基于海水環境下ICPT系統電磁耦合器的研究

賀縣林，戚連鎖，羅寧昭

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

0 引言

在海洋資源探測、開發中，水下機電設備依靠蓄電池供電，電能耗盡時續進行充電。傳統的充電方式有兩種：一種是返回岸基或者甲板進行充電；另一種由電纜系統進行水下濕插拔式的充電。這兩種充電方式的自動化程度都較低，且濕插拔所需的力較大，導致磨損嚴重，存在漏電的隱患，效率也不高。

在海底對水下設備進行充電時，水下設備對充電電壓和充電效率的穩定性要求較高。由于洋流的擾動，電磁耦合器可能出現偏移，耦合器的自感、互感和耦合系數都會因此下降，系統參數和耦合狀態都會改變，充電電壓和充電效率存在較大的波動，因而設計合適磁芯和選取適當的耦合間隙尤為重要。

本文結合相關文獻對各種型號的磁芯進行分析比較，選取了 PM87型磁芯，利用 Ansys Maxwell軟件仿真分析了不同間隙下海流擾動對耦合器的耦合系數和自感的影響。建立系統互感等效電路，分析系統諧振情況下系統功率和傳輸效率的影響因素，并仿真計算系統功率和效率隨頻率、輸入電壓、負載、線圈匝數變化，研究海水環境下提高ICPT系統傳輸功率和效率的途徑。

1 ICPT系統的工作原理

海水環境下 ICPT系統利用電磁感應原理，以“電—磁—電”的方式實現初次級之間的電能傳輸。如圖1所示。

圖1 非接觸式電能傳輸原理

1.1 互感模型

電磁耦合裝置與傳統變壓器不同的是：初、次級線圈分別繞在獨立的磁性結構上。由于磁性結構之間存在間隙，漏感顯著增加，傳統的變壓器等效電路模型不再適用，為此引入互感模型，如圖2所示，設電源電壓Us，變壓器兩側電流分別為I1、I2，原邊線圈電阻R1，自感L1，副邊線圈電阻R2，自感L2，互感M，負載電阻RL。根據 KCL，得：

圖2 ICPT 系統的互感電路模型

原邊側：

副邊側：

設Z1＝R1+jwL1，Z2＝R2+jwL2，求解方程可得：

等效電路為：

圖3 ICPT系統初次級解耦等效電路模型

由于耦合器初級繞組和次級繞組間存在較大間隙，漏磁通大，耦合系數低，系統的傳輸性能差。為了提高系統功率和傳輸效率，需對耦合器兩邊線圈進行補償。綜合考慮后采用 SP型補償對兩側自感進行電容補償，即初級串聯電容，次級并聯電容，使變壓器兩側處于諧振狀態，因系統諧振角頻率較高，次級線圈內阻可以忽略。等效電路如圖4所示。

圖4 ICPT系統兩側處于諧振狀態的等效電路模型

1.2 參數分析

如圖3所示:

為副邊側在原邊的反射阻抗，消耗的功率即傳遞到副邊側的功率，代表了耦合器的功率傳輸能力，故提高反射阻抗的吸收功率是提高 ICPT系統傳輸能力方法。

其中，Rr和Xr分別為反射電阻和反射電抗，有：

由式（6）（7）可知，對于固定結構的電磁耦合器，耦合系數M和線圈電阻R2和電感L2確定，當負載電阻一定時，提高工作頻率可以增大反射電阻和反射電抗，但頻率增大到一定程度后，反射電阻值趨于一個最大值，此時再增大頻率，反射電阻趨于不變。因此在實際設計系統時，不宜過分追求高工作頻率，以免系統損耗增加。

ICPT 系統的傳輸效率為：

由式（8）（9）可知，系統的輸出功率隨電壓增大而增大，隨負載的增大而減小。在不考慮磁芯損耗和負載線圈損耗的情況下，系統的傳輸效率與輸入電壓和系統頻率無關，故諧振頻率的選取原則為能夠實現系統最大功率出下的最小頻率，即讓系統工作在最大功率傳輸模式。因存在磁芯損耗和海水的渦流損耗、線路及元器件的損耗，實際的系統傳輸效率要比式（9）計算的低。

1.3 補償電容的計算

系統諧振角頻率w選取較高，此時副邊拾取線圈內阻R2可以忽略。為了實現系統的最大功率傳輸，副邊諧振電容C2的選取需滿足：2＝1；故

并聯電容C2后，副邊的等效負載Z副為：

ICPT系統總的等效阻抗為：

為了減少系統的無功功率，實現系統總體電路呈阻性，原邊諧振補償電容的選取需滿足式（12）虛部為 0，求得原邊補償電容的取值為

2 仿真結果及分析

建立可分離變壓器模型,用以分析可分離變壓器的傳輸性能,同時驗證耦合器設計的正確性。電壓設置為有效電壓120 V的正弦電壓源，工作頻率為100 kHz，原邊、副邊線圈各30匝，負載為50 Ω電阻，耦合器采用的是PM87罐形磁芯，其模型尺寸，如圖5和表1所示。

圖5 PM87磁芯模型

表1 PM87磁芯尺寸(mm）

2.1 磁芯偏移對耦合系數和電感的影響

在深海進行輸電時，磁芯受到海流沖擊后產生軸向偏移，耦合器線圈自感、互感隨偏移增大而減小，以致影響系統的諧振，從而影響系統功率和傳輸效率。因此，需對海流擾動下耦合系數和電感的變化趨勢進行研究。

圖6和圖7分別為不同間隙條件下，磁芯偏移對耦合系數和電感參數的變化曲線。由圖6可知，在不同間隙情況下，耦合系數隨磁芯偏移的降低趨勢比較一致，耦合間距從1～6 mm，側移對耦合系數的影響都在15%左右。由圖7可知，磁芯間隙越小，偏移對電感的影響越大，當間隙為 1 mm時，電感量下降了 32%；間隙為2mm時電感量下降了28%，而間隙為4 mm時，電感量下降為5%；耦合間隙大于4 mm時，線圈電感量基本維持不變。從以上仿真分析可知，ICPT系統在深海環境中的應用與陸地上存在差別，在系統設計中需考慮磁芯偏移對電磁耦合器參數的影響，在耦合系數下降不大時，適當增加磁芯間隙，有利于減小海流擾動對電磁耦合器參數的影響，提高系統的穩定性，降低環境因素的影響。

圖6 不同磁芯間隙條件下磁芯偏移對耦合系數的影響

圖7 不同磁芯間隙條件下磁芯偏移對電感的影響

2.2 輸入電壓對系統傳輸功率及效率的影響

如圖8和9所示，隨著輸入電壓的增大，耦合到副邊的電壓也相應增大，系統的輸出功率不斷增大；系統的傳輸效率則基本不受輸入電壓的影響，基本維持在75%上下，與式（9）相符。

2.3 負載對系統傳輸功率及效率的影響

如圖10和圖11所示，系統的輸出功率隨負載電阻的增大而減小。傳輸效率在負載電阻為150 Ω時達到最大，隨后系統效率下降，當負載電阻增大到250 Ω以后，傳輸效率趨于穩定。

圖8 輸出功率隨輸入電壓的變化

2.4 頻率對系統功率及效率的影響

如圖12和圖13所示，系統的輸出功率隨系統頻率的增大而減小，在40～80 KHz之間趨于平穩，隨著系統頻率的提高，線圈阻抗增大，勵磁電流減小，輸出功率減小。傳輸效率隨頻率的增大急劇上升，并在75 KHz時，系統傳輸效率到達最大值81.72%，輸出功率220 W左右。當頻率繼續增大時,原、副邊線圈繞組的交流電阻也急劇增大，線圈損耗增加，同時電磁耦合器的磁芯損耗也隨著頻率的增大而增加，系統總損耗增大，故系統的傳輸效率開始呈下降趨勢。

圖9 系統效率隨輸出電壓的變化

圖10 輸出功率隨負載電阻的變化

圖11 系統效率隨負載電阻的變化

2.5 線圈匝數對系統功率及效率的影響

如圖14和15所示，當輸入電壓一定時，系統的輸出功率隨線圈匝數的增加而減小；系統的傳輸效率則是先增加后減小，在線圈30匝時達到最大。當線圈為10匝時，電感的阻抗較小，原邊側線圈的勵磁電流過大，系統輸出電壓波動很大，十分不穩定。隨著匝數的增加，原邊側阻抗增大，勵磁電流逐漸減小且趨于平穩，線圈的損耗也逐漸減小，系統效率上升。當匝數30時，系統傳輸效率達到最大值。繼續增加線圈匝數時，線圈阻抗較大，但原邊電流減小不明顯，而線圈電阻卻不斷增加，導致線圈損耗的功率過大，故系統效率下降。

圖12 輸出功率隨頻率的變化

圖13 系統效率隨頻率的變化

圖14 輸出功率隨線圈匝數的變化

3 小結

1）電磁耦合器的耦合間隙越小，偏心對電磁耦合器的自感影響越大；而偏心對耦合系數的影響與耦合間距基本無關。因此，設計系統時，在不會過大降低耦合系數的情況下，適當增加磁芯間隙，有利于提高耦合器參數在深海環境中的穩定性。

2）采用SP型補償的ICPT系統，系統的輸出功率隨輸入電壓、負載電阻線性變化，傳輸效率基本不受輸入電壓、負載電阻影響；適當調整系統的工作頻率和原副邊線圈匝數可以有效提高系統的輸出功率和傳輸效率。

圖15 系統效率隨頻率的變化

[1]A M Bradley，et al．Power systems for autonomous underwater vehicles［J］．IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001,26(4):526-538．

[2]M D Feezor，F Y Sorrell，P R Blankinship．An interface system for autonomous undersea vehicles［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4): 522-525.

[3]T Kojiya，et al．Construction of non-contacting power feeding system to underwater vehicle utilizing electromagnetic induction［C］// Oceans 2005,June 20-23,2005: 709-712.

[4]T Kojiya，et al．Automatic power supply system to underwater vehicles utilizing non-contacting technology [C]//IEEE Techno-Ocean '04,2004:2341-2345.

[5]LI Z S，LI D J，LIN L，et a1．Design considerations for electromagnetic couplers in contactless power ransmission systems for deep-sea applications[J].Journal of Zhejiang University：Science C,2010,11(10):824-834.