新型滑动式变压器结构与运行原理分析

万树春，谢卫，赵伟栋

(1.上海航天电子技术研究所，上海 201108;2.上海海事大学 物流工程学院，上海 201306;3.上海市医疗器械检测所，上海 201318)

0 引言

自从进入工业革命以来，对电能的需求日益增大，且呈多样化发展趋势。在传统的电机和变压器诞生一百多年后，出现了许多新兴的行业，诸如城市有轨电车、港航集装箱供应链等，他们对电能的需要具有移动变负载的特征，这就要求传统的供电系统能够随着负载的移动而移动。早先针对移动电能传输，提出的移动碳刷，满足了基本需求，但是同时也不可避免地产生摩擦损耗、运行维护工作繁重等不足。

滑动式变压器正是针对该应用领域而提出的一种新型电能传输方式，该技术不仅解决移动负载连续供电的基本需求，而且避免滑动摩擦、定期检修维护，具有简化运行、安全可靠的优势。本文将针对滑动式变压器的结构和原理进行详细地分析。

1 滑动式变压器结构介绍

1.1 滑动式变压器的演变

滑动式变压器，是从传统的紧耦合变压器演变而来的，在其基本结构的基础上首先实现铁心分离，如图1所示，变压器的交变磁通经过一次侧铁心、气隙、二次侧铁心、气隙，并最终返回到一次侧铁心中，形成闭合回路，由于气隙的磁导率明显小于铁心的磁导率，因此形成的回路磁通较传统变压器要少的多，二次侧绕组感应得到的电动势也要小的多。

图1 分离式变压器

在某些特殊的应用场合，如城市有轨电车、自动化港口的大型集装箱起重设备等，他们在作业时，负载往往都处于移动状态，都要求能够保持连续的电能供应，同时也希望能尽可能简化接线、方便运行维护、避免导线摩擦损耗。

基于上述要求，本文提出了滑动式变压器，根据变压器的铁心结构是否闭合，将滑动式变压器分为两类，一类是半闭合形式，另一类是全闭合形式，分别如图2和图3所示［1-2］。

图2中的滑动式变压器主要由供给线圈、E形铁心、拾起线圈组成。其中，拾起线圈缠绕在E形铁心上，并随着E形铁心一起沿着供给线圈的导线路径滑动。图3中，与图2所示的变压器有相似的组成部分。所不同的是，此处的铁心呈圆柱形结构。比较两者的不同，会发现前者经过铁心的磁通回路由铁心、气隙两部分组成，后者经过铁心的磁通可以在铁心中形成闭合的回路。

1.2 滑动式变压器分类

针对上述的半闭合滑动式变压器和全闭合式滑动式变压器，根据应用场合的不同和实际系统对性能要求的差异，分别提出了多种结构的滑动式变压器，如图4和图5所示。

图2 半闭合式滑动式变压器

图3 全闭合式滑动式变压器类型1

图4 半闭合式滑动式变压器

图5 全闭合式滑动式变压器类型2

在图4中所示的半闭合式滑动式变压器包括平面式和U型两种，这两种变压器的磁路都是由铁心、气隙两部分组成。在图5所示的全封闭式滑动式变压器，其主要由供给线圈、闭合铁心回路、拾起线圈三部分组成，且保持供给线圈和铁心静止，仅仅由拾起线圈沿着闭合铁心移动［3］。

2 滑动式变压器原理分析

在传统的紧耦合变压器当中，主要是基于电磁感应原理，在一次侧绕组中通入交流电，产生交变磁通，该交变磁通沿着铁心闭合路径，形成回路，并在二次侧绕组中产生感应电动势，滑动式变压器与传统的变压器由工作原理上的相似性。

根据安培定则，向直导线当中通入电流，大拇指沿着电流的流通方向，四指所指方向即为磁感线环绕的方向。根据此原理，本文将E形半闭合式滑动式变压器作为主要的研究对象。向滑动式变压器的输电回路通入交流电，在电路运行的某一时刻，设定电流自左侧流进，右侧流出，具体的原理图如图6所示。从左侧观察，由于该线路流入电流，根据安培定则，产生的磁感线出供给线圈的导线，经过气隙、E形铁心，最终再由气隙回到左侧导线。右侧的通电导线，具有类似的运行情况［4-5］。 在 此 不做赘述。

由该两根导线产生的磁感线，分别集中经过E形铁心的中间铁心柱上，该处的磁通也是最大。下节将根据上述滑动式变压器的工作原理建立起有限元分析模型。

图6 滑动式变压器运行示意图

3 基于有限元的滑动式变压器磁场分析

建立滑动式变压器三维瞬态模型，E形铁心长5 cm，供给线圈导轨长20 cm。系统仿真的参数如表1所示。仿真结果如图7～图9所示，分别是磁场分布图、磁通对比图和感应电动势图。

表1 系统仿真设置

图7 瞬态磁场分布图

图8 瞬态磁场磁通对比图

由图7得出滑动式变压器在供给线圈通入交流电以后，两条导线分别产生两股磁感线，且分别沿着左右两个方向，经过E形铁心中间芯柱相交，最大磁通密度约为2.502e-1T。

图8为供给线圈和拾起线圈中磁通得对比关系曲线，两者都为正弦波形，Φ1曲线为拾起线圈的磁通曲线，Φ2则为供给线圈的磁通曲线。由于磁通经过气隙，且供给线圈的股数为4，多于拾起线圈的股数，根据式(1)可得，拾给线圈的磁通小于供给线圈的磁通，其中N为线圈匝数，Φ为单匝线圈磁通，Ψ为多匝线圈磁通。

图9 拾起线圈感应电动势波形图

由图9得到缠绕在中间铁心柱上的绕组感应电动势e的波形，根据式(2)可得，该波形呈正弦波，频率与系统的供给线圈一致，都为 16 Hz，幅值达到 2.5 V。

4 实验验证

通过实验验证方法，搭建滑动式变压器的简易模型，具体的模型示意图如图10所示。移动滑动变压器的E形铁心，可见感应电动势波形保持不变，表明滑动式变压器在整个供给线圈回路不受其具体位置的影响。

图10 实验示意图

改变滑动式变压器的激励频率，观察实验波形可得拾起绕组感应电动势u12的幅值随着频率的升高而升高，具体实验所得波形如图11所示，可见拾起线圈感应得到的电动势与频率成正比。

图11 拾起线圈感应电动势与激励频率关系

改变滑动式变压器的供电线圈的电源电压幅值，观察实验波形，得出图12所示拾起线圈感应电动势u12与电源电压幅值的关系，可见感应电动势与激励的幅值也成正比。这与之前的基于有限元分析模型的运行特征是一致的。

在此改变拾起线圈绕组的匝数，当匝数提高，拾起线圈感应电动势u12的波形幅值也随之提高。比较图13和图 14，在如图所示的正弦波形当中，当拾起线圈匝数为5时，拾起端感应得到的电动势峰值为0.86 V;保持激励幅值和频率不变，提高拾起线圈的匝数为12时，感应电动势幅值变为1.38 V，增长了1/3。

图12 拾起线圈感应电动势与激励频率关系

图13 拾起线圈感应电动势(N2=5)

5 结束语

本文通过对滑动式变压器的结构讨论，阐述了基于安培定则的滑动式变压器运行原理。针对E形半闭合式滑动式变压器，通过建立有限元分析的模型，分析在给定的正弦电压下，磁场的分布情况和拾起线圈感应电动势的波形。通过实验验证了该理论和方法的正确性。

图14 拾起线圈感应电动势(N2=12)

［1］谢卫，赵冰洁.滑动式变压器在非接触式电能传输系统中的研究［J］.中国航海，2007，73(4):96-99.

［2］J M BARNARD，J A FERRIRA，J D V WYK.Sli-ding transformer for linear contactless power delivery［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(6):774-779.

［3］J LSTTOWIECKI，P STASZEWSKI.Leakage inductive and flux density distribution in long magnetic core of sliding transformer［J］.Proceeding of the Fifth IEEE International Caracas Conference，2004，1:304-308.

［4］K W KLONTZ，D M DIVAN，D W NOVOTNY.Contactless power delivery system formining applications［J］.IEEE Transaction Industrial Application，1995，31(1):27-35.

［5］李发海，朱东起.电机学［M］.4版.北京:科学出版社，2007.