应用于卫星电源的可分离式变压器设计与实现

摘要

无线输电是一种新型的电能传输方式，该方式打破了电能只能通过有线进行传输的思维定式，由于供电侧和受电侧没有电气连接，这从根本上消除了在插拔过程中或者特殊工作环境下产生电火花或者供电回路短路的可能性，从而避免了由此引起的灾难事故。本文提出将无线输电技术应用到卫星的太阳电池阵-蓄电池组电源系统中，以解决影响航天器工作可靠性的固有瓶颈，针对系统中的核心电气元件可分离式变压器，开展了一系列的理论和实验研究。
　　本文首先介绍了课题的研究背景、国内外研究现状和发展趋势，具体介绍了非接触式阳电池阵-蓄电池组电源系统的构成、工作原理以及设计原则;之后阐述了可分离式变压器的材料特性、磁路特性、传输特性和能量损耗特性，并通过建立互感等效电路模型，详细推导出可分离式变压器原边输入功率、副边输出功率以及传输效率的数学表达式，得出影响变压器传输效率的外部工作和内部结构参数;然后重点介绍可分离式变压器的设计过程:首先选择整体的磁芯结构，通过建立二维轴对称模型，采用有限元仿真分析方法，根据气隙大小对传输效率的影响程度选择了柱面耦合式铁芯结构;之后针对柱面耦合式的可分离式变压器进行进一步设计，包括确定铁镍软磁合金1J50作为铁芯材料;利用磁路的欧姆定律推导出耦合系数的表达式，并根据表达式进行磁芯窗口尺寸的优化设计，提高了变压器的耦合系数;考虑集肤效应的影响，选择具体的利兹线规格;类比普通高频变压器绕组设计方法确定线圈匝数。之后建立优化设计后的变压器二维轴对称模型，研究不同频率和负载值对所设计变压器传输效率的影响，确定变压器最佳工作频率与带负载值并得到相应的传输效率。
　　最后，根据仿真设计得到的结构尺寸，加工并制作出可分离式变压器实验样机，并对其进行传输效率的验证实验，实验结果证明，所设计并实现的变压器能够在100V的高频电压下稳定运行，并且满足传输效率不低于80％的设计指标;并进一步通过实验对仿真结果与实验结果的误差进行分析，得出铁芯材料中的磁滞损耗与涡流损耗是造成误差的主要因素，并对变压器铁芯部分进行均匀切块，通过对比实验证明该方法可以有效减少较低电阻率铁芯材料的涡流损耗对传输效率的不利影响。因此本文的研究成果能够为将来无线输电技术在航天领域的应用提供一定的理论与实践指导作用。

目录

声明

摘要

1．1．1 论文研究背景

1．1．2 论文研究意义

1．2 非接触式太阳电池阵-蓄电池组电源传输系统

1．2．1 传输系统的基本结构和工作原理

1．2．2 传输系统的设计原则

1．3 非接触式电能传输技术国内外研究现状

1．3．1 非接触式电能传输技术分类

1．3．2 非接触式电能传输技术国外研究现状

1．3．3 非接触式电能传输国内研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 可分离式变压器特性分析

2．2 可分离式变压器材料特性分析

2．2．1 可分离式变压器磁芯材料特性分析

2．2．2 可分离式变压器绕组特性分析

2．3 可分离式变压器磁路特性分析

2．4 可分离式变压器传输特性分析

2．4．1 可分离式变压器互感模型

2．4．2 可分离式变压器的功率传输特性

2．5 可分离式变压器能量损耗特性分析

2．6 小结

第3章 旋转式可分离式变压器结构研究与性能比较

3．1 COMSOL Multiphysics开发环境

3．2 两种不同结构的旋转式可分离式变压器特征及建模

3．3 仿真方案设计

3．3．1 仿真目的说明

3．3．2 参考指标确定

3．3．3 扫描参数变量确定

3．4 两种结构可分离式变压器性能分析与比较

3．4．1 仿真配置要点

3．4．2 仿真结果及分析

3．5 小结

第4章 柱面耦合式结构可分离变压器实物设计及仿真研究

4．1 柱面耦合式结构变压器磁芯设计

4．1．1 磁芯材料的选择

4．1．2 磁芯磁路研究与优化设计

4．2 柱面耦合式结构变压器绕组设计

4．2．1 导线规格的选择

4．2．2 线圈匝数的确定

4．3 柱面耦合式结构变压器有限元仿真分析

4．3．1 传输效率与频率的关系

4．3．2 传输效率与负载的关系

4．4 小结

第5章 柱面耦合式结构可分离变压器实验测试

5．1 测试目的和方案

5．2 测试过程和结果

5．2．1 非接触式传输实验电路搭建

5．2．2 负载效率测试

5．2．3 误差分析

5．3 小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢