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，當在原邊加一個高頻交流電時，原邊的磁芯中產(chǎn)生一個交變的磁場，這個磁場通過空氣傳到副邊磁芯中，這時副邊線圈將有交變的磁場穿過，所以將會產(chǎn)生感生電動勢。從而實現(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、次級之間的間隙）的存在，一方面使得初、次級之間沒有導線的連接從而實現(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，必須對影響非接觸式電磁耦合變壓器傳輸效率的各個關(guān)鍵參數(shù)進行研究，以解決傳輸效率問題。用仿真的方法對其進行研究，可節(jié)約大量的人力物力。下面是用ANSYS軟件的Emag模塊對非接觸電磁耦合變壓器的關(guān)鍵參數(shù)的仿真及與實際情況的比較。

仿真與分析

通過對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軟件對非接觸式電磁耦合變壓器進行仿真，并與實際值進行比較，得到了這些關(guān)鍵參數(shù)和效率之間的關(guān)系。

電源頻率對效率的影響

在EI型變壓器氣隙為1.5mm、初級電壓為50V時，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，當頻率為50Hz時，效率不到5%，將頻率升高為650Hz時，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。

氣隙對效率的影響

氣隙與效率的關(guān)系

導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。當頻率固定為50Hz，輸入負載固定為10.8 ，采用EI型硅鋼片。

仿真與實測電壓效率的關(guān)系曲線對比如圖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，在仿真時將磁芯設(shè)為線性導磁材料，相對磁導率定為：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，效率就變?yōu)?4%。可見在工頻50Hz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，負載為11.8，測得變壓器初級次級電流電壓如表2所示。

從表1和表2的分析對比可以看出，仿真和實測的效率誤差在6%～8%之間。其中次級的電流電壓值和實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線圈的勵磁電流。由于篇幅所限制，表中只列出初級電壓在92.2V和115V兩種情況。因為仿真中，磁芯的磁導率假設(shè)為線性的，而實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，所以仿真和實測值存在一定的誤差。

表1 R=11.8/ 仿真值

表2 R=11.8/ 實測值


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，存儲在漏感中的能量不能傳輸?shù)较鄳拇渭?，即漏感不參與能量傳輸。漏感是變壓器的寄生參數(shù)，應當越小越好。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。當漏磁增加后，通過變壓器中柱上的磁通量就會減少，也就是穿過次級線圈的磁通量減少，根據(jù)電磁感應原理，副邊的感應電動勢也將減少。



圖4 漏磁隨氣隙變化圖

變壓器結(jié)構(gòu)對效率的影響

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)。其中初級磁芯之間的氣隙、磁芯的相對磁導率、線圈的繞法等都對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EI型和EE型變壓器進行建模，并采用宏計算初級次級之間的自感和互感，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候，隨著氣隙的增加，耦合系數(shù)在大幅度的下降，當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，變化率變的很小。在圖6中，隨著氣隙的增加，次級線圈和初級線圈的間距也在逐漸加大，所以，當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)和磁芯相對磁導率的變化關(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。因此激磁存儲能量越小越好，即希望用高磁導率材料的磁芯。在氣隙為0.2mm時改變磁芯的相對磁導率觀察耦合系數(shù)的變化如圖7所示。



圖7 耦合系數(shù)和磁芯相對磁導率的關(guān)系曲線

從圖7可以看出，隨著相對磁導率的提高耦合系數(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耦合系數(shù)的影響強。雖然鐵芯材料對耦合系數(shù)影響很小，但是為了減少鐵損，磁芯材料應該選擇較高電阻率的高頻磁導磁材料。

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中對其分析，計算出相應的耦合系數(shù)進行對比。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 不同線圈繞法對耦合系數(shù)影響曲線

結(jié) 論

通過以上仿真結(jié)果與實際值對比分析可知：使用ANSYS軟件對非接觸電磁耦合變壓器關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果與實際測量值符合得較好。利用ANSYS軟件易于實現(xiàn)對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，氣隙對傳輸效率影響最大，也最全面（同時影響變壓器的漏磁和耦合系數(shù)）。氣隙越小傳輸效率越高，但是當氣隙太小時，不能滿足可控偏心器的主軸和不旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)時，需要合適的間隙的要求。在氣隙為0.2mm時，頻率在650Hz時，效率能超過50%。變壓器不同的繞法對耦合系數(shù)的影響很大，進而影響傳輸效率，因此選擇合適的繞法也很重要。