磁耦合谐振串并式无线电能传输功率稳定性研究

无线电能传输功率稳定性分析对其能否安全稳定工作具有重要意义。本文采用等效电路理论对串并式结构进行了研究,获取了输出功率与线圈互感之间的关系,推导出一般形状接收线圈与矩形导轨之间的互感计算公式。考虑固定负载移动供电的情况,研究了影响互感的因素,采用仿真软件得出了不同形状接收线圈与轨道之间的互感与影响互感的因素之间的关系曲线,以及功率与影响互感的因素之间的关系曲线,分析了接收线圈形状对输出功率稳定性的影响。设计了无线电能传输功率稳定性验证实验方案,搭建了实验平台,进行了实验验证。分析与实验表明,当固定负载移动供电系统工作在谐振频率,发射轨道为矩形、接收线圈面积一定时,采用正方形接收线圈传输功率的稳定性更好。     

直线感应发射器的实验与仿真研究

为探索直线感应发射器实验方法和分析手段,设计制作了1台直线感应发射器,并进行了实验与仿真分析。建立了直线感应发射器的网孔矩阵分析模型,并根据此数学模型对次级的运动特性、电压电流波形、能量转换效率及电流热效应进行了分析。发射器驱动电源采用两电平的电压源型变频器,在0.96m的直线距离将0.275kg的铝合金次级加速到18.75m/s,次级出膛速度测量值与模型分析的计算值相符,电压电流实验测量波形与仿真波形近似程度良好。实验结果证明网孔矩阵法可作为直线感应发射器分析的有效手段,实验与模型分析过程为感应式线圈炮的进一步研究提供了参考。     

次级轴向长度对直线感应发射器特性的影响

直线感应发射器次级的轴向长度直接影响次级与初级的电磁耦合效果,从而影响直线感应发射器的运行特性.根据直线感应发射器的集中参数等效电路模型和现有实验模型,结合实验与仿真分析,讨论了次级轴向长度对出膛速度、能量转换效率、加速平稳性等主要特性的影响.研究结果表明次级出膛速度随次级轴向长度的增加而降低;次级动能转换效率随次级轴向长度的增加而增加;次级的轴向长度接近于整数倍极距时,加速过程相对平稳.     

基于有限元仿真电涡流传感器的结构优化

传感器性能受线圈形状及其几何参数影响。为优化传感器性能,运用COMSOL Multiphysics建立了有限元仿真模型。通过有限元数值仿真分析,研究了传感器的结构,优化并实验验证了有限元模型的合理性。通过有限元仿真分析发现双正交矩形柱型传感器比单正交矩形柱型传感器具有更高的检测灵敏度。此外,进一步研究分析了在线圈匝数密度不变情况下,双正交矩形柱型传感器辅助线圈厚度、外形状系数、内形状系数、激励电流、外形状比例系数对其检测灵敏度的影响,为合理选择线圈参数提高传感器性能提供参考。     

网孔矩阵法计算直线感应发射器的电感

电感计算是预测、分析线圈型电磁发射器动态特性的基础。为此,介绍了网孔矩阵法计算线圈电感的基本步骤和方程式,以一台三相直线感应发射器为例,给出了初级电感、次级电感数组,绘制了初级与次级间的互感及互感梯度随空间位置变化的曲线,对电感计算值与实验测量值进行了对比。结果表明,两者相对误差很小,网孔矩阵法完全可以满足工程计算需要,它是分析线圈型电磁发射器的有效手段,由它计算得到的互感及互感梯度空间曲线的描绘有利于深刻理解直线感应发射器的工作机理。     

磁阻发射器结构参数与时序控制分析

为了获得较高的弹丸出口速度，研究了磁阻发射器对弹丸的作用规律，首先通过不同长度弹丸在不同匝数线圈下的速度仿真计算，表明长度一定时弹丸出口速度和动能随线圈匝数增大先增后降，弹丸越长其最大速度对应的线圈匝数越多，匝数相同时弹丸出口动能随着弹丸长度增大而增大；接着在线圈匝数和弹丸直径和长度一定的情况下分析了弹丸出口速度与线圈放电时序、回路电阻的关系，发现放电时序一定时弹丸出口速度随回路电阻增大先增后降，并最终获得了弹丸最大出口速度时的放电时序和回路电阻；最后通过仿真计算与实验结果对比，表明二者吻合较好，验证了弹丸出口速度随放电时序的变化。     

STM32单片机小车及其所搭载的线圈电磁炮设计∗

针对线圈电磁炮受线圈固定影响,发射角度范围不足的问题,设计并制作以 STM32F１０3C8T6单片机小车为载体、发射管长度为20cm 的线圈电磁炮实验机,进行理论推导、机械设计、计算机仿真以及实验测试研究.以电 磁轨道炮为例分析其优势与短板,结合单片机原理、电路分析等学科基础,提出了利用单片机小车搭载线圈电磁炮的设计思路,并利用物理、机械原理等理论知识进行了可行性分析,确定了实验车及线圈电磁炮的实际设计方案.研究结果表明,经单片机小车搭载过的线圈电磁炮依旧能够保证较为优良的发射稳定性,同时为固定的线圈电磁炮体增加 了活动性,实现了小体积化线圈电磁炮的进一步应用,并验证了电压对电磁炮瞄准的作用,有助于推进电磁发射技术的实际应用发展.     

驱动线圈结构参数对磁阻发射器发射性能的影响

弹丸出口速度是衡量磁阻型线圈发射器发射性能的一个重要指标,研究发射器参数对弹丸出口速度的影响有较大意义。利用Ansoft有限元软件仿真分析了单级磁阻型线圈发射器的动态工作过程,研究了驱动线圈长度和层数对单级磁阻型线圈发射器发射性能的影响规律。结果表明,存在最佳的驱动线圈长度和层数,使弹丸出口速度达到最大;改变驱动线圈层数比改变驱动线圈长度对提高磁阻型线圈发射器的弹丸出口速度更有效,研究结果将为多级磁阻型线圈发射器设计提供指导。     

次级对直线感应电动机性能的影响

为了研究直线感应电动机次级材料和厚度对电机性能和气隙磁密的影响,采用有限元方法,建立了电机的电磁场计算模型,研究电机的起动及运行过程.在数值计算的基础上得到电机的磁场分布,对气隙磁密进行谐波分析,得到了随着次级板厚度减小,气隙磁场增强,谐波含量较小的变化规律,并在电磁气隙不变的情况下,分析次级厚度及材料变化时对电机推力的影响,即随着次级板厚度及次级电导率减小,电机起动推力减小.实验结果验证了该电机计算模型的正确性.     

用于高压输电线路现场带电校验的开口式双气隙铁芯结构电子式电流互感器

为了评价将双气隙电流互感器用于现场移动式带电比对系统的可行性,从其稳态测量精度和多次安装后的测量稳定性两方面进行研究。稳态测量精度方面,通过对铁芯参数进行优化设计和对铁芯线圈采用误差补偿措施,降低了双气隙电流互感器的比差和角差。试验结果表明,双气隙电流互感器的比差和校正后的角差能够达到国标测量用电流互感器0.2级标准。测量稳定性方面,从研究气隙长度变化对测量精度的影响和降低一次导体偏心距误差两方面入手。首先通过试验测定比差和角差随气隙长度变化的关系曲线,结果表明,为了保持线圈的测量精度,需要严格控制安装的质量。其次针对单铁芯偏心距误差大的特点,采用双铁芯方案,理论计算和试验结果表明,该方案有效改善了单铁芯偏心距误差大的不足。根据稳态测量精度和测量稳定性两方面的研究结果,需要进一步采取措施提高该结构电流互感器的精度,才能将其用于电流互感器现场移动式带电比对系统。     

基于多内嵌中继线圈的高压线路非接触供电系统优化设计

户外输变电线路在线监测系统的供电质量已成为制约在线监测技术发展的重要因素,为此探究利用内嵌于绝缘子的多内嵌线圈的非接触供电系统为在线监测设备供电的可能性。首先基于互感电路模型对多米诺非接触供电系统传输性能进行分析,考虑线圈自身参数与系统工作频率对线圈品质因数的影响,结合实际复合绝缘子参数,设计单层和双层的内嵌线圈结构;继而结合有限元仿真与电路仿真,对2种线圈结构的12线圈非接触供电系统的耦合特性及传输性能进行对比分析;最后选择双层线圈作为内嵌线圈方案,并且搭建12线圈非接触供电系统实验平台进行实验。仿真与实验结果表明,采用双层内嵌线圈的多米诺非接触供电系统能实现高质量的供电目的。     

Power Flow Control of a Power Conversion Circuit for Contactless Power Transformer Systems with Coil Misalignment

The coupling coefficient between the coils of a noncontact power supply system is reduced by coil misalignment. This reduces the output voltage and the active power in the coils. To cope with these problems, an instantaneous current control method is applied to a single‐phase contactless power transformer system in order to apply the equivalent impedance of the PWM rectifier at the load side of the transformer. We propose a control method to supply power constantly to the load even when there is a misalignment in the receiving coils. The limit of the transferred power associated with the proposed control method is investigated. The proposed system, including the control method, is verified by experimental tests over a power range of several tens of watts.     

一种应用于不同轴径转轴的感应供电平面阵列线圈结构

感应耦合供电(ICPT)技术为旋转结构供电提供了安全高效的解决方案,针对旋转结构传统的侧置式和同轴式感应耦合供电结构存在耦合结构设计、安装、调试繁琐的缺点,提出了一种感应耦合供电的平面阵列线圈结构。通过建立精确三维有限元模型,分析了移动中系统供电的稳定性和抗偏移性。实验结果表明,该耦合结构消除了传统结构供电时发射与接收线圈位置保持相对静止的弊端,对运动物体供电具有良好的鲁棒性和可移植性,易于安装和使用,更好地适应移动设备供电。提取阵列线圈结构感应供电时接收线圈感应电压幅值的小幅波动,可以同时实现转轴转速测量。     

错位条件下基于“感应盲点”分析的非接触变压器建模及优化

感应式无线电能传输系统中,非接触变压器存在错位等多种工况,引起耦合系数等参数大范围变化,影响系统特性。为了建立错位条件下非接触变压器的耦合系数模型,文中基于场路结合的分析方法,分析磁通耦合特性,给出了非接触变压器的"感应盲点"求解方法;并结合其耦合系数的变化规律,建立非接触变压器错位条件下耦合系数的计算模型。基于磁场分布的特点,进一步提出副边多绕组的新型非接触变压器结构。采用优化后的变压器结构,设计制作了60 W输出的非接触变换器,耦合系数的计算结果和实际测试结果一致,证明了所提"感应盲点"分析方法与耦合系数计算模型的正确性,验证了优化后的新型非接触变压器具有良好的错位自适应能力。     

交流包络调制无线电能传输系统的负载稳压输出研究

为了实现交流包络调制无线电能传输系统的输出电压稳定,基于冲量定理与能量守恒原理,在初级侧采用能量注入与自由振荡模态组合的形式,调整注入初级回路的能量规模以适应负载的功率变化,从而实现动态负载条件下输出端的稳压。仿真与实验结果验证了在系统负载切换时,系统输出交流电压保持恒定。     

无线供电高铁列车非对称耦合机构

基于高铁列车动态负载的动态耦合基础问题,提出一种发射端为单矩形线圈,接收端为多方形线圈级联的非对称耦合机构。首先通过互感原理得到系统传输特性方程,分析不同耦合程度下的电能传输可行性。同时,建立电磁场路耦合仿真模型,获得高铁系统实际工况下的空间磁场分布特性。为克服高铁列车运行过程中的振动影响,提高系统的能量传输稳定性和传输效率,提出集磁环结构对耦合机构进行优化,通过仿真分析并且搭建实验平台进行实验验证。结果表明集磁环结构能够有效收聚磁场,且系统在5cm传输距离下获得91.4%的传输效率。在接收线圈动态移动过程中,集磁环结构能够有效提高高铁列车的无线供电稳定性和工作效率,证明了高铁列车无线供电的可行性。     

Rogowski线圈的结构与电磁参数的研究

电流互感器是电力系统中的重要设备,对电力系统的正常运行和精确计量起着十分重要的作用。随着国民经济的发展,各种供电电压等级不断出现,对电力系统的测量和保护准确度要求不断提高。Rogowski线圈主要用在测量交流大电流、脉冲电流、电力系统中的暂态电流等方面,它具有输出功率低、结构简单、线性度良好等特点。分析了3种不同截面形状(矩形、圆形和跑道形)的Rogowski线圈,针对不同截面形状的线圈建立了不同的数学模型,研究了Rogowski线圈结构参数(如线圈宽度、厚度和中心半径)和电磁参数(如线圈自感、互感和内阻)之间的关系。通过MATLAB软件对Rogowski线圈进行的仿真研究证明:从结构上来看,圆形截面的Rogowski线圈最优,跑道形次之,矩形最差。     

电压型CPT系统输出品质与频率稳定性分析

针对CPT系统能量传输能力与输出品质会随频率漂移产生较大波动的特点,在对电压型CPT系统工作原理的分析基础上,根据系统原副边的耦合关系建立系统的阻抗模型,分别总结在谐振条件下系统的输出特性和在失谐条件下系统的拾取端阻抗随频率变化的规律,提出较小的拾取端线圈电感值有益于电压型CPT系统的频率稳定;发现并证明了SP型CPT系统的拾取端至少存在两个谐振频率点和一个负载突变频率点,并给出了拾取端电感的取值范围,对系统的参数设计具有指导意义.最后以SP型CPT系统为实验平台验证了理论分析的正确性.     

A coil layout of wireless power transfer systems based on multicoil arrangement for underwater vehicles

This paper proposes an optimal coil layout of wireless power transfer (WPT) systems for underwater vehicles (UVs). The power supply station adopts a multicoil arrangement with a double layer, and the UV also uses two receiving coils. The proposed WPT system for UVs has a reasonable advantage, where it does not request to adjust the relative position of coils. This paper experimentally discusses an optimal coil layout based on measurement results of a coupling coefficient. As a result, the proposed coil arrangement with the geometry rule realizes a certain power transfer under any positions and directions of UVs.     

Circuit Analysis and Characterization of Contactless Power Transfer System with Variable Impedance

A contactless power transfer system using a repeater coil (repeater Coil topology) has been proposed as a method of suppressing overcurrent without power control during misalignment or no‐load. By installing a repeater coil between the primary and secondary coils, it is possible to increase the input impedance in the case of misalignment of the secondary coil or no‐load condition. In addition, another contactless power transfer system using primary parallel and secondary series resonance capacitors (PS capacitor topology) has been proposed. In the PS capacitor topology, the input impedance can be increased during misalignment of the secondary coil or no‐load condition similar to the repeater coil topology. In this paper, we evaluated the characteristics of both these topologies. First, we conducted a circuit analysis of the repeater coil topology and proposed a design method. In addition, we theoretically clarified the characteristic difference of the two topologies and experimentally evaluated the characteristics.