旋轉(zhuǎn)式無線勵磁電源隸屬于無線電能傳輸領(lǐng)域，是一種近年來獲得廣泛發(fā)展的能量傳輸技術(shù)。該技術(shù)主要以旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器作為核心部件，通過高頻磁場的耦合實現(xiàn)供電側(cè)與負(fù)載側(cè)無導(dǎo)線、無物理連接的能量傳輸。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對該技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究。

文獻(xiàn)[1]提出了將非接觸能量傳輸技術(shù)引入到傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)中，形成新型的非接觸式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)。在1mm氣隙下，對相鄰式與嵌套式線圈結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的3D瞬態(tài)仿真。但對較大氣隙條件下松耦合變壓器的研究較少。文獻(xiàn)[2]對串聯(lián)-串聯(lián)諧振補償進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，大幅提高了非接觸式同步電機(jī)勵磁電源的傳輸效率，為本設(shè)計的諧振補償方案提供了理論基礎(chǔ)。

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，提高逆變器開關(guān)頻率，增加松耦合變壓器耦合系數(shù)（電磁感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離與可分離變壓器一次側(cè)、二次側(cè)距離直接相關(guān)，增加傳輸距離會增加氣隙，導(dǎo)致一次側(cè)、二次側(cè)漏感增加，通過合理設(shè)計松耦合變壓器，盡量減小氣隙變化對耦合系數(shù)的影響），同時加入諧振補償裝置可提高ICPT系統(tǒng)傳輸效率。

本文通過對變壓器的磁心及繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出采用PCB繞組取代利茲線繞組的設(shè)計結(jié)構(gòu)。利用Ansys/Maxwell仿真分析軟件對比分析該結(jié)構(gòu)與利茲線繞組結(jié)構(gòu)漏磁通及磁通密度的優(yōu)缺點。選用S-S諧振補償電路，制定無線勵磁電源設(shè)計方案。運用Simplorer與Maxwell進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗證該方案的優(yōu)化程度。最后通過實驗，對改進(jìn)后松耦合變壓器在較大氣隙條件下的耦合系數(shù)和傳輸效率進(jìn)行了驗證。

圖1 旋轉(zhuǎn)式無線勵磁電源結(jié)構(gòu)

圖12 Simplorer與Maxwell聯(lián)合仿真模型

圖21 無線勵磁系統(tǒng)實驗平臺

結(jié)論

針對旋轉(zhuǎn)式無線勵磁系統(tǒng)中松耦合變壓器在較大氣隙條件下耦合系數(shù)低而影響傳輸效率的問題，通過對松耦合變壓器模型進(jìn)行漏感分析，提出PCB繞組結(jié)構(gòu)。建立PCB繞組與利茲線繞組松耦合變壓器的Maxwell 3D仿真模型，分析旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器中磁通密度、漏磁及氣隙等參數(shù)對耦合系數(shù)的影響。設(shè)計S-S諧振補償方案，進(jìn)一步減小漏磁通影響。

運用Simplorer與Maxwell進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗證該方案。最后搭建實驗平臺，通過對比兩種松耦合變壓器在較大氣隙條件下的耦合系數(shù)和傳輸效率，得出采用PCB繞組繞制的松耦合變壓器比采用利茲線繞組繞制的松耦合變壓器在傳輸效率上有一定程度的提高。