非接觸式電磁耦合變壓器關鍵參數的仿真與分析

作為旋轉導向智能鉆井系統核心部件的可控偏心器，在它的主軸和不旋轉套之間進行能量傳輸，一直采用的是接觸式滑環能量傳輸方式。但由于接觸式滑環存在安裝不方便、旋轉時易磨損、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較為理想。而作為非接觸式電磁耦合能量傳輸技術的核心部分——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，所以將會產生感生電動勢。從而實現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，限制了能量傳輸的效率。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鍵參數進行研究，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鍵參數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、變壓器的結構等。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，得到了這些關鍵參數和效率之間的關系。

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%。可見增加到合適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。仿真結果見表1。

從上面結果分析，將線圈間距設為0.2mm時，效率就變為34%。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到相應的次級，即漏感不參與能量傳輸。漏感是變壓器的寄生參數，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

變壓器結構對效率的影響

衡量變壓器好壞的主要參數就是耦合系數，耦合系數反映系統功率傳輸能力，它由變壓器結構本身決定。理想變壓器的耦合系數為1，即為全耦合，而松耦合變壓器的耦合系數和它的自身結構參數有關。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起著主要影響。下面通過ANSYS仿真改變變壓器的一些結構參數觀察耦合系數的變化。

耦合系數隨氣隙的變化規律

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。EI型非接觸變壓器模型如圖5中a所示，耦合系數與氣隙變化關系曲線如圖5中b所示。EE型非接觸變壓器模型如圖6中a所示，耦合系數與氣隙變化關系曲線如圖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，耦合系數在大幅度的下降，當氣隙增加到一定的程度后，耦合系數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最低降低到0.8，在5mm氣隙內耦合系數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

耦合系數和磁芯相對磁導率的變化關系

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的變化如圖7所示。



圖7 耦合系數和磁芯相對磁導率的關系曲線

從圖7可以看出，隨著相對磁導率的提高耦合系數也在不斷的提高，但是耦合系數提高幅度不是很大，沒有隨氣隙的改變對耦合系數的影響強。雖然鐵芯材料對耦合系數影響很小，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之間的關系

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進行對比。圖中繞法1和繞法2的線圈匝數、填充系數，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和氣隙關系如圖9所示。從圖中可以看出兩種繞法前者比后者優越，耦合系數有明顯提高。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。



圖9 不同線圈繞法對耦合系數影響曲線

結 論

通過以上仿真結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鍵參數的仿真結果與實際測量值符合得較好。利用ANSYS軟件易于實現對變壓器模型幾何尺寸和參數的改變，分析出了非接觸電磁耦合變壓器關鍵參數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）。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套旋轉時，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。