析
高效率非接触式电力传输系统设计与实现
高效率非接触式电力传输系统设计与实现随着科技的发展,电力传输已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
传统的电力传输方式主要基于导线输电,但这种方式存在一些问题,比如需要大量的电缆、存在电力损耗、难以在某些环境中布线等。
为了克服这些问题,非接触式电力传输系统应运而生。
本文将介绍一种高效率的非接触式电力传输系统的设计与实现。
非接触式电力传输系统采用了电磁感应的原理,通过电磁场的耦合实现电能的传输。
这种方式不需要直接接触导线,因此可以避免电线的插拔和磨损,提高了使用的便捷性和安全性。
首先,设计一个高效率的非接触式电力传输系统,需要选择合适的电磁感应方案。
常见的电磁感应方案有谐振式和非谐振式两种。
谐振式电磁感应系统通过调节电容和电感器的组合来达到谐振,提高传输效率;非谐振式电磁感应系统则利用功率与电压的法则实现电能的传输。
根据具体的需求和应用场景,选择合适的电磁感应方案是关键。
其次,非接触式电力传输系统的设计需要考虑功率传输的效率。
高效率的功率传输可以减少能量的损耗,提高系统的效能。
为了实现高效率的功率传输,需要合理设计传输装置的结构。
传输装置包括发射端和接收端两部分,发射端通过电源和适当的电路将电能转换为高频交流电能,然后通过发射线圈产生电磁场。
接收端则通过接收线圈接收电磁场,并将电能转换为可用的直流电能。
在设计传输装置的结构时,需要考虑线圈的尺寸、电路的匹配和功率的传输效率等因素。
另外,为了保证非接触式电力传输的安全性,还需要考虑防止电磁泄漏的问题。
电磁泄漏可能对周围的电子设备和人体产生干扰和危害。
为了防止电磁泄漏,可以采用合适的屏蔽材料和结构,在发射线圈和接收线圈之间设置屏蔽层,减少电磁泄漏的概率。
此外,还可以在发射端和接收端设置电磁屏蔽装置,进一步减少电磁泄漏。
最后,设计非接触式电力传输系统需要考虑实际应用和成本。
根据实际需求,设计可扩展和灵活的系统,满足不同场景和功率需求的要求。
同时,还需要考虑系统的成本,包括制造成本和维护成本等。
导轨式非接触电能传输系统功率和效率的分析与优化
摘
要 : 对 常用 的导轨 式 非接 触 电能 传输 ( P )系统 传 输 功 率和 效 率 的优 化 问题 , 针 CT 基
于 阻抗 特性 , 出了一 种计 算导 轨 式 C T 系统 传输 功 率 和 效 率 的新 方 法. 提 P 通过 分 析 得 出 了系统传输 功 率与磁 芯等 效磁 阻、 系统工作 频 率 以及 与 原边 导轨 和 副 边 线 圈 匝数 等 因素 之 间的关 系. 同时根 据 实际 系统 的传 输 功 率要 求 , 出 了导 轨 式 C T 系统 的 一种 优 化设 给 P
系统, 文献 [ ] 6 中给 出 了一 种 适 合 于 导 轨 式 C F系 F
收 稿 日期 : 0 00 —8 2 1 —10
系统 的无 功功率 . 这 在 一定 程 度 上增 加 了系统 设 但 计所 需要 考虑 的参 数 和难 度 , 因此 优化 各 参 数 的取 值并设 计 出相应 的策 略来提 高系统 的传 输功 率和效
能效 没有 进行 更加 深入 的分析 .
文 中在文 献 [ 的基 础 上 , 出 了一 种 适 用 于 6] 提 导 轨式 C T系统能效 计算 的新 方法 , 对 系统 参数 P 并 进行 了优 化设计 以提高 系统能效 . 此基础 上 , 在 针对
处 于起 步 阶段 , 系统 的 能效 ( 输 功率 和效 率 ) 停 传 还
( trlS in eEdt n) Nau a ce c io i
文章编号 : 005 5 2 1 )00 2 —7 10 — X(0触 电能传输 系统 功率和效 率 的分析 与优化 术
孙 跃 夏晨 阳 苏 玉 刚 戴 欣
( 庆 大学 自动 化 学 院 , 庆 4 0 3 ) 重 重 00 0
非接触式电能传输技术概述
非接触式电能传输技术概述期内容:西电智慧电气杯创新大赛科技前沿最近,非接触式电能传输( Contactless Energy Transfer, CET )技术得到了广泛的研究与关注,为移动设备供电提供了新的路径,即有效避免了线缆、插头和导电滑环;对于一些诸如航空、生物医学、多传感器应用、机器人工业这样的重要领域,CET技术显著地增加了系统的可靠性,减少了装备的维护工作。
本文对基于电力电子电路的CET 技术进行了回顾与总结CET ,也通常被称为非接触式功率传输(Contactless PowerTransfer, CPT )或者无线功率传输( Wireless PowerCET 可分为:Transfer, WPT )。
根据能量传输介质的差异,声波耦合式CET 、光学耦合式CET 、电场耦合式CET 以及当前最流行的磁场耦合式CET (也称为感应式CET ),如下图所示。
接下来,本文将对这些技术的基本原理、最新进展、优缺点及应用场合进行介绍,其中将重点介绍磁场耦合式CET 技术。
1 、声波耦合式CET 技术声波耦合式CET 技术的基本原理如下图所示。
直流电能通过逆变器、发射器转换为声波,并通过空气、生物或金属介质进行传播;接收电路将接收到的声波转换为交流电能,并在整流、滤波之后供给负载。
其中的发射器、接收器通常采用压电材料实现,这种材料受到压力作用时会在两端面间出现电压。
因此,利用压电材料的这一特性可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换。
与磁场耦合式CET 技术相比,声波耦合式CET 技术具有以特点:1 )对于任意尺寸的发射器和接收器,声波耦合式CET 技术使用的开关频率可比磁场耦合式CET 技术小得多仅为后者的Cair/Cem 倍,其中Cair 、Cem 分别为声波及电磁波在空气中的传输速度)。
因此,电力电子变流器的损耗也相对较小;2 )可在不允许电磁场存在的场合使用;3)当电能传输的方向确定时,系统体积比磁场耦合式CET 系统小;4 )通常,声波耦合式CET 系统效率比电感性系统要低;然而,当发射器与接收器距离远大于它们的半径时,系统效率要比电感性系统高。
影响非接触式能量传输效率的因素分析
影响非接触式能量传输效率的因素分析影响非接触式能量传输效率的因素分析【摘要】非接触式能量传输方式可以解决接触式能量传输带来的各种问题。
但非接触式能量传输存在较大漏感,传输效率受到限制。
本文通过对非接触式能量传输的分离式变压器的拓扑结构,补偿容抗电路,闭环控制电路的研究与分析,设计一套非接触能量传输平台,提高非接触能量传输的效率。
文章完成了非接触传输系统的硬件电路和实验平台的搭建,实验结果证明在一定输入条件下,在气隙间隙5mm的条件下传输效率达70%,随着气隙增大传输效率明显降低。
【关键词】分离式变压器;拓扑结构;补偿容抗电路;闭环控制电路1.引言近年来,无线充电技术得到了深入而广泛的研究与发展,不仅能克服接触式电能传输所带来的接触磨损、接触电阻和摩擦电火花等问题[1],并且能够简化充电操作的步骤。
无线充电技术的关键问题在于电能的非接触式传输,最主要的方式为电磁感应式传输(Inductively Coupled Power Transfer,ICPT)。
电磁感应式非接触传输是一种易实现且传输效率较高的非接触式电能传输方式,也是现阶段研究和发展的重点方向[2]。
感应式非接触能量传输系统利用分离式变压器的原边线圈中交变电流,产生交变的磁场从分离式变压器的发射端传递到接受端,再通过分离式变压器接收端中交变的磁场产生副边线圈中的交变电流,来实现电能的非接触传输。
由于分离式变压器存在较大漏感,电磁感应式无线充电系统的传输效率受到限制。
本文针对电磁感应式非接触能量传输系统中的分离式变压器,分析影响电能无线传输效率的各个因素,并对分离式变压器的结构和充电电路进行优化来提高能量传输的效率。
2.分离式变压器的拓扑结构分析根据分离式变压器中原副边线圈不同的空间结构,可以分为单面和双面两种绕组结构[3],如图1所示。
线圈单面绕组,可以实现在较小的体积内绕制,符合无线充电装置小型化微型化的要求。
设计中可以在外侧设置高磁导率的磁芯材料,有效降低外侧磁通量的泄露,提高耦合系数。
无接触电能传输研究现状
无接触电能传输技术的研究现状广义地说,无接触电能传输(Contactless Power Transfer,简称CPT)技术泛指一切借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输技术.其中,“载体”包括激光、微波、RF无线电波、以及电磁场近场耦合等。
但是,由于目前研究最广泛的是基于电磁场近场耦合的CPT技术,因此狭义的CPT技术专指这种基于电磁感应原理,综合利用电力电子技术、磁场耦合技术及控制理论,实现用电设备以非电气接触方式从电网获取电能的技术。
CPT技术在不同的领域或者不同的研究团队有着不同的名称,如生物医电领域称为TET(Transcutaneous Energy Transmission)技术,在其他领域也称为WET(Wireless Energy Transfer)、CPS (Contactless Power Supply)、CLPS(Contactless Power Station)、IPT(Inductive Power Transfer)及ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)等等,总而言之,所有这些不同的名字都指代着相同的东西,即通过电磁感应的基本原理实现电能无接触传输的技术,这里,我们统称为CPT技术。
美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授等提出一种“Witricity”技术,基于磁共振原理实现较大距离的无线能量传输,2006年底他们展示了可实现2m 距离60W功率传输的演示系统,并在《Science》杂志上发表了其研究成果,引起了世界轰动。
它的原理是将发送端和接收端的线圈构成了一个磁场耦合共振系统,当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的频率相同时,接收端就会产生共振,从而最大化地实现了能量的传输.这种无接触电能传输技术具有传输距离长、能量损耗较小,传输效率高,传输性能稳定等多方面的优点,因此这种技术吸引了大家更多的关注和研究。
电力系统中的电容式非接触电能传输技术研究
电力系统中的电容式非接触电能传输技术研究引言:电能传输是现代社会发展所必需的重要技术之一。
为了满足人们对能源供应的需求,电力系统的发展已经从线缆传输逐渐发展到非接触传输技术。
本文将重点探讨电容式非接触电能传输技术在电力系统中的研究进展和应用前景。
一、电容式非接触电能传输技术的原理及特点电容式非接触电能传输技术是利用电容耦合原理进行能量传输的一种技术。
其基本原理是通过电容耦合将电能从源端传输到负载端,而无需直接连接导线。
这种传输方式的特点是能够实现远距离的能量传输且无需线缆连接,从而大大提高了电能传输的便利性和可靠性。
二、电容式非接触电能传输技术的研究进展1. 电容耦合器件的优化设计电容耦合器件是电容式非接触电能传输技术的核心部件。
研究人员通过对电容耦合器件的结构和材料的优化设计,实现了传输效率的提高和功率损耗的降低。
新型的电容耦合器件不仅具有更高的传输效率,而且具备了更好的抗干扰能力,保证了传输系统的稳定性。
2. 传输距离的增加电容式非接触电能传输技术的一大优势就是能够实现远距离的能量传输。
近年来,研究人员通过改进传输系统的结构和优化传输参数,成功实现了传输距离的增加。
目前,已经可以实现几米甚至十几米的远距离传输。
3. 电能传输效率的提高提高电能传输效率是电容式非接触电能传输技术研究的重要目标之一。
通过改进传输系统的功率调节和控制算法,研究人员成功实现了电能传输效率的提高。
传输效率的提升不仅可以减少能量的损耗,还可以提高系统的稳定性和可靠性。
三、电容式非接触电能传输技术的应用前景1. 智能家居领域随着智能家居技术的发展,对于电能的无线传输需求也越来越大。
电容式非接触电能传输技术可以为智能家居提供便捷的电能供应,从而实现智能家居设备的互联互通,提高居民的生活品质。
2. 工业自动化领域在工业生产中,大部分设备都需要电能供应。
传统的有线传输方式存在着线缆维护麻烦、电线材料消耗等问题。
采用电容式非接触电能传输技术可以减少线缆使用,提高设备的可靠性和生产效率。
提高感应电能传输效率的研究
wh c r n mi e eg o d b lc r ma n t o pi g Th e o o e t o T r h o p e r n f r e ih t s t n r y t l a y ee to g ei c u l . ek y c mp n n s fI a O c n CP a et ec u ld t so m r a
t sp p r ti tod e hes tm ft C PT,a nay e hei l nc r nse f ce c hi a e ,i n r uc st yse o hc I nd a ls st nf ue e oft ta f re he i i n y whih m pa tngby c i ci
关键词 :感应 电能传输 ;可分 离变压器 ;传输 效率 ;补偿电路
中 图分 类号 :T 44 M 6 文 献 标 识 码 :A
Ree r h a s a c nd m pl m e a i i e nt ton g _ r que y ofhi h・f e _ _ nc
i nve t r c r uis r e i c t
程 设计之 中 口。
I 要 J
非 接 触 电能传 输 系统 的组 成
感 应 电能传输系统是根据 麦克斯维尔 电磁场原 理 ,通过可分离变压器进 行能量的传递 。图 l 是该
系统 的组 成框 图。
度, 与变压 器的铁芯材料 、 圈的绕法 ( 线 线径 、 匝数 、 位置 ) 以及气隙的大小有关。
0 引言
传输领 域研 究的一大热 点 ,它解 决了一些 传统供 电
系统 无 法满 足 的 问题 ,克服 了接 触 式供 电的 缺陷 ,
无线电能传输效率的影响因素研究
无线电能传输效率的影响因素研究作者:张文勇马彦兵欧建开吴常贵来源:《无线互联科技》2023年第19期摘要:随着电力电子技术的不断发展,无线电能传输技术备受关注,其特有的电能传输方式越来越受到学术界和产业界的青睐。
文章详细梳理了无线电能传输技术的理论推导,并使用H桥电路设计搭建了无线电能传输系统平台。
文章基于该平台,深入研究线圈距离、圆心差、输入频率、负载和输入电压等因素对传输效率和功率的影响情况,为后期设计大功率无线电能传输技术提供技术保障。
关键词:无线电能传输技术;H桥电路;传输效率;输出功率中图分类号:TP391 文献标志码:A1 研究问题无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)是实现电能以非电气接触方式传输到用电设备的技术。
WPT通过原、副边设备的非接触能量传输,克服了有线输电过程中线路磨损、漏电、火花放电等问题。
WPT能够增强设备对复杂环境的适应能力,具有安全、可靠、灵活、便捷等特点。
该技术能够穿透一般的非金属障碍物,在电动汽车、水下设备、医疗植入设备、工业机器人和消费电子产品等领域应用广泛[1-3]。
目前,WPT技术还存在以下问题:(1)在传输效率和功率方面,由于电磁波在传输过程中存在散射、反射和吸收等现象使得接收端能量损失严重,从而导致传输效率和功率低下;(2)在传输距离方面,由于电磁波传输过程中容易受到各种干扰和衰减,使得到达接收端的电磁波衰减较大,传输距离受到很大限制[4-5]。
以上问题极大影响了该技术的应用和推广。
为此,本文从磁场耦合式技术的电能传输效率和输出功率两方面开展研究,为设计高效可靠的无线电能传输系统提供技术支撑。
2 解决方法及分析为了研究无线电能传输过程中各影响因素对传输效率、功率的影响,文章使用H桥作为核心电路,以此设计无线电路传输系统,利用该系统对各影响因素进行实验分析。
2.1 电路设计为探寻磁场耦合式WPT技术中电能传输效率、输出功率的主要影响因素,文章设计了如图1所示的电路结构,线圈左侧为发射端,右侧为接收端。
《小功率非接触旋转式供能系统的研究》范文
《小功率非接触旋转式供能系统的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步,能源的利用和传输方式也在不断更新。
小功率非接触旋转式供能系统,以其独特的优势和潜力,在各个领域逐渐得到了广泛的关注和应用。
该系统以非接触方式为设备提供能量,既能够降低设备的磨损和能耗,又能够提高设备的稳定性和可靠性。
本文旨在深入探讨小功率非接触旋转式供能系统的原理、设计、应用及未来发展趋势。
二、小功率非接触旋转式供能系统的原理小功率非接触旋转式供能系统主要利用电磁感应原理实现能量的传输和供给。
系统主要由电源、发射器、接收器和负载设备等部分组成。
其中,电源为系统提供稳定的电能,发射器将电能转换为磁场能,并通过空间传播将磁场能传输至接收器。
接收器再将磁场能转换为电能,为负载设备提供能量。
三、系统设计与实现(一)系统设计小功率非接触旋转式供能系统的设计需要考虑到诸多因素,如传输距离、传输效率、稳定性、安全性等。
设计过程中需要综合考虑电源、发射器、接收器和负载设备的选型和配置,以及系统的整体布局和结构。
(二)发射器设计发射器是小功率非接触旋转式供能系统的关键部分,其性能直接影响到系统的传输效率和稳定性。
发射器应采用高性能的电磁材料,以降低能耗和提高传输效率。
同时,为了确保系统的安全性,发射器的设计还需要考虑到电磁辐射和热效应等问题。
(三)接收器设计接收器是小功率非接触旋转式供能系统的另一关键部分,其作用是将接收到的磁场能转换为电能。
接收器的设计需要考虑到转换效率、稳定性以及与负载设备的匹配性等问题。
此外,为了确保系统的安全性和可靠性,接收器的设计和制造过程还需要遵循严格的质量控制和检测标准。
四、应用领域及案例分析小功率非接触旋转式供能系统在各个领域都有广泛的应用,如智能家居、工业自动化、医疗设备、航空航天等。
以下是几个具体的应用案例:(一)智能家居领域在智能家居领域,小功率非接触旋转式供能系统可以用于为智能灯具、智能门锁等设备提供能量。
能量传递效率低的原因
能量传递效率低的原因
能量传递效率低是指在传递过程中,能量的损失较大,导致最终能量的利用率很低,从而影响系统的发挥效果。
其原因主要有以下几方面:
一是存在热损失。
在传递过程中,能量会通过热的方式流失,特别是在高热量的情况下,如果没有有效的散热技术,就会出现热损失,使能量传递的效率很低。
二是存在机械损失。
在传递过程中,有部分能量会发生机械损失,尤其是在机械设备受到摩擦作用时,如果不采取有效的抗摩擦技术,就会出现机械损失,使能量传递的效率降低。
三是存在电磁损失。
在传递过程中,由于电磁场存在,会导致能量发生辐射损失,特别是在高频信号传输时,如果不采取有效的防磁技术,就会出现电磁损失,使能量传递的效率降低。
四是存在化学损失。
在传递过程中,会发生各种化学反应,特别是在高温、高压下,如果没有有效的防腐技术,就会出现化学损失,使能量传递的效率降低。
五是存在结构损失。
在传递过程中,结构的不完善也会导致能量的损失,特别是在结构不合理或材料加工不良
的情况下,如果不采取有效的结构设计和加工技术,就会出现结构损失,使能量传递的效率降低。
六是存在控制损失。
在传递过程中,如果控制系统设计不合理,也会导致能量的损失,特别是在控制精度要求高的情况下,如果不采取有效的控制技术,就会出现控制损失,使能量传递的效率降低。
总之,能量传递效率低的原因是多方面的,热损失、机械损失、电磁损失、化学损失、结构损失、控制损失等都可能导致能量传递效率低。
因此,要想提高能量传递效率,就要采取有效的抗损失技术,以保证能量的有效传递,从而提高系统的发挥效果。
能量流动效率低的原因
能量流动效率低的原因
能量流动的效率低是由于许多不同的因素造成的,这些因素包括:
首先,能量流动往往受到物理限制的影响,这意味着建筑物、基础设施和景观等环境
内部的局限性影响到能量流动的效率。
例如,建筑物的位置可能会妨碍在能量系统内的能
量流动,限制或延长能量的传输时间。
其次,能量供应技术的限制也是导致能量流动效率低的原因。
由于供应技术有限,在
能量系统中流动的能量水平往往有限。
因此,由于能量开发和储存空间的有限,这会影响
其能量流动的效率,从而导致能量流动效率低。
此外,增加能源使用效率也会影响能量流动的效率。
使用过高的能源会导致能源流动
中多余的能量浪费,这会导致能量流动的效率低下。
此外,能量流动的费用也是能量流动效率低的一个原因。
高昂的能源储存和传输成本
使得能量的流动比较低效,如果相关成本不能够得到有效控制,则会影响能量流动的效率。
最后,不同的能源间的能量利用的差距也会影响能量流动的效率。
例如,核能和太阳
能的能量效率之间存在较大差距,这会影响能量在能源系统中的有效流动。
综上所述,能量流动效率低主要是由于物理限制、能量供应技术的限制、能量使用效
率较低以及不同能源之间存在的能量利用差距等多方面原因造成的。
只有通过有效结合改
善物理限制、提高装备技术水平以及降低能源成本,才能有效地改善能量流动的效率。
非接触式电能传输技术的分析和研究
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上海交通大学硕士学位论文
and draw data diagram by MATLAB 7.0 and Visio 2002, do the circuit emulation by PSpice 9.2. My research passes and consults a large number of foreign language articles, at first. The current situation of CEET development, preliminary achievement and the prospect are introduced and recommended in details. Then I provide the basic principle of CIPT, introduce into the concept of loose coupling inductive power transfer, English abbreviation is LCIPT. Analyze the basic structure of LCIPT system, Research the main factor which influences the power transfer efficiency in LCIPT system. I have compared the magnetism coupling device of different structure with the theoretical research in detailed model. Especially the traditional voltage transformer UU type and EE type used in LCIPT system. I give the conclusion that, under different application occasion, how to select the most suitable structure of magnetism coupling; In order to improve the
非接触电能传输系统松耦合变压器传输效率分析
非接触电能传输系统松耦合变压器传输效率分析郭会平;张政;李斌【摘要】在非接触能量传输系统中,松耦合变压器是影响能量传输效率的关键因素之一。
对松耦合变压器的磁芯和线圈进行仿真建模,通过改变变压器磁芯和绕组的结构,可得到影响传输效率的关键因素。
针对 U 型磁芯和不同绕组形式传输效率较低的特点,提出了一种改进型变压器。
该变压器采用扁平 U 型磁芯和平面螺旋式绕组,仿真分析可得该改进型松耦合变压器结构可以大大提高系统能量传输的效率。
%In the contactless energy transmission system,loose coupling transformer is one of the key factors affecting energy trans-mission efficiency. The model of loose coupling transformer is established in this paper. By changing the structure of the magnetic core and winding,the main parameters which impact loose coupling transformer transmission efficiency have been analyzed. According to characteristics that transmission efficiency is low of the U type core and different winding form,the flat type core and plane winding is used to design loose coupling transformer. Through the simulation and comparison,the new loose coupling transformer structure can im-prove the system energy transfer efficiency greatly.【期刊名称】《河南工程学院学报(自然科学版)》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P40-43)【关键词】非接触能量传输;松耦合变压器;传输效率【作者】郭会平;张政;李斌【作者单位】河南工程学院电气信息工程学院,河南郑州 451191;河南工程学院机械工程学院,河南郑州 451191;河南工程学院机械工程学院,河南郑州451191【正文语种】中文【中图分类】TM421传统的电能传输方式主要是通过导线实现的,在电能传输过程中易产生火花、电击、滑动磨损等问题,会对企业和人身造成危险.随着社会经济的飞速发展,传统的电能传输方式在易燃易爆、潮湿等恶劣环境中的应用受到限制,已不能满足这些场合的供电要求.因此,非接触电能传输(Contactless Inductive Power Transfer,CIPT)技术应运而生.CIPT技术克服了传统供电方式的缺陷,在水下作业、喷漆车间、医疗、交通运输、航空航天、钻井工矿和军事等领域有着广泛的应用[1-3].非接触式感应电能传输系统主要由高频逆变部分、松耦合变压器和整流滤波等构成.在整个非接触能量传输系统中,松耦合变压器是其核心组成部分[4-5].松耦合变压器原副边之间存在气隙,漏磁较多,耦合系数不高,所以对电能传输效率有较大的影响.分析了影响常规变压器传输效率的主要因素,在此基础上提出了一种改进型变压器,通过仿真实验证明了改进型变压器能够大大提高传输效率.磁芯是松耦合变压器重要的组成部分,选择合适的磁芯材料是提高传输效率的途径之一.松耦合变压器磁芯要求具有较高的磁感应密度、磁导率、居里温度及较低的铁损和合适的尺寸等.软磁铁氧体材料具有高频损耗小、抗涡流电阻率高、绕组的耦合特性好、成形方便、化学特性稳定、不易生锈等特点,故得到了广泛应用[6].松耦合变压器原副边之间存在气隙,会产生很多漏磁,从而影响变压器的耦合系数.气隙越大、耦合系数越小,变压器的传输效率也就越低.变压器原副边的耦合系数可表示为[7].对U型磁芯进行仿真,图1为U型磁芯松耦合变压器的示意图.图1(a)中绕组缠绕在变压器磁芯的底部,图1(b)中绕组缠绕在变压器磁芯的端部.在Ansys软件中建立松耦合变压器的模型并进行仿真,图2给出了U型磁芯变压器绕组放置在端部时的磁力线分布.图2(a)是端部绕组在气隙为1 mm时的磁力线分布,图2(b)是端部绕组在气隙为2 mm时的磁力线分布.对比两幅图可以清楚地看到,当气隙增大时,原副边之间交链的磁力线有所减少,漏磁明显增多,导致传输效率较低.针对U型磁芯变压器,绕组放置在磁芯端部时,其传输效率与气隙间的关系如图3所示.从图3中可以清楚地看到,随着气隙的增大,传输效率降低,这主要是由于松耦合变压器的耦合系数逐渐降低导致的.图4给出了松耦合变压器的原副边绕组的两种放置方式.图4(a)是将绕组放置在磁芯的底部,图4(b)是将绕组放置在磁芯的端部.采用U型磁芯变压器,针对不同绕组放置方式下的磁场分布和磁力线走向进行分析.图5给出了U型变压器不同绕组位置的磁场分布图(气隙都为1 mm时).其中,图5(a)是绕组放置在磁芯端部时的磁力线分布,图5(b)是绕组放置在磁芯底部中心位置时的磁力线分布.对比可以看到,图5(a)中的漏磁比图5(b)少,即绕组放置在磁芯的端部时,U型磁芯原副边之间通过的磁力线较多,漏磁较少,耦合系数较高.这说明绕组放置位置的不同,会影响松耦合变压器的耦合系数.图6所示是绕组均放置在端部、气隙大小相同、线圈的有效面积不同时的磁力线走向.图6(a)是线圈有效面积较小时的磁力线分布,图6(b)是线圈有效面积较大时的磁力线分布.对比两图可以看出,在相同气隙时,采用图6(a)的绕组方式时漏磁较多;采用图6(b)的绕组方式时漏磁较少,耦合系数会相应提高.这表明在相同的气隙时,原副边绕组间的有效面积增加,可以产生更多的磁力线垂直通过原副边绕组,漏磁较少,能有效地提高耦合系数,进而提高系统的传输效率.综合以上仿真结果可以看出,气隙大小和绕组的放置方式对传输效率都有影响.变压器原副边之间的气隙越大,传输效率越低;原副边绕组的有效面积越小,会导致耦合系数变小,进而降低传输效率.由此得到启发,从改进松耦合变压器的磁芯形状和绕组的绕制方法入手,提出了一种采用扁平式磁芯和平面式绕组的松耦合变压器.绕组做成平面式放置在扁平U型磁芯的凹槽面上,有效面积得以增加,可以使更多的磁力线在原副边绕组之间垂直通过,减少漏磁,提高系统的传输效率.变压器磁芯采用AP法设计,即求出磁芯的窗口面积AM和磁芯的有效截面积AC 的乘积,计算公式为 .式中,P为变压器的计算功率;B为磁芯的工作磁感应密度;f为开关工作频率; j为线圈的电流密度,一般变压器可取2~4 A/mm2;η为变压器的效率;KC为磁芯的填充系数,对于铁氧体可取KC=1;KM为窗口的填充系数,一般取典型值0.4,K为KC与KM的乘积.变压器绕组由初级和次级绕组组成,根据经验公式可得到变压器的绕组匝数.式中,Vp为原边绕组电压;ton为导通时间;ΔB为导通期间磁感应强度的增量,为了防止线圈饱和,ΔB一般取0.2~0.3;AC为磁芯的有效截面积.在满足设计要求的同时,采用扁平U型磁芯要考虑足够的裕量,采取最大的磁芯面积,将原副边绕组放置到有效的位置上,使原副边绕组接触得比较紧密,增大横截面积,故原副边匝链的磁力线增多,耦合系数变大.松耦合变压器磁芯形状和绕组缠绕方式如图7所示.将磁芯设计成扁平U型,平面式绕组放置在U型磁芯的凹槽内,使变压器原副边之间的有效面积增加.通过GUI方法对实体模型自上而下建模,得到了模型的二维图形.然后,对模型进行网格划分.Ansys软件的网格划分有自由网格划分和映射网格划分两种,本设计采用自由网格划分.扁平U型磁芯的网格划分如图8所示.对新型U型松耦合变压器原副边气隙为1~8 mm时分别进行仿真,得到其磁力线的走向分布图.图9(a)是气隙为1 mm时的磁力线分布,图9(b)是气隙为2 mm时的磁力线分布.由图9(a)和(b)可以看出,改进后的新型变压器的磁力线密度远高于普通U型变压器,这是由于原副边之间耦合系数的增大所致.分析可知,和普通U型磁芯相比,扁平U型磁芯中的原副边绕组间通过的磁力线较多.普通U型磁芯由于磁芯柱较长,一部分磁通在磁芯柱中流失,降低了原副边之间的耦合系数,导致了传输效率的降低.另外,对原副边绕组的电路分析发现,在相同输入电流的条件下,扁平U型磁芯副边的电压电流要高于普通U型磁芯.图10为普通U型磁芯变压器及新型变压器的效率分布.由图10可以看出,随着气隙的增大,变压器的传输效率降低.采用改进的新型变压器后,耦合系数得到了提高,传输效率也得到了明显提高,曲线也更加平缓.利用Ansys软件对松耦合变压器进行了有限元仿真分析,得到了影响松耦合变压器传输效率的关键因素;对松耦合变压器的磁芯形状和绕组的绕制方法进行了改进,采用扁平U型磁芯和平面式绕组,磁芯面积得到了一定的增加,有效地提高了松耦合变压器的耦合系数和系统的传输效率,得到了传输效率较高的变压器结构.【相关文献】[1] 詹厚剑,吴杰康.非接触感应电能传输系统松耦合变压器参数设计[J].现代电力,2009(2):40-44.[2] STANIMIR V,SENIOR M.Resonant contactless energy transfer with improved efficiency[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(3):685-699.[3] 武瑛,陆严光,黄常纲.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术,2003,22(4):10-13.[4] 姜田贵,张峰,工慧贞.松耦合感应能量传输系统中补偿网络的分析[J].电力电子技术,2007,41(8):42-44.[5] 庞明鑫,高晓旭.松耦合感应式电能传输技术的应用研究[J].机械工程与自动化,2010(10):121-126.[6] 周静,安慰东.提高感应电能传输效率的研究[J].电子测试,2010(1):5-10.[7] 韩亚荣,熊小娟,张琦,等.非接触式电能传输系统的松耦合变压器特性分析[J].中国制造业信息化,2007(15):55-57.。
(摘要)非接触电能传输关键技术研究
(摘要)非接触电能传输关键技术研究研究背景目前,电能主要是由导线直接接触,通过传导的方式传递的,针对这种传输方式存在磨损、摩擦、裸露导线、接触火花、传输线易出故障等一系列问题,非接触电能传输方式由于具有高安全性、可靠性成为电能传输领域的一大研究热点。
非接触电能传输(Contactless Power Transfer,简称CPT)技术是基于电磁感应原理,综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术,借助现代控制理论和方法,实现电能从静止电网向存在一定距离或移动设备的非接触供电,实现了移动设备灵活、安全、高效的供电问题,从而消除了传统供电方式存在的安全隐患。
非接触电能传输按传输方法可以分为感性的和容性的。
感性的非接触电能传输一般称为感应电能传输技术(Inductively Coupled Power Transfer,简称ICPT)是能量通过电磁场进行传递,而容性的非接触电能传输能量是通过电场进行传递。
本文主要是对感性非接触电能传输进行研究。
随着人们对环境保护的重视,加大了对电能的利用,如:电动汽车的广泛应用。
由于操作安全,接头可以免于维护,电动汽车的非接触式充电也成为研究的热点。
目前,国内对该项技术的研究还处于起步阶段,还未开发出成熟的产品。
但作为一项新兴的技术,其理论和实践经验都有待逐步完善。
如:传输功率的大小、系统稳定性、电磁兼容性、费用效率和可靠性等。
研究内容感应电能传输技术的工作原理为:高频电流通过原边载流线圈产生交变磁场,交变磁场与副边感应线圈相耦合产生感应电动势,从而利用产生的电动势来驱动负载。
系统由原边回路和副边回路两大部分组成,原边和副边是分离的,原边回路是电能发送电路,实现电能的高频逆变与电磁波能量转换,主要由整流滤波电路、高频逆变电路和发送线圈组成;副边回路是能量拾取并向用电设备供电的电路,主要由电能拾取机构和功率变换电路组成。
工作原理如下图所示。
感应电能传输技术的功率传输效率和工作稳定性是最关键的核心技术。
无接触供电系统功率和效率的分析与优化
无接触供电系统功率和效率的分析与优化材料的非线性特性;(2)忽略绕组内外圈差异;(3)忽略趋肤阻抗的动态变化。
副边分别采用串联和并联补偿的等效电路如图1所示。
考虑线圈内阻后,串联补偿电路仍然可以等效为串联谐振.而并联补偿电路难以简单等效为并联谐振电路。
设副边线圈感应的交流电压有效值为Ui。
Ip为原边电流,原、副边互感为M,频率为ω,副边自验证各参数的可实现性,否则重新调整Q或磁芯儿何结构来改变kφ,再次计算,直到设计符合要求。
3.2 副边优化设计方法3.2.1 品质因数Q的选择与优化系统的有功功率与谐振电路的品质因素Q成正比。
设计中Q的选择十分关键。
CPT系统中,Q过人导敛多零相位解,使凋谐非常困难,而且系统对器件参数的变化过于敏感,具体表现为非阻元件电压流过大,无功分量过大。
因此,在实际电路中,Q 一般为2~10之间。
由式(6,9)发现,无论串联还是并联,品质因数Q还可以表示电压放大率,即电容上电压与副边电感线圈开路电压之比,则实际系统中普通电容元件的耐压限值影响Q的提高。
因此,设计完成后,需要对电容耐压做可实现性验证。
在满足功率的前提下,较低的Q值,可以提高系统效率。
此外,某些特殊工艺的电容由于耐压极高,则可采用高Q值电路,增强功率传输能力。
例如MIT的无线供电,采用金属平板电容,其电路Q可以高达2 500。
3.2.2 副边的磁芯选择与优化由以上分析可知,满足副边额定功率的条件下,提高副边Q 可以降低是kφ,从而减小副边系统磁芯体积和质量。
因此,在原边参数确定的情况下,副边系统的设计可以通过逐步增加磁芯沿原边电路方向的宽度.多次计算求得副边磁芯结构的优化解。
实现在给定原边参数的情况下,副边磁芯的优化设计,从而小剐边结构大小和质量。
另外,也可以寻求在不改变磁芯结构的条件下,通过调整磁耦合原边电缆走线、位置等,达到提高kφ的目的4 系统实验与分析为了验证本文公式的推导,以及匝数对副边功率、效率无影响的推断,选择两套副边电路进行实验。
非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究
非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究摘要:非接触感应能量传输系统已经被广泛应用于无线充电、智能家居、工业自动化等领域。
其中,松耦合变压器是非接触感应能量传输系统的核心部件之一。
本文主要探讨了松耦合变压器的研究现状、设计原理、性能分析及其在非接触感应能量传输系统中的应用。
关键词:非接触感应能量传输系统;松耦合变压器;设计原理;性能分析;应用研究一、引言随着科技的不断进步,非接触感应能量传输系统已经被广泛应用于无线充电、智能家居、工业自动化等领域。
其中,松耦合变压器是非接触感应能量传输系统的核心部件之一。
在传统的能量传输系统中,变压器是通过铁芯的磁耦合来实现能量传输的,但在非接触感应能量传输系统中,由于空气是绝缘体,因此需要通过松耦合变压器来实现能量传输。
松耦合变压器是指变压器的两个线圈之间的磁耦合程度很低,即线圈之间的磁场不能完全穿透铁芯,而是通过空气来传递能量。
松耦合变压器具有传输效率高、电磁辐射小、结构简单等优点,因此在非接触感应能量传输系统中得到了广泛应用。
二、松耦合变压器的研究现状目前,国内外对松耦合变压器的研究主要集中在以下几个方面: 1. 变压器的结构设计:针对不同的应用场景,对变压器的结构进行优化设计,以提高传输效率和稳定性。
2. 变压器的磁路设计:通过优化变压器的磁路结构,降低磁场的漏损,提高能量传输效率。
3. 变压器的材料研究:研究不同材料在松耦合变压器中的应用效果,以提高变压器的传输效率和稳定性。
4. 变压器的控制技术:通过对变压器的控制技术进行研究,提高变压器的传输效率和稳定性。
三、松耦合变压器的设计原理松耦合变压器的设计原理主要包括两个方面:磁路设计和线圈设计。
1. 磁路设计松耦合变压器的磁路设计主要包括铁芯的选择和结构的设计。
铁芯的选择要考虑到磁导率、饱和磁感应强度、磁滞损耗等因素,以及铁芯的形状和尺寸对磁场分布的影响。
结构的设计要考虑到磁路的闭合性、磁场的均匀性和漏磁的影响。
能量传输系统的工作原理
能量传输系统的工作原理能量传输系统是一种用于将能量从一个地方传输到另一个地方的技术。
它可以使用电磁波、无线电波、激光或者基于电磁感应的方法来实现能量的传输。
以下是对能量传输系统的工作原理进行详细描述的分点:1. 非接触式传输:能量传输系统的一个关键特点是非接触式传输,即能量可以在不需要物理接触的情况下进行传输。
这可以减少能量传输过程中的损耗,并增加系统的灵活性和便利性。
2. 发射器和接收器:能量传输系统通常由两个主要部分组成,即发射器和接收器。
发射器负责产生并传输能量,而接收器负责接收并利用这些能量。
3. 发射器工作原理:发射器通常使用电源将电能转换为需要传输的形式,如电磁波或无线电波。
它可以使用一个电源单元来生成电能,并使用天线或激光发射器将其转换为电磁波或激光束。
4. 传输介质:能量传输系统的传输介质可以是空气、介质或者真空。
在空气或介质中传输能量时,电磁波或无线电波可以通过大气或媒介中的反射和折射进行传输。
在真空中传输能量时,通常使用激光束进行传输。
5. 接收器工作原理:接收器通常使用天线、感应线圈或光电传感器来接收传输的能量。
一旦接收到能量,接收器会将其转换为电流或者其他形式的能量供应给目标设备。
6. 功率传输和损耗:在能量传输过程中,总会存在一定的功率损耗。
这些损耗可以通过合适的系统设计和材料选择来降低。
例如,使用高效的发射器和接收器、选择合适的传输介质,以及减少传输距离都可以减小能量损耗。
7. 安全性和效率:能量传输系统的安全性和效率是进行设计和实施时需要考虑的重要因素。
系统需要具备足够的安全措施,以防止能量泄漏或对人体造成伤害。
同时,系统也需要具备高效率,以确保能量传输的稳定性和可持续性。
综上所述,能量传输系统通过发射器将能量转换为电磁波、无线电波、激光或电磁感应的形式,并通过非接触式传输的方式将其传输到接收器。
发射器和接收器的工作原理以及能量传输过程中的功率损耗、安全性和效率都是该技术的关键考虑因素。
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影响非接触式能量传输效率的因素分析
【摘要】非接触式能量传输方式可以解决接触式能量传输带来的各种问题。
但非接触式能量传输存在较大漏感,传输效率受到限制。
本文通过对非接触式能量传输的分离式变压器的拓扑结构,补偿容抗电路,闭环控制电路的研究与分析,设计一套非接触能量传输平台,提高非接触能量传输的效率。
文章完成了非接触传输系统的硬件电路和实验平台的搭建,实验结果证明在一定输入条件下,在气隙间隙5mm的条件下传输效率达70%,随着气隙增大传输效率明显降低。
【关键词】分离式变压器;拓扑结构;补偿容抗电路;闭环控制电路
1.引言
近年来,无线充电技术得到了深入而广泛的研究与发展,不仅能克服接触式电能传输所带来的接触磨损、接触电阻和摩擦电火花等问题[1],并且能够简化充电操作的步骤。
无线充电技术的关键问题在于电能的非接触式传输,最主要的方式为电磁感应式传输(Inductively Coupled Power Transfer,ICPT)。
电磁感应式非接触传输是一种易实现且传输效率较高的非接触式电能传输方式,也是现阶段研究和发展的重点方向[2]。
感应式非接触能量传输系统利用分离式变压器的原边线圈中交变电流,产生交变的磁场从分离式变压器的发射端传递到接受端,再通过分离式变压器接收端中交变的磁场产生副边线圈中的交变电流,来实现电能的非接触传输。
由于分离式变压器存在较大漏感,电磁感应式无线充电系统的传输效率受到限制。
本文针对电磁感应式非接触能量传输系统中的分离式变压器,分析影响电能无线传输效率的各个因素,并对分离式变压器的结构和充电电路进行优化来提高能量传输的效率。
2.分离式变压器的拓扑结构分析
根据分离式变压器中原副边线圈不同的空间结构,可以分为单面和双面两种绕组结构[3],如图1所示。
线圈单面绕组,可以实现在较小的体积内绕制,符合无线充电装置小型化微型化的要求。
设计中可以在外侧设置高磁导率的磁芯材料,有效降低外侧磁通量的泄露,提高耦合系数。
但随着线圈之间的位置偏移量的增加,通过副边线圈的磁通量的矢量和会急剧减小,当线圈偏移量达到40%的时候,通过副边线圈的磁通量矢量和接近于0,这时将不能实现能量的传输。
线圈双面绕组,相对于单面绕组绕制的体积较大。
双面绕组的外侧磁通量泄露较大,这部分磁场无法有效利用,耦合系数和传输的效率较较小。
但传输效率受位置偏移量的影响不大,当线圈偏移量增大时,只相当于线圈之间的距离增大,而通过副边线圈的磁通量的矢量和的减少很小,适合于线圈之间位置偏移量较大的场合。
线圈单面绕组结构分离式变压器设计时需要注意传输效率受位置偏移的影响较大,必须保证线圈直径大于4倍的位置偏移量的最大值。
选取磁导率高、具有很小的矫顽力、电导率低、饱和磁感应强度大、磁损率小的磁芯材料,保证磁芯激励存储能量尽量小,使激励电流尽量将能量进行传输,提高传输的效率。
3.补偿容抗电路分析
分离式变压器存在空气气隙,会产生较大的漏感,使原边线圈电路的视在功率增加,增加电源负担,较大的电压也容易造成元器件的损坏。
同时较大的漏感还会造成副边线圈电路无功功率增加,使输出功率的减小[4]。
为补偿电路中的漏感,较为常见的办法是在原副边线圈电路中串联或并联入高耐压值的电容。
原边线圈串联或并联补偿,电容分别补偿了原边绕组的电压或电流,分别适用于原边绕组较长且较分散的场合或原边绕组较集中的场合。
副边线圈串联或并联补偿,电路工作在谐振状态下,阻抗等效为纯电阻或导纳等效为纯电导,输出电压等效为开路电压或电流等效为短路电流,适用于需要使用直流母线电压的场合或需要使用直流母线电流的场合。
无线充电系统,要求副边线圈电路中的电流值尽量大,所以副边线圈应采用并联补偿的方式,而由于充电系统体积要求受限,采用集中绕组的方式,所以原边线圈应采用并联补偿的方式,即无线充电系统采用并联-并联的补偿容抗电路拓扑结构。
4.闭环控制电路分析
非接触能量传输的充电电路中可分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统包括原边的高频逆变电路和开环控制电路,与副边的高频整流电路和直流稳压电路。
原边高频逆变电路和副边高频整流电路可视为一级DC-DC变换器,副边的直流稳压电路视为二级DC-DC变换器。
开环控制系统工作在开环状态下,结构相对简单,目前大部分研究与产品都是基于开环控制系统的非接触传输[5]。
闭环控制系统在开环控制系统的基础上,从负载侧将输出电压的采样值引回到控制电路上实现稳压功能。
由于闭环控制的引入,闭环控制系统可以省去副边的直流稳压电路,属于一级DC-DC稳压输出,能量传输效率将比开环控制系统更高。
本文将基于闭环控制系统,设计一套非接触能量传输系统,提高传输的效率。
闭环控制电路设计主要基于芯片SG3525,工作原理为振荡器产生的方波信号与误差放大器输出信号通过PWM比较器和锁存器进行比较之后产生一个占空比可调的方波信号,然后通过触发器和或非门电路两路相反的信号。
在搭载外部电路过程中,可以将基准电压接在误差放大器的同向输入端上,将输出电压的采样电压作为反馈信号接在反向输入端上。
当输出电压升高时,误差放大器的输出电压将降低,则PWM比较器输出为正的时间增长,从而锁存器输出方波占空比变大,再通过或非门从而使得开关电路通路时间变短,从而使输出电压回落到
额定值,实现了稳态。
反之亦然。
在误差比较器的输入端管脚1和2和输出端管脚9之间可以接入不同类型的补偿反馈网络能实现不同反馈信号的处理,SG3525外接电路如图2所示。
5.实验分析与总结
5.1 实验结果与分析
为进一步验证分离式变压器拓扑结构设计,补偿容抗电路和闭环控制电路对非接触式能量传输效率的提升,现设计一套实验平台。
主电路采用全桥逆变电路,设计控制电路频率为20KHz,采用调压器提供的频率为60HZ、电压为50V的交流电作为输入,输出负载用24Ω/100W的电阻串并联模拟。
电压和电阻用万用表测量,小于10A的电流用万用表的电流档测量,精度0.01A,大于10A的电流用最大量程200A、精度0.1A的电流钳表测量。
测试数据如表1所示。
从表中可以看出,利用补偿容抗电路和闭环控制电路,圆形线圈单面绕组磁芯分离式变压器在气隙间距为5mm的时候,传输效率可达到69.76%,有显著提高。
同时电能传输效率随着气隙间距的增大明显下降,与理论分析结果相符。
5.2 总结
非接触能量传输由于分离式变压器存在较大漏感,系统的传输效率受到限制。
通过合理设计分离式变压器的拓扑结构,补偿容抗电路和闭环控制电路的引入可以一定程度上提高系统的传输效率。
实验证明,引入补偿容抗电路和闭环控制电路的圆形线圈单面绕组磁芯分离式变压器的传输效率显著提高,但随着气隙间距的增大传输效率明显下降。
参考文献
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[2]Deron Keith Jackon.Inductively-coupled power transfer for electromechanical systems[D].Massachusetts Institute of Technology,1998.
[3]关学忠,孙胜勇,杨静,等.非接触式感应能量传输系统的分析与设计[J].电子技术应用,2008,2:63-65.。