繞組混合繞制的非接觸變壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的繞組混合繞制的非接觸變壓器，包括原邊磁芯、原邊繞組、副邊磁芯、副邊繞組、變壓器屏蔽部分，所述原邊繞組或/和副邊繞組由圍繞磁芯邊柱水平繞制的線圈和圍繞磁芯頂柱垂直繞制的線圈按照正向耦合順向串聯(lián)而成。通過引入垂直繞制線圈，可減小非接觸變壓器的尺寸和占用的面積。通過在變壓器磁芯外側(cè)放置屏蔽部分，增大垂直繞制線圈對應(yīng)的漏磁路徑上的磁阻，來提高變壓器的耦合系數(shù)。通過采用由多塊磁芯采用陣列式方法拼裝組合而成的變壓器磁芯，可在保持高耦合系數(shù)的同時顯著降低變壓器的重量。非常有利于非接觸供電系統(tǒng)的小型化、輕量化及高效率，適用于大多數(shù)非接觸式電能傳輸場合。
【專利說明】繞組混合繞制的非接觸變壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的高耦合系數(shù)、小尺寸的繞組混合繞制的非接觸變壓器，屬于變壓器或電能變換領(lǐng)域。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]非接觸供電是基于磁場耦合實現(xiàn)“無線供電”的新型電能傳輸模式，利用原副邊完全分離的非接觸變壓器，通過高頻磁場的耦合傳輸電能，使得能量傳遞過程中供電側(cè)和用電側(cè)無物理連接。與傳統(tǒng)的接觸式供電相比，非接觸供電使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，可適應(yīng)多種惡劣天氣和環(huán)境，便于實現(xiàn)自動供電。非接觸供電技術(shù)因其特有的惡劣環(huán)境適應(yīng)性、高安全性、少維護(hù)和方便性，在手機(jī)、機(jī)器人、人體植入設(shè)備、電動汽車等移動設(shè)備的供電場合，在油田、礦井、水下供電等環(huán)境惡劣或者易燃易爆場合均已得到了應(yīng)用。
[0004]目前的非接觸供電系統(tǒng)產(chǎn)品普遍存在低效率的缺點，以日本精工一愛普生公司、東光公司生產(chǎn)的非接觸手機(jī)充電器產(chǎn)品為例，其變換效率低于40%。G.B.Joung and B.H.Cho, “An energy transmission system for an arti cial heart using leakageinductance compensation of transcutaneous transformer，，， IEEE Transactions onPower Electronics, vol.13, n0.6, pp.1013-1022, November 1998 所研究的 60W 人工心臟用非接觸電源，在氣隙為IOmm時變換器最高效率為78%。針對非接觸供電系統(tǒng)低效率的原因，Chun-Hung Hu Ching-Mu Chen Ying-Shing Shiao Tung-Jung Chan Tsair-RongChen, “Development of a Universal Contactless Charger for Handheld Devices，，，2008 IEEE, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 99-104等文章均明確指出，要提高系統(tǒng)效率，不僅要采用合理的諧振變換器對變壓器的大漏感、小激磁電感進(jìn)行補(bǔ)償，還必須盡量提高變壓器的稱合系數(shù)。Qianhong Chen, Siu Chung Wong, ChiK.Tse, Xinbo Ruan, “Analysis, Design and Control of a Transcutaneous PowerRegulator for Artificial Hearts，，，IEEE Transactions on Biomedical Circuits andSystems, 2009, 3 (I): 23-31的損耗測試和分析結(jié)果表明:滿載情況下,變壓器的損耗占到變換器損耗的70%以上。由此可見，提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)是提高非接觸變換器效率的關(guān)鍵。
[0005]為了獲得高耦合系數(shù)同時減小變壓器體積重量，專利“邊沿擴(kuò)展型高耦合系數(shù)非接觸變壓器，CN200910032016.X”發(fā)明了一種邊沿擴(kuò)展型高耦合系數(shù)非接觸變壓器，通過提高磁芯正對面積來提高全耦合磁通所占比例從而提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)。但是這種非接觸變壓器的繞組全部采用平面繞制方式，變壓器的體積尤其是變壓器所占用的面積較大。Nagatsuka Y, Ehara N, Kaneko Y, Abe S， Yasuda T, “Compact contactless powertransfer system for electric vehicles”, IEEE IPEC, 2010: 807-813 提出的非接觸變壓器磁芯采用平面I型磁芯，繞組變?yōu)閲@磁柱垂直繞制的繞組，來減小變壓器所占用的面積，在當(dāng)長度與氣隙比為6.6(長度330mm，氣隙50mm)時耦合系數(shù)為0.48。如何提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)，同時盡量減小其尺寸重量成為非接觸變壓器設(shè)計的難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有非接觸變壓器存在變壓器占用面積大、耦合系數(shù)低、磁芯重量重的缺陷，提供有利于非接觸供電系統(tǒng)的小型化、輕量化使用的繞組混合繞制的非接觸變壓器。
[0007]本發(fā)明的繞組混合繞制的非接觸變壓器，包括原邊磁芯、原邊繞組、副邊磁芯、副邊繞組、變壓器屏蔽部分，其特征在于所述原邊繞組或/和副邊繞組由圍繞磁芯邊柱水平繞制的線圈和圍繞磁芯頂柱垂直繞制的線圈按照正向耦合順向串聯(lián)而成；變壓器屏蔽部分布置在變壓器的磁芯外側(cè)。
[0008]所述原邊繞組或/和副邊繞組包括多個繞組，其中至少一個繞組由圍繞磁芯邊柱水平繞制的線圈和圍繞磁芯頂柱垂直繞制的線圈按照正向耦合順向串聯(lián)而成。
[0009]所述原邊磁芯或/和副邊磁芯結(jié)構(gòu)采用U型、E型、I型以及邊沿擴(kuò)展型；其中邊沿擴(kuò)展型是指磁芯的兩邊柱底部沿側(cè)邊向外擴(kuò)展，詳細(xì)定義可參見專利“邊沿擴(kuò)展型高耦合系數(shù)非接觸變壓器，CN200910032016.X”。
[0010]所述原邊磁芯或/和副邊磁芯可由整塊磁芯實現(xiàn)也可由多塊磁芯采用陣列式方法拼裝組合而成。
[0011]所述變壓器屏蔽部分的幾何形狀為平面形狀或沿磁芯貼合的立體形狀。
[0012]所述變壓器屏蔽部分采用粉芯、磁薄膜、鐵氧體、非晶、微晶、超微晶、坡莫合金之一或幾種組合的磁屏蔽材料，或者采用銅、銀、鋁、鉛之一或幾種組合的電磁屏蔽材料。并由屏蔽材料組成屏蔽板、屏蔽箔、屏蔽膜、屏蔽網(wǎng)、屏蔽布之一或幾種組合。
[0013]所述變壓器磁芯采用鐵磁材料或非鐵磁材料。
[0014]所述原邊繞組和副邊繞組的導(dǎo)線選用實心導(dǎo)線、Litz線、銅皮、銅管或者PCB繞組。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有非接觸變壓器相比的主要技術(shù)特點是，通過本發(fā)明的繞組布置方式，將部分平面繞制的繞組改為垂直繞制，進(jìn)一步減小非接觸變壓器的尺寸和占用的面積；通過在變壓器磁芯外側(cè)放置屏蔽部分，增大垂直繞制線圈對應(yīng)的漏磁路徑上的磁阻，來提高變壓器的耦合系數(shù)；通過采用由多塊磁芯采用陣列式方法拼裝組合而成的變壓器磁芯，可在保持高耦合系數(shù)的同時顯著降低變壓器的重量。適用于大多數(shù)非接觸式電能傳輸場
口 ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明中的采用邊沿擴(kuò)展型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)；
圖2是本發(fā)明中的采用U型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明中的變壓器磁芯一側(cè)為邊沿擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)另一側(cè)為I型結(jié)構(gòu)的、變壓器屏蔽部分一側(cè)為平面形狀另一側(cè)為沿磁芯貼合的立體形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖4是本發(fā)明中的采用E型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)；
圖5是本發(fā)明中的采用E型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的、包含兩套獨立繞組的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖);
圖6是本發(fā)明中的原邊或副邊磁芯由多塊磁芯采用陣列式方法拼裝組合而成的，磁芯結(jié)構(gòu)為邊沿擴(kuò)展型的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的磁芯結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)。
[0017]圖7是本發(fā)明中的適用于IOmm氣隙、60W功率的采用邊沿擴(kuò)展型磁芯結(jié)構(gòu)的混合繞制的非接觸變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)尺寸圖；
圖8是本發(fā)明所述采用邊沿擴(kuò)展型磁芯結(jié)構(gòu)的繞組混合繞制的非接觸變壓器(下圖)與采用邊沿擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)的繞組平面繞制的非接觸變壓器(上圖)的磁場仿真對比圖。
[0018]圖9是無變壓器屏蔽部分(上圖)和有變壓器屏蔽部分(下圖)的非接觸變壓器的磁場仿真對比圖。
[0019]圖10和圖11是本發(fā)明的非接觸變壓器用于非接觸電能傳輸?shù)膶嵤├械?個主電路拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖1-11中的主要符號名稱:I一變壓器屏蔽部分；2—繞組一 ；3—繞組二 ； i一繞組電流一；廣一繞組電流二 ；r2—磁芯長度；/一磁芯寬度；?/一磁芯高度4一變壓器窗口寬度‘一變壓器屏蔽部分的長度；Kin—直流電源電壓成~0—功率管'D1~一二極管；?—原邊諧振電容Ks—副邊諧振電容;cdl、Q2—輸入分壓電容必廣久4一整流二極管.Α—輸出濾波電容w—負(fù)載;#ρ—原邊繞組;#s—副邊繞組。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]附圖非限制性公開了本發(fā)明的幾個具體實施實例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如下。
[0023]參見附圖1，是采用邊沿擴(kuò)展型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)。下圖中繞組被一拆為三，兩端繞組圍繞磁芯邊柱呈平面繞制，中段繞組圍繞磁芯頂柱呈垂直繞制，且三部分繞組按照磁通正向耦合順向串聯(lián)成一個原邊繞組或一個副邊繞組，即拆分成的三段繞組中，相鄰兩個繞組其中一個繞組的異名端與另一繞組的同名端相連，保證在磁芯中產(chǎn)生的磁通相互增強(qiáng)。為拆分的三部分繞組的同名端。
[0024]參見附圖2，是采用U型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。其繞組連接方式同附圖1。
[0025]參見附圖3，是變壓器磁芯一側(cè)為邊沿擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)另一側(cè)為I型結(jié)構(gòu)的、變壓器屏蔽部分一側(cè)為平面形狀另一側(cè)為沿磁芯貼合的立體形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。其繞組連接方式同附圖1。
[0026]參見附圖4，是采用E型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)。下圖中繞組被一拆為四，兩端繞組部分圍繞磁芯邊柱呈平面繞制，中間兩段繞組圍繞磁芯頂柱呈垂直繞制，且四部分繞組按照磁通正向耦合順向串聯(lián)成一個原邊繞組或一個副邊繞組。
[0027]參見附圖5，是采用E型磁芯結(jié)構(gòu)、變壓器屏蔽部分為平面形狀的、包含兩套獨立繞組的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)。圖中兩套繞組間無電氣連接，磁通耦合可為正向耦合或者反向耦合。每套繞組被一拆為二，一段繞組圍繞磁芯邊柱呈平面繞制，另一段繞組圍繞磁芯頂柱呈垂直繞制，兩段繞組按照磁通正向耦合順向串聯(lián)成一套繞組。
[0028]參見附圖6，是原邊或副邊磁芯由多塊磁芯采用陣列式方法拼裝組合而成的，磁芯結(jié)構(gòu)為邊沿擴(kuò)展型的繞組混合繞制的非接觸變壓器的原邊或副邊的磁芯結(jié)構(gòu)示意圖(上圖)和繞組連接示意圖(下圖)。將整塊磁芯改為多塊磁芯組合實現(xiàn)，可以顯著降低磁芯的重量，并具有實施靈活、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點。
[0029]仿真對比
下面以附圖1中所示的混合繞制的非接觸變壓器結(jié)構(gòu)為例，利用商用有限元仿真軟件Ansoft 2D,闡述其減小尺寸提高稱合系數(shù)的原理。
[0030]仿真所采用的混合繞制的非接觸變壓器的參數(shù)如附圖7所示。下面所得到的兩組仿真對比數(shù)據(jù)都是在同樣的氣隙(IOmm原副邊匝數(shù)(12:12)、磁芯結(jié)構(gòu)和激勵電流(5A/300kHz)的情況下得出的。如附圖8、附圖9所示，其中混合繞制的非接觸變壓器原副邊繞組均為6匝采用平面繞制、6匝采用垂直繞制。
[0031]附圖8是采用邊沿擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)的繞組混合繞制的非接觸變壓器(下圖)與采用邊沿擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)的繞組平面繞制的非接觸變壓器(上圖)的磁場仿真結(jié)果對比。在同樣的氣隙、繞組線徑、匝數(shù)、磁芯結(jié)構(gòu)和激勵電流的條件下，繞組混合繞制的非接觸變壓器磁場分布與平面繞制的非接觸變壓器 相同，但由于將繞組混合繞制，變壓器原、副邊的尺寸可進(jìn)一步減小。附圖8中變壓器的最大橫向尺寸從平面繞制的80_減小到了混合繞制的70_。
[0032]附圖9是無變壓器屏蔽部分的繞組混合繞制的變壓器(上圖)和有變壓器屏蔽部分的繞組混合繞制的非接觸變壓器(下圖)的磁場仿真結(jié)果對比。仿真結(jié)果表明，垂直繞組的加入雖然可以減小變壓器的尺寸，但是增加了一個新的漏磁路徑。為了抑制這一部分的漏磁，需要加入變壓器屏蔽部分以減少垂直繞制線圈對應(yīng)的漏磁路徑上的漏磁通，提高耦合系數(shù)。
[0033]實驗測試
下面以附圖1所示的混合繞制的非接觸變壓器結(jié)構(gòu)為例，通過實驗驗證其減小尺寸提高耦合系數(shù)的優(yōu)點。
[0034]實驗中所采用的邊沿擴(kuò)展型混合繞制的非接觸變壓器的具體參數(shù)如圖7所示，氣
隙為10mm、原副邊匝比為12:12，其中原副邊繞組均為6匝采用平面繞制、6匝采用垂直繞
制。采用本發(fā)明設(shè)計的非接觸變壓器，經(jīng)Hp HEWLETT PACKARD精密LCR測試儀測試，能夠
在IOmm氣隙的條件下,保持稱合系數(shù)為0.583而最大方向上的尺寸僅為73mm。就稱合系數(shù)
和尺寸來說，均比國內(nèi)外文獻(xiàn)中此類非接觸變壓器優(yōu)秀。具體實施效果對比如下表所示。￥1"觸變壓器實例I長度Qnm)/氣隙比(Mn) |耦合冢^
垂直繞制_330/50=6.6_0.48
平面繞制丨90/10=9|θ.6
【權(quán)利要求】
1.一種繞組混合繞制的非接觸變壓器，包括原邊磁芯、原邊繞組、副邊磁芯、副邊繞組、變壓器屏蔽部分，其特征在于所述原邊繞組或/和副邊繞組由圍繞磁芯邊柱水平繞制的線圈和圍繞磁芯頂柱垂直繞制的線圈按照正向耦合順向串聯(lián)而成；變壓器屏蔽部分布置在變壓器的磁芯外側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述原邊繞組或/和副邊繞組包括多個繞組，其中至少一個繞組由圍繞磁芯邊柱水平繞制的線圈和圍繞磁芯頂柱垂直繞制的線圈按照正向耦合順向串聯(lián)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述原邊磁芯或/和副邊磁芯結(jié)構(gòu)采用U型、E型、I型以及邊沿擴(kuò)展型；所述邊沿擴(kuò)展型是指磁芯的兩邊柱底部沿側(cè)邊向外擴(kuò)展。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述原邊磁芯或/和副邊磁芯可由整塊磁芯實現(xiàn)由多塊磁芯采用陣列式方法拼裝組合而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述變壓器屏蔽部分的幾何形狀為平面形狀或沿磁芯貼合的立體形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述變壓器屏蔽部分采用粉芯、磁薄膜、鐵氧體、非晶、微晶、超微晶、坡莫合金之一或幾種組合的磁屏蔽材料，或者采用銅、銀、鋁、鉛之一或幾種組合的電磁屏蔽材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述變壓器屏蔽部分由屏蔽材料組成屏蔽板、屏蔽箔、屏蔽膜、屏蔽網(wǎng)、屏蔽布之一或幾種組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述變壓器磁芯采用鐵磁材料或非鐵磁材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組混合繞制的非接觸變壓器，其特征在于所述原邊繞組和副邊繞組的導(dǎo)線選用實心導(dǎo)線、Litz線、銅皮、銅管或者PCB繞組。
【文檔編號】H01F27/30GK103474213SQ201310417969
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】陳乾宏, 侯佳, 孫枕戈, 阮新波, 田鋒, 周建平, 羅勇, 趙勇, 劉俊強(qiáng) 申請人:南京航空航天大學(xué), 中興通訊股份有限公司