非接觸式電磁耦合變壓器關(guān)鍵參數(shù)的仿真與分析

1、非接觸式電磁耦合變壓器關(guān)鍵參數(shù)的仿真與分析西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所付浩謝海明第一采氣廠第三凈化廠杜君引言作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器，在它的主軸和不旋轉(zhuǎn)套之間進(jìn)行能量傳輸，一直采用的是接觸式滑環(huán)能量傳輸方式。但由于接觸式滑環(huán)存在安裝不方便、旋轉(zhuǎn)時(shí)易磨損、易受到井下鉆井液或水的腐蝕以及泥漿的影響等缺陷。因此迫切需要一種新的非接觸式能量傳輸方式非接觸式電磁耦合能量傳輸技術(shù)較為理想。而作為非接觸式電磁耦合能量傳輸技術(shù)的核心西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所 付浩 謝海明第一采氣廠第三凈化廠 杜君引言作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器，在它的主軸和不旋轉(zhuǎn)套之間進(jìn)行能量傳輸，一直采用

2、的是接觸式滑環(huán)能量傳輸方式。但由于接觸式滑環(huán)存在安裝不方便、旋轉(zhuǎn)時(shí)易磨損、易受到井下鉆井液或水的腐蝕以及泥漿的影響等缺陷。因此迫切需要一種新的非接觸式能量傳輸方式非接觸式電磁耦合能量傳輸技術(shù)較為理想。而作為非接觸式電磁耦合能量傳輸技術(shù)的核心部分非接觸式電磁耦合變壓器，對(duì)它的研究則顯得尤為重要。原理非接觸電磁耦合變壓器是將常規(guī)變壓器磁芯的原副邊磁芯分離，當(dāng)在原邊加一個(gè)高頻交流電時(shí)，原邊的磁芯中產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)通過空氣傳到副邊磁芯中，這時(shí)副邊線圈將有交變的磁場(chǎng)穿過，所以將會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。從而實(shí)現(xiàn)了能量的非接觸傳輸，如圖1所示。圖 1 非接觸電磁耦合變壓器原理圖由于氣隙（初級(jí)、次級(jí)之間

3、的間隙）的存在，一方面使得初、次級(jí)之間沒有導(dǎo)線的連接從而實(shí)現(xiàn)了非接觸能量傳輸，但另一方面卻使得變壓器的漏磁非常大，限制了能量傳輸?shù)男?。因此，必須?duì)影響非接觸式電磁耦合變壓器傳輸效率的各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，以解決傳輸效率問題。用仿真的方法對(duì)其進(jìn)行研究，可節(jié)約大量的人力物力。下面是用ANSYS軟件的Emag模塊對(duì)非接觸電磁耦合變壓器的關(guān)鍵參數(shù)的仿真及與實(shí)際情況的比較。仿真與分析通過對(duì)非接觸式電磁耦合變壓器傳輸原理的研究可知，影響其傳輸效率的主要因素包括：1、原邊電源的頻率；2、氣隙和漏磁；3、變壓器的結(jié)構(gòu)等。下面通過利用ANSYS軟件對(duì)非接觸式電磁耦合變壓器進(jìn)行仿真，并與實(shí)際值進(jìn)行比較，得到了這

4、些關(guān)鍵參數(shù)和效率之間的關(guān)系。電源頻率對(duì)效率的影響在EI型變壓器氣隙為1.5mm、初級(jí)電壓為50V時(shí)，仿真效率和頻率的變化關(guān)系如圖2所示。由圖可知仿真和實(shí)測(cè)效率曲線存在一定的誤差，但是兩曲線中效率都隨頻率的增加在逐漸增加，當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，效率不到5%，將頻率升高為650Hz時(shí)，效率增加到48%?？梢娫黾拥胶线m的頻率可以大大提高松耦合變壓器的效率。氣隙對(duì)效率的影響氣隙與效率的關(guān)系導(dǎo)致松耦合變壓器效率低的主要原因就是磁芯之間氣隙的存在。當(dāng)頻率固定為50Hz，輸入負(fù)載固定為10.8 ，采用EI型硅鋼片。仿真與實(shí)測(cè)電壓效率的關(guān)系曲線對(duì)比如圖3所示。從圖中可以看出效率隨氣隙的增加逐漸減小。硅鋼片在有氣

5、隙存在，工作頻率為工頻的條件下效率非常低。圖2 效率隨頻率的變化曲線圖圖3 效率隨氣隙的變化曲線圖為了便于分析，在仿真時(shí)將磁芯設(shè)為線性導(dǎo)磁材料，相對(duì)磁導(dǎo)率定為：10000；不考慮渦流損耗；氣隙間距：0.2mm。仿真結(jié)果見表1。從上面結(jié)果分析，將線圈間距設(shè)為0.2mm時(shí)，效率就變?yōu)?4%?？梢娫诠ゎl50Hz下松耦合變壓器的效率是很低的。在工頻輸入電壓(50Hz)的情況下，負(fù)載為11.8，測(cè)得變壓器初級(jí)次級(jí)電流電壓如表2所示。從表1和表2的分析對(duì)比可以看出，仿真和實(shí)測(cè)的效率誤差在6%8%之間。其中次級(jí)的電流電壓值和實(shí)際測(cè)量的電流電壓值基本相符合。造成誤差的主要原因就是初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流。由于篇幅所

6、限制，表中只列出初級(jí)電壓在92.2V和115V兩種情況。因?yàn)榉抡嬷校判镜拇艑?dǎo)率假設(shè)為線性的，而實(shí)際中的硅鋼片磁特性是用非線性的B-H磁滯回線來表示的，所以仿真和實(shí)測(cè)值存在一定的誤差。表1 R=11.8/ 仿真值表2 R=11.8/ 實(shí)測(cè)值漏磁隨氣隙的變化關(guān)系松耦合變壓器原邊與副邊耦合存在漏磁，存儲(chǔ)在漏感中的能量不能傳輸?shù)较鄳?yīng)的次級(jí)，即漏感不參與能量傳輸。漏感是變壓器的寄生參數(shù)，應(yīng)當(dāng)越小越好。但是隨著氣隙的增加，變壓器中的漏磁將逐漸增加見圖4所示。當(dāng)漏磁增加后，通過變壓器中柱上的磁通量就會(huì)減少，也就是穿過次級(jí)線圈的磁通量減少，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也將減少。圖4 漏磁隨氣隙變化圖變

7、壓器結(jié)構(gòu)對(duì)效率的影響衡量變壓器好壞的主要參數(shù)就是耦合系數(shù)，耦合系數(shù)反映系統(tǒng)功率傳輸能力，它由變壓器結(jié)構(gòu)本身決定。理想變壓器的耦合系數(shù)為1，即為全耦合，而松耦合變壓器的耦合系數(shù)和它的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。其中初級(jí)磁芯之間的氣隙、磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率、線圈的繞法等都對(duì)松耦合變壓器的耦合系數(shù)起著主要影響。下面通過ANSYS仿真改變變壓器的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)觀察耦合系數(shù)的變化。耦合系數(shù)隨氣隙的變化規(guī)律在ANSYS中分別對(duì)EI型和EE型變壓器進(jìn)行建模，并采用宏計(jì)算初級(jí)次級(jí)之間的自感和互感，最后求出耦合系數(shù)。EI型非接觸變壓器模型如圖5中a所示，耦合系數(shù)與氣隙變化關(guān)系曲線如圖5中b所示。EE型非接觸變壓器模型如圖6中a

8、所示，耦合系數(shù)與氣隙變化關(guān)系曲線如圖6中b所示。從圖5及圖6中可以看出，在氣隙不是很大的時(shí)候，隨著氣隙的增加，耦合系數(shù)在大幅度的下降，當(dāng)氣隙增加到一定的程度后，耦合系數(shù)降低的幅度逐漸減小。圖5中兩線圈之間的距離不隨著氣隙增加而變化，所以，隨著I型鐵的遠(yuǎn)離耦合系數(shù)最低降低到0.8，在5mm氣隙內(nèi)耦合系數(shù)隨氣隙增加下變化率很大，在超出5mm氣隙時(shí)，變化率變的很小。在圖6中，隨著氣隙的增加，次級(jí)線圈和初級(jí)線圈的間距也在逐漸加大，所以，當(dāng)氣隙增加到一定程度后，耦合系數(shù)可以降低為零。圖5 EI型非接觸變壓器模型分析圖6 EE型非接觸變壓器模型分析耦合系數(shù)和磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率的變化關(guān)系松耦合變壓器是能量傳輸器

9、件。激磁電流提供能量傳輸條件，不參加能量傳輸。因此激磁存儲(chǔ)能量越小越好，即希望用高磁導(dǎo)率材料的磁芯。在氣隙為0.2mm時(shí)改變磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率觀察耦合系數(shù)的變化如圖7所示。圖7 耦合系數(shù)和磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線從圖7可以看出，隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的提高耦合系數(shù)也在不斷的提高，但是耦合系數(shù)提高幅度不是很大，沒有隨氣隙的改變對(duì)耦合系數(shù)的影響強(qiáng)。雖然鐵芯材料對(duì)耦合系數(shù)影響很小，但是為了減少鐵損，磁芯材料應(yīng)該選擇較高電阻率的高頻磁導(dǎo)磁材料。線圈繞法和耦合系數(shù)之間的關(guān)系采用如圖8所示兩種線圈繞法在ANSYS中對(duì)其分析，計(jì)算出相應(yīng)的耦合系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。圖中繞法1和繞法2的線圈匝數(shù)、填充系數(shù)，以及線圈橫截面積都相同，繞法如圖8中a，b所示。 (a) (b)圖8 不同線圈繞法采用不同的繞法，繪制出相應(yīng)的耦合系數(shù)和氣隙關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出兩種繞法前者比后者優(yōu)越，耦合系數(shù)有明顯提高。所以在線圈的繞制過程中，要盡量靠近鐵芯，減少線圈的繞制層數(shù)。圖9 不同線圈繞法對(duì)耦合系數(shù)影響曲線結(jié) 論通過以上仿真結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比分析可知：使用ANSYS軟件對(duì)非接觸電磁耦合變壓器關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值符合得較好。利用ANSYS軟件易于實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器模型幾何尺寸和參數(shù)的改變，分析出了非接觸電磁耦合變壓器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其傳輸效率的影響：首先，供電電源頻率越大，傳輸效率越高；其次，氣隙對(duì)傳