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无线充电系统旋转式电磁耦合器损耗计算及热点温度研究

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admin 发表于 2024-12-14 02:29 | 查看全部 阅读模式

文档名:无线充电系统旋转式电磁耦合器损耗计算及热点温度研究
摘要:电磁耦合器是实现无线电能传输(WPT)技术的核心元件,其工作温度决定了系统运行的稳定性与使用寿命.为此该文以抗偏移能力强的旋转式电磁耦合器为研究对象,针对该电磁耦合器在非正弦激励下损耗及温度精确计算的问题,同时为避免大量实验数据繁琐采集过程,利用瞬态电磁-热流场双向间接耦合方法,建立考虑绝缘引起的匝间距及温度对材料属性影响的三维电磁场仿真模型,而后将电磁损耗计算结果作为载荷耦合至热流场中并建立对应关系,实现对热点温度计算.仿真与实验结果表明,物理模型的热点温度与测量值最大误差为5.15%,仿真得出的温升分布规律能较准确地展示实际情况,验证了物理仿真模型的合理性,可为旋转式电磁耦合器的散热设计提供依据,在工程应用中具有一定指导意义.

Abstract:Electromagneticcouplersarethecorecomponentsofwirelesspowertransfer(WPT),andtheiroperatingtemperaturedeterminesthestabilityandservicelifeofthesystemoperation.Therefore,accuratelyestimatingthecoilwindingandmagneticcorelossesofhigh-frequencyelectromagneticcouplersandstudyingthetemperaturerisedistributionofelectromagneticcouplersundernormalmodesarecrucialfortheheatdissipationdesignofunderwaterautonomousvehiclesandimprovingthereliabilityofWPTsystems.Toaddresstheseissues,thisarticletakestherotaryelectromagneticcouplerwithstrongresistancetoradialoffsetastheresearchobjectandestablishesathree-dimensionalelectromagneticthermalfieldsimulationmodelthatconsiderstheinfluenceofinsulationinducedturnspacingandtemperatureonmaterialproperties,achievingaccuratecalculationofhotspottemperature.Firstly,theoreticalanalysisisconductedonthetemperatureriseoftheelectromagneticcoupler,whichinvolvescalculatingthelossoftheelectromagneticcoupler,andthenloadingthelossasaheatsourceintotheheatflowfieldtoobtainthetemperaturedistributionoftheelectromagneticcoupler;Secondly,basedonthetemperatureriseprincipleofelectromagneticcouplersandstrictlyfollowingthetemperaturerisecalculationprocess,thefiniteelementAnsysMaxwellsimulationsoftwareisusedtosolvetheelectromagneticlossandhotspotdistribution.Inthesimulationsoftware,thefirststepistocalculatecoillossesandmagneticcorelosses.Then,usingthetransientelectromagneticfieldheatflowfieldbidirectionalindirectcouplingmethod,athree-dimensionalelectromagneticfieldsimulationmodelisestablished.Finally,theelectromagneticlosscalculationresultsarecoupledasloadsintotheheatfluxfieldandcorrespondingrelationshipsareestablishedtoobtainthehotspotdistributionoftherotatingelectromagneticcoupler.Thesimulationresultsshowthatthemagneticfielddistributionoftheelectromagneticcouplerisbasicallysymmetricalfromtoptobottom,andthemagneticfieldintensitygraduallydecreasesalongthecenterpositionofthemagneticcoretowardstheend.Themaximummagneticdensityislocatedonthesurfaceofthemagneticcoreclosetothegeometriccenterofthesecondarycoil.Theaveragelossdensitydistributionoftheelectromagneticcouplerhasthesamecharacteristicsasthemagneticinductionintensitydistribution.At20℃,theaveragelosserrorsoftheprimaryandsecondarycoilswithinonecyclewereobtainedthroughtheoreticalanalysisandfiniteelementsimulation,whichwere2.9%and3.4%.TheexperimentalresultsshowthatthedeviationbetweentheparametersmeasuredbytheLCRandthenumericalvaluesinsimulationislessthan10%.Thethermocouplemulti-channelthermometerrecordsthetemperatureofthesystemwhenitreachessteadystateat20℃.Thehigh-temperatureareaislocatedatthetopofthesecondarycoil,andthedeviationbetweenthesimulatedtemperatureofthehotspotandthemeasuredvalueislessthan6%,verifyingtherationalityofthemodelingmethod.Thefollowingconclusionscanbedrawnthroughexperimentalanalysis:(1)Theaveragelossdensityofthemagneticcoreoftherotatingelectromagneticcouplerispositivelycorrelatedwiththedistributionofmagneticinductionintensity;(2)Therelativepositionofthecoil,flowvelocity,andconvectiveheattransfercoefficientallhaveanimpactontheoperatingtemperatureofthesystem.Atthesametime,duetotheinfluenceofthenestedstructure,localoverheatingwilloccurunderthehightemperatureconductionofthecoil,resultingintheseveretemperatureriseareaoftherotatingelectromagneticcouplingconcentratedinthemiddleoftheLCT;(3)Inordertosimulatethetemperaturerisedistributionofrotaryelectromagneticcouplersmoreaccurately,inadditiontoconsideringtheturnspacingcausedbyinsulation,thetemperatureeffectofmaterialpropertiesshouldalsobeconsidered.

作者:程志远  宋晓逸  吴晓婷  贵子航  李东东Author:ChengZhiyuan  SongXiaoyi  WuXiaoting  GuiZihang  LiDongdong
作者单位:上海电力大学电气工程学院上海200090
刊名:电工技术学报
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(7)
分类号:TM724
关键词:无线电能传输  旋转式电磁耦合器  多物理场耦合  温升特性  电磁损耗  
Keywords:Wirelesspowertransfer(WPT)  rotaryelectromagneticcoupler  multi-physicalfieldcoupling  temperaturerisecharacteristic  electromagneticloss  
机标分类号:U469.72TM724TM910.6
在线出版日期:2024年4月12日
基金项目:国家自然科学基金无线充电系统旋转式电磁耦合器损耗计算及热点温度研究[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(7)程志远  宋晓逸  吴晓婷  贵子航  李东东电磁耦合器是实现无线电能传输(WPT)技术的核心元件,其工作温度决定了系统运行的稳定性与使用寿命.为此该文以抗偏移能力强的旋转式电磁耦合器为研究对象,针对该电磁耦合器在非正弦激励下损耗及温度精确计算的问题,同时...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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