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足球即时赔率即时指数对比:無線電能傳輸的磁元件

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  • 更新日期:2014-01-17 08:52
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介紹了無線電能傳輸系統,對無線電能傳輸系統的關鍵部件——磁耦合元件的工作原理和特點及優化方法進行了詳細的綜述。

华体足球即时赔率 www.ksfjn.com.cn 1 引言
隨著科學技術的發展,社會的不斷進步,越來越多的電子產品和設備進入人們的生活,如筆記本,電動車,MP3等,越來越多的人提倡綠色環保、節能和低碳經濟。然而傳統的接觸式電能傳輸技術中錯綜復雜的電線限制了這些設備移動的便攜性、靈活性、安全性和穩定性,也影響了環境的美觀性,人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術來滿足日常生活一些新型電氣設備及各種特殊環境下的要求。無線電能傳輸技術能有效解決布線繁亂、設備位置固定化、居室墻面被插座破壞等問題,給人們的生產和生活提供很多的便利;同時還大量節省了布線所用的銅、塑料等材料,節約了資源,減少了污染,具有綠色環保、節能、免維護或少維護等優勢。
早在100多年前,無線電能傳輸就已為人所知,科研人員進行了大量的實驗嘗試,但終因技術水平受限和傳輸效率太低,沒能實現商品化[1]。隨著功率變換技術、現代控制理論、功率開關半導體器件和新型電磁材料技術等的發展以及對無線電能傳輸技術的日益需求,到20世紀70年代,無線電能傳輸技術被國內外科研院所和公司的專家學者們大量研究[2]。從所查到的資料上看,國內外研究主要集中在無線電能傳輸技術的基本原理、電路拓撲結構、功率控制方法、電路補償方式、頻率穩定性分析等方面[3-8],少見對磁耦合元件的分析與報道[9]。
本文結合目前無線電能傳輸技術闡述了無線電能傳輸技術的基本原理及特點,系統地綜述了無線電能傳輸系統的關鍵部件——磁耦合元件的工作原理和特點以及優化方法。
2 無線電能傳輸系統簡介
無線電能傳輸系統的總體架構包括電源側的能量變換環節(工頻AC/DC整流濾波、功率因數校正環節、高頻DC/AC逆變)、能量傳遞環節(磁耦合元件)和負載側的能量調節環節(高頻AC/DC整流濾波和功率調節),其結構框圖如圖1所示。系統工作時,將工頻交流電經過整流濾波電路變換成直流電后經過功率因數校正電路和高頻逆變環節給初級發射線圈供給高頻交流電,次級接收線圈與初級發射線圈中高頻交變電流產生的磁鏈相交鏈,產生感應電動勢,該感應電動勢再通過高頻整流濾波和功率調節后給各類用電設備的供電。由于能量發射端和能量接收端為分離的兩部分,從而避免了傳統接觸式電能傳輸存在的接觸電擊、火花、漏電等潛在危險,降低了接口的滑動磨損,提高了使用壽命且為移動設備和封閉設備的供電難題提供了解決方案,適合為各種特殊環境中的電氣設備供電(如化工、礦井、油田等易燃易爆場合、一些水下供電系統及一些封閉供電系統等)。
系統架構中的磁耦合元件在無線電能傳輸系統中是非常關鍵的部分,系統通過它才能夠實現電能的無線傳輸。無線電能傳輸系統的磁耦合元件在原理上與傳統的變壓器有很多的類似之處,都是應用電磁感應原理實現電能從初級側到次級側傳遞。傳統變壓器的磁路中氣隙很小,其磁動勢主要分布在鐵芯的磁路上,而鐵芯的磁導率很高,磁阻很小,因而在傳輸相同功率的情況下所需要的勵磁電流較小。但無線電能傳輸的磁耦合元件的初級發射線圈和次級接收線圈是分離的,中間存在著很大的氣隙,這就導致其磁動勢的很大一部分都是降落在空氣磁路中,從而磁耦合元件的漏磁很大,勵磁電感很小,初次級線圈之間的耦合系數很小,這不僅對實現電能的高效、大容量無線傳輸具有很大影響,還會加大電路中功率開關器件的電壓電流應力。正是由于磁耦合元件的松耦合特性,導致它是制約無線電能傳輸系統高效、大容量傳遞的瓶頸,因此優化磁耦合元件,提高耦合系數對于提高無線電能傳輸系統的傳輸效率和傳輸能力具有重要的意義。
3 目前的研究現狀
磁耦合元件是無線電能傳輸系統的關鍵部件,其性能的好壞直接影響了整個系統能量的傳輸效率和傳輸能力。目前對磁耦合元件的研究主要集中在工作原理的分析,傳輸效率的分析以及性能的優化,而性能的優化主要是著眼于如何提高它的耦合系數。根據不同應用對象的實際需要,磁耦合元件可以采用初、次級相互分離的磁芯,也可以采用空心線圈。各國學者對有磁芯的磁耦合元件的研究主要集中在磁芯材料的選擇、磁芯結構的優化、繞組分布方式,以減小其體積、重量同時保持較高的耦合系數。
3.1 磁耦合元件的工作原理
磁耦合元件的工作原理可以用變壓器的T形等效電路或用耦合線圈的互感模型來分析。因采用互感模型分析具有不需要將耦合線圈的勵磁電感和漏感分開的優點,所以這里采用互感模型來分析。圖2給出了無線電能傳輸磁耦合元件的互感等效模型。圖中R1,R2表示初、次級線圈的內阻,L1,L2表示初、次級線圈的自感,M表示初、次級線圈的互感,I1和I2分別為初、次級線圈電流,ω為電源的角頻率,jωMI1是初級線圈電流在次級線圈的感應電壓,jωMI2是次級線圈在初級線圈的反映電壓。
由圖2給出的參考方向,可以得到下面的方程:
U1=(R1+ jωL1)I1+ jωMI2                         (1)
U2=(R2+ jωL2)I2+ jωMI1                         (2)
式(1)和式(2)分別是初、次級的回路方程,根據這兩個式子,可以推導出如圖3所示的初級側等效電路圖,次級線圈對初級系統的影響可以用反映阻抗Zr來表示。
Zr = Rr + jXr                                                                      (3)

其中 , ,式中Re表示次級線圈所接的等效負載。次級反映阻抗直接反映了磁耦合元件的功率傳輸的情況。Rr反映了初級線圈傳遞到次級線圈有功功率的大小,從Rr的表達式可以看出互感M直接影響到傳遞到次級的有功功率。而互感的大小是由線圈之間的耦合系數k決定的。磁耦合線圈之間耦合系數為:
                                     (4)
耦合系數k表示了磁耦合元件初、次級線圈耦合程度,與磁耦合元件的磁性材料、磁芯結構,線圈布置方式以及氣隙的大小有關。
3.2 磁耦合元件的優化
隨著氣隙的增大,磁耦合元件的耦合系數會減小。如何提高磁耦合元件的耦合系數,并盡可能地減小體積和重量已然成為研究的難點。要想在一定氣隙下,獲得更大的耦合系數只能去優化磁性材料、磁芯結構、繞組分布方式等因素。
(1)磁芯材料的選擇
由于在無線電能傳輸系統中,磁耦合元件是松耦合的,初、次級線圈之間的漏感比較大,耦合系數比較小,為減小整個裝置的體積,提高系統的能量密度和傳輸效率,通常系統工作的頻率都比較高,但隨著頻率的提高,磁芯的損耗越來越大,因此無線電能傳輸系統磁性材料的選擇對磁耦合元件實現高效、高功率和體積小型化顯得尤為重要。在實際系統中,為了防止磁芯飽和,減小體積,降低磁芯損耗,選取軟磁材料一般要求[10]:1) 高的磁導率以降低勵磁電流;2) 很小的矯頑磁力和狹窄的磁滯回線以減小磁滯損耗;3) 高的電阻率以減小渦流損耗;4) 足夠大的飽和磁感應強度以防止磁芯飽和;5) 低的磁損率;6) 高的居里溫度。
一般鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金三種軟磁材料都能滿足無線電能傳輸磁耦合元件對磁性材料的要求,但總體性能上來書說,非晶合金的各項指數大體優于其它軟磁材料。實際應用中,磁材的選擇要對成本、性能、工作環境等進行綜合考慮。
(2)磁芯結構的類型
無線電能傳輸系統磁耦合元件按照初、次級線圈之間的相對運動關系,可以分為三類:1) 相對旋轉型[11],這種類型的磁耦合元件初、次級線圈分別繞在不同的磁芯結構上,磁芯為環形的且初、次級同軸。磁耦合元件在旋轉時,耦合系數不會發生變化,具有能量傳遞不受轉速影響的優點;2) 相對滑動型[12],這種磁耦合元件的特點是其初級側線圈通常做成導軌型,即通常為一匝的線圈,而次級線圈多是繞在某種磁芯上并與負載相連。這種結構的磁耦合元件能夠解決現代電氣設備移動的靈活性問題,適用于材料處理系統、有軌電車、磁懸浮列車等各種靈活滑動的場合,有著廣闊的應用前景;3) 相對靜止型[13],初、次級保持相對靜止,常采用EE型、UU型和C型等結構,適用于各種便攜電子設備的電池充電和人體植入式醫療電子設備。圖4給出了三種磁耦合元件的示意圖。
提高磁耦合元件的耦合系數是提高系統電能傳輸效率的關鍵所在。而如何提高耦合系數并盡可能地減小其體積和重量,卻是無線電能傳輸技術的研究難點。為此,各國學者進行了很多的研究。為了提高磁耦合線圈耦合系數,文獻[14]不惜以加大磁芯的體積和重量為代價,用體積366cm3、重量為17.2kg的磁芯制作變壓器,但過大的體積和重量降低了它的實用價值。文獻[15]在文獻[14]的基礎上,將圓形磁芯分割成扇面,如圖5所示。分割后,耦合系數與原來相當,而磁芯重量大大減小,大大增加了它的適用性。此外,新西蘭奧克蘭大學以Boys教授為核心的課題組也采用分割磁芯方法來優化無線電能傳輸的磁耦合元件,已達到減輕重量的目的[16]。
對于圖4(c)所示的相對靜止型的磁芯結構,文獻[17]從磁路的思想出發推導了其耦合系數的近似表達式,進而表明磁芯氣隙與橫向尺寸比值g/L越大,耦合系數越小,變換器的傳輸效率不高,一般會低于70%。從所查的資料上看,最好的實驗結果為:在傳輸2020W的功率,開關頻率為20.1kHz,g/L=0.1875(g=150mm, L=800mm)時,系統的效率為82%[18]。
文獻[19]根據文獻[17]的磁芯氣隙與橫向尺寸比值g/L越大,耦合系數越小結論,在氣隙g固定的情況下,采用平面磁芯并去掉中柱,以得到更大的橫向尺寸L來增大磁件的耦合系數,同時達到減小磁芯體積和重量,改進的磁芯結構如圖6所示。
文獻[19]還根據磁通耦合特性,將磁場劃分為全耦合、部分耦合和漏磁通三個區域并分析各區域的磁阻特性,建立磁耦合元件的磁路模型,得到耦合系數與磁阻的計算公式,進而總結出優化磁芯結構的一般思路并提出了邊沿擴展、平面U型的磁芯結構,如圖7所示。
(3)繞組優化
為了減小磁耦合元件的體積和提高電能的傳輸能力,一般磁耦合元件都是工作在較高的頻率下,但高頻會帶來磁耦合線圈由鄰近效應和趨膚效應引起的損耗,因此為了減小該損耗,線圈多采取多股細線或Liz線交叉換位的繞法。此外,也可以從繞組的分布方式出發,進行優化無線電能傳輸的磁耦合元件。
圖8給出了U型磁芯分布式繞組和集中式繞組及其Ansoft磁場仿真圖,從中可以看出,當采用分布式繞組時,由于初、次級線圈接觸比較緊密,磁力線可以在初、次級線圈之間垂直通過,因此漏磁通比較少,耦合系數比較高,因此,在選擇繞組分布時,為提高磁耦合線圈的耦合系數應采用分布式繞組[19]。
5 結束語
無線電能傳輸技術是利用現代電力電子變換技術、電磁諧振技術并借助于現代控制理論、磁場耦合技術和高頻電源技術實現電能通過交變磁場從初級發射端到次級接收端的傳遞。這一技術的出現,有望解決傳統能量傳輸方式存在的各種問題(如移動靈活性差、不安全、不美觀等問題),從而被世界各國的研究學者廣為青睞并開始進行大量的研究,它向人們展示了廣闊、誘人的應用前景,是目前電力電子學領域中極具生命力的發展前沿之一。而磁耦合元件作為無線電能傳輸的關鍵部件,其性能的好壞對系統的傳輸能力和傳輸效率有著至關重要的影響。目前,磁耦合元件已是制約無線電能傳輸進一步實現高效能量傳遞的主要瓶頸。作者就無線電能傳輸系統磁耦合元件的關鍵問題進行系統的分析和綜述,對磁耦合元件的工作原理、特點和優化方法進行了詳述,并給出了磁耦合元件的技術關鍵和發展趨勢,這對更加深入的研究無線電能傳輸技術具有重要的理論意義和現實的應用價值。
參考文獻
[1] 野澤哲生.蓬田宏樹.偉大的電能無線傳輸技術[J].電子設計應用,2007(6):42-54.
[2] Schuder J, Gold J, Stephenson H. An inductively coupled RF system for the transmission of 1 kW of power through the skin [J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1971, 18(4): 265-273.
[3] J. T. Boys, G. A. Covic and A. W. Green. Stability and control of inductively coupled power transfer systems [J]. IEEE Proc. Electrical Power Application, 2000, 147(1):37-43.
[4] Seigerwald R. L. A comparison of half-bridge resonant converter topologies [J], IEEE Transactions on Power Electronics, 1998: 174-182.
[5] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [Z], Science, 2007, vol. 317: 83-86.
[6] 武瑛,嚴陸光,黃常綱,等.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析.電工電能新技術,2003,22(4):10-13.
[7] 孫躍. 非接觸電能傳輸系統的頻率穩定性研究. 電工技術學報,2005,20(11):56-59.
[8] 孫躍,王智慧,蘇玉剛等. 電流型 CPT 系統傳輸功率調節方法[J],重慶大學學報,32(12),2009: 1386-1391.
[9] 韓騰,卓放,劉濤等.可分離變壓器實現的非接觸電能傳輸系統研究[J].電力電子技術,2004,38(5): 28~29.
[10] 趙修科.開關電源中的磁性元件[B]. 南京航空航天大學自動化學院.2004.8
[11] Esser A, Skudelny H. A new approach to power supplies for robots [J]. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1991, 27(5): 872-875.
[12] 戴衛力,費峻濤,肖建康. 無線電能傳輸技術綜述及應用前景[J]. 電氣技術. 2010(7).
[13] 楊民生,王耀南. 新型無接觸感應耦合電能傳輸技術研究綜述[J]. 湖南文理學院學報(自然科學報)[N].2010,22(1)


 
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