非接触感应电能传输系统中可分离变压器磁场的仿真分析

1非接触感应电能传输系统中可分离变压器磁场的仿真分析崔明浩，沈祥，卓放，王兆安西安交通大学电气工程学院，西安710049摘要：非接触感应电能传输技术是一种新型电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有效、安全的传输。可分离变压器是非接触电能传输系统的重要组成之一,本文利用ANSYS软件，建立了可分离变压器的模型进行仿真,分析了电流、线圈绕制方法、变压器间距、磁导率等各种可能会影响传输效率的因素，并为实际系统选择模型提供了参考依据。从仿真的角度给出了在何种条件下可以得到最高的传输效率，从而排除了这个环节对整个系统效率的影响，更大限度的提高非接触电能传输的效率。关键词：非接触感应电能传输，可分离变压器，有限元分析，ANASYSAbstract:Contactlessinductivepowertransfertechniqueisanovelpowertransfermethod,whichutilizestheelectromagneticcouplingtheorytoachievecontactlesspowertransfereffectivelyandsafely.Detachabletransformerisanimportantcomponentofcontactlesspowertransmissionsystem.ThispapersetsupthemodelofdissociabletransformerbyANSYSanddiscussesvariousfactorsthatmayhaveinfluenceontransmissionefficiencybyANSYSandoffersseveralguidelinestorealizesystems.Wediscussconditionsonwhichthehighestefficiencycanbeacquiredthroughemulationtoeliminatebadinfluencetothewholesystembythislink.Keywords:Contactlesspowertransmissionsystem,Detachabletransformer,ANSYS,FEM1.引言有限元法（FEM）最早产生于力学计算中，1971年Winslow等人把它用于电磁场计算，成为电磁场分析的一个转折点，至今在电磁场界得到了广泛的应用。随着计算机的迅速发展和数值计算方法的广泛应用，有限元法在电磁场界、固体力学界、流体力学界和热传导等方面得到大量应用。有限元的主要方法是把求解区域划分成若干小区域，这些小区域称为“单元”和“有限元”，从而采用线性（当然也可以采用非线性）方法求解每个小区域，然后把各个小区域的结果总和便得到了整个区域的解。整体区域划分成小区域后，在小区域上的求解变得非常简单，仅是一些代数运算，如在小区域内应用线性插值就得到小区域内未知点的值，而区域积分变成了小区域的求和。本文采用ANSYS软件为工具分析可分离变压器的磁场分布[1,6,7]。ANSYS是由美国ANSYS公司开发研制的，使用的方法是传统的有限元法。ANSYS磁场分析的有限元公式由磁的Maxwell方程组导出，通过将标量磁位m、矢量磁位A或边界通量引入Maxwell方程组中并考虑其电磁性质关系，用户可以开发出适合于有限元分析的方程组。ANSYS将模型信息、边界信息以及后处理信息)集成在一个数据库中，这些功能增强了程序的电磁分析能力和灵活性。22.可分离变压器二维电磁场仿真在分析之前，有必要先介绍可分离变压器，它是非接触电能传输系统的主要组成部分。非接触电能传输系统利用疏松感应耦合系统和电力电子技术相结合的方法，实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。下面分析可分离变压器的材料。系统中采用的是PM型可分离变压器，它的材料是软磁铁氧体。应当指出的是材料的特性是环形等截面试样特性，各种磁芯型号尽管磁芯材质与试样相同，但材料特性因结构形状的不同而不相同[2,3,4,5]。在利用这些3。即令r2000＝为了建立可分离变压器内部磁场的微分方程，确定求解区域和有限元法求解的边界条件，提出以下的规定与假设：（1）采用二维场模拟实际磁场；选取直角坐标系和国际单位制。（2）由于线圈电流较小，假设磁芯没有达到饱和。（3）对实际的PM型磁芯形状作近似处理，即先不考率其中心以及边缘的孔或缺口。（4）忽略端部效应，磁场沿轴向均匀分布，即电流密度矢量J和磁位矢量A只有轴向分量，J=zJ，A=zA。（5）可分离变压器外围漏磁很小，仅在其周围建立了面积相对小的介质单元。可分离变压器的二维物理模型的建立如图1。图1可分离变压器的二维物理模型由于可分离变压器原副边对称，在利用ANSYS软件创建物理模型时，磁场在空间上对称分布，所以仅取了中心截面的二分之一建模，以减少其工作量和解题规模。副边暂没有加线圈，只加了原边线圈。分析中用到三种材料，可分离变压器磁芯（软磁铁氧体），载流绞线圈以及磁芯周围的介质（空气或者其它），它们的材料属性如表2所示。表1材料物理属性材料属性可分离变压器磁芯材料特性：μr=2000(MURX)载流绞线圈材料特性：μr=1(MURX)，电阻率ρ＝3.0E-8特殊特性：没有涡流，直接加源电流密度JS注：假定线圈中的电流为一恒定的交流电流，其值不受外界影响。电流密度可根据线圈匝数，每匝中的电流值和线圈横截面积来确定。(线圈匝数n=7)空气材料特性：μr=1(MURX)可分离变压器分析中用到的边界条件如表3所示。可分离变压器原边激励来自于4前端串联谐振式逆变器，为正弦电流，i=6sin(2πft)，频率范围是40KHz－60KHz，在分析时，为线圈施加两端的频率进行比较；由于可分离变压器是疏松耦合系统，当原、副边的气隙过大时，漏磁会很大，传输效率急剧下降[10,11,12]。表2建模情况分析①②③④⑤⑥⑦原边电流频率/kHz406040原副边距离/cm10.51周围介质的相对磁导率μr10.51.51线圈绕制方式全部制绕在中心磁芯上绕制在边缘同①原边电流峰值/A620所以建模时，保证原、副边距离在0－2cm的范围内；为了说明分析的有效性，在改变周围介质时，只是以空气（r＝1）作为基准，取大于1以及小于1的相对磁导率，而并未指明是何种介质。采用表2几种情况进行建模[7,8,9]。按照前面的步骤，分析完以上不同情况后，所得到的结果仅是节点的矢量磁势。要得到诸如磁通量密度、磁场分布、能量大小等，以求得的磁势为基础，容易导出这些物理量。这个过程就是有限元的后处理。利用后处理中不同情况的磁通量线或磁感应强度分布图，定性的对比各种影响因素（分析中，保证图形是处于相同的放大倍数）。例如：磁场能量211122WBHdBd22111()()2neAAdxy（一）对比情况①、②的区别(a)情况①的磁感应密度分布图(b)情况②的磁感应密度分布图图2情况①与②的磁感应密度分布图如上图(a)(b)所示，分别为可分离变压器原副边以及周围空气中的磁感应密度分布图，可以看到，除了磁芯中间的气隙中的磁感应密度大外，周围空间的漏磁都很小。通过定性对比可以发现，当频率f＝60KHz时，其磁感应密度较密且相应值较大。（二）对比情况①、③的区别5(a)情况①的磁力线分布图(b)情况③的磁力线分布图图3情况①与③的磁力线分布图如图3(a)(b)分布为情况①、③的磁力线分布图，对比之后可以看到，情况③的各值相应情况①要小很多。即情况①中的磁场强一些。（三）对比对比情况①、④的区别图4情况④的磁感应密度分布图对比图2(a)和图4，可以看出当磁芯周围介质的相对磁导率变大时，磁感应强度的分布明显变密。（四）对比情况①、⑤的区别图5情况④的磁力线分布图对比图5与图3(a)可以看到，情况④副边的磁力线较①中明显变密，且对应值变大。（五）对比情况①、⑥的区别(a)情况①的磁力线分布图情况(b)情况⑥的磁力线分布图6图6情况①与⑥的磁力线分布图图6(a)和(b)是在相同的放大倍数下得出的。对比两图可以发现，情况⑥副边的的磁力线明显比①的要密。（六）对比情况①、⑦的区别图7情况⑧的磁感应密度分布图对比情况①、⑦的磁感应密度分布图，可以看到，⑦中的各值明显比①的大。利用ANSYS软件的后处理，可以得到副边磁芯的体积和储能。如前面介绍，虽然属于二维仿真，但由于是轴对称分析，故可以计算出整个副边的体积。表3不同情况的副边体积和储能不同情况副边体积/m3副边储能/J①0.512607E-40.777017E-7②0.512607E-40.777017E-7③0.512607E-40.209873E-7④0.512607E-40.166799E-6⑤0.512607E-40.332208E-6⑥0.512607E-40.834116E-7⑦0.512607E-40.863380E-6由表3可以看出，在不同情况下副边具有相同的体积，这是因为每次建模时，保证各模块基本尺寸不变。从不同情况的副边储能也可以证明上面的分析。通过以上的定性和简单的定量对比，可以得出如下结论：一次侧电流的频率越高，电流峰值越大，原副边之间的距离越小，与空气相比，磁芯周围的介质的相对磁导率越大以及原边线圈缠绕在边缘时，传输到副边的能量越多，即传输效率越高。3.基于二维模型的优化分析ANSYS的优化设计可以在分析的基础上，提出一个好的设计方案，并逐步验证完善。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如尺寸、形状、材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。本文旨在二维分析的基础上，对磁芯尺寸进行优化。并从优化结果得出一些设计的趋势与选择磁芯所应遵循的基本规律，为三维分析奠定基础。本文选取与前面二维模型相近的结构进行优化。利用ANSYS优化分析不是为了设7计优化模型，而是要在一定的约束条件下得到模型变化的趋势，为系统选择传输效率更好的结构。在ANSYS优化设计中，只允许有一个目标，且目标函数只能最小化。所以优化分析以原副边磁芯体积最小作为目标函数。在副边边缘节点的最大磁感应密度增大的约束条件下，优化磁芯尺寸达到体积最小的目的。系统的结构优化模型为：目标函数f（x）→minf（x）表示磁芯体积；状态变量取y=0.0345即副边磁芯边缘处节点的最大磁感应密度BMAX为约束条件（从模型中得到值后，再确定BMAX的范围），设计变量0.02≤RG1≤0.03；0.008≤RMAG≤0.02；0.002≤RG2≤0.003。优化过程中采用一阶方法，它是使用偏导数，即使用因变量的一阶偏导数。此方法精度很高，尤其是在因变量变化很大，设计空间也相对较大时。但是，消耗的机时较多。各变量的优化曲线及优化结果如图8所示。从优化结果的差值和优化曲线可以看到中间磁芯的收缩相对慢一些，这也证明了中间的磁芯截面积越大，副边的磁感应强度越高，即传输能量越多。所以，在选择磁芯时，应选取中心截面积大的结构。(a)设计变量的优化曲线(b)状态变量的优化曲线(c)目标函数的优化曲线图8各变量的优化曲线(a)优化前的磁芯网格剖分图(b)优化分析后的网络剖分图图9优化前后的网络剖分图将影响磁路长度的参量作为设计变量，通过优化分析得出磁芯磁路长度的变化对系统效率的影响。由于目标函数只能最小化，所以以原副边的储能最小作为目标函数。最后可以从优化结果得相反方向得出符合要求得结论。系统的结构优化模型为：目标函数f（x）→minf（x）表示磁芯原副边的储能总和；设计变量0.004≤H1≤0.01H1=0.0078；0.02≤H2≤0.03H2=0.0245；分析没有选取状态变量，只是通过优化得出尺寸与储能之间的单调关系。8图10优化前的图形与设计变量