非接觸式電磁耦合變壓器關(guān)鍵參數(shù)的仿真與分析

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，這個(gè)磁場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穿過，所以將會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢。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省Ｒ虼?，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?，磁芯的磁?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)測值存在一定的誤差。

表1 R=11.8/ 仿真值

表2 R=11.8/ 實(shí)測值


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)勢也將減少。



圖4 漏磁隨氣隙變化圖

變壓器結(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)傳輸效率影響最大，也最全面（同時(shí)影響變壓器的漏磁和耦合系數(shù)）。氣隙越小傳輸效率越高，但是當(dāng)氣隙太小時(shí)，不能滿足可控偏心器的主軸和不旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)時(shí)，需要合適的間隙的要求。在氣隙為0.2mm時(shí)，頻率在650Hz時(shí)，效率能超過50%。變壓器不同的繞法對(duì)耦合系數(shù)的影響很大，進(jìn)而影響傳輸效率，因此選擇合適的繞法也很重要。