摘要： 非接触变压器通过高频磁场的耦合传输电能，实现能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成，具有良好的饱和特性。
关键字： 非接触变压器，磁粉芯，综述
1 引言
在2010年中国电子变压器、电感器第四届联合学术年会上，特邀报告报导了磁性元件的新进展。现择要综述非接触电能传输系统和金属软磁粉芯。
非接触电能传输系统是基于磁场耦合实现无线供电和新型电能传输方式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，实现能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。
磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成。由于金属软磁粉末被绝缘材料所包围，形成分散气隙，增加电阻率，降低高频涡流损耗，并具有抗饱和性能。
2 非接触电能传输系统(CETS)
非接触供电是基于磁场耦合实现无线供电的新型电能传输方式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，实现能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全、无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适用多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电。
非接触供电技术因其特有的恶劣环境适应性、高安全性，在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车等移动设备的供电场合，油田、矿井、水下供电等恶劣环境或易燃易爆场合均得到了应用。
非接触电能传输系统(Contactless energy transmission system， CETS)包括逆变器、非接触变压器、整流电路、负载、非接触反馈和接收电路、原边控制电路。其中输出信息的非接触反馈技术已有较成熟的方案，包括红外反馈技术和磁隔离非接触反馈技术。非接触变压器是CETS的核心元件，分离的原、副边绕组及较大的气隙使其漏感较大、激磁电感小，因此非接触变压器必须采用多元件谐振变换器，对漏感、激磁电感分别补偿，提高电压增益和功率传输能力，同时减小环流损耗，提高变换效率。
尽管补偿电路可以改善变换效率，变压器较低的耦合系数k仍然制约CETS变换效率的提高。如何提高非接触变压器的耦合系数，同时尽量减小其体积、质量成为非接触变压器设计的难点。
2.1 非接触变压器
T. H. Nishimura 于1994年提出了基于传统非平面磁芯和卷绕绕组结构的非接触变压器，如图1所示。
针对对称绕组结构，并在副边开路条件下给出其等效磁路，如图1(b)所示。
大气隙引起的磁阻较大是非接触变压器耦合系数小的根本原因。南京航空航天大学提出采用平面磁芯并去掉中柱，来获得更大的激磁电感，来提高耦合系数，同时减小磁芯的体积和质量。改进的变压器磁芯如图2所示。
针对图2给出的平面U形磁芯，绕组也采用平面布置，便于减小漏感。平面绕组的布置方式有集中式和分布式2种，如图3所示。
在相同的条件下进行对比实验，表明分布式绕组更有利于提高变压器的耦合系数。
图4给出变压器在300kHz副边开路条件下的磁场仿真结果。
结合电磁场仿真结果，将总磁通分为无耦合、部分耦合和全耦合3部分，给出新型非接触变压器的磁路模型，如图5、图6、图7所示。
推导得到新型非接触变压器耦合系数的表达式，并讨论了各磁阻的定量求解方法。
2.2 非接触变压器的优化
基于提高耦合系数，减小体积质量的目标，提出优化后的边沿扩展，平面U形非接触变压器， 给出关键几何尺寸的定量优化依据。图8给出磁芯结构优化方法，图9给出非接触变压器磁芯结构。
针对人工心脏设计制作了35~60V输入、60W输出和10mm气隙的非接触变压器。变压器耦合系数的计算结果和测试结果一致，证明了所提磁路模型及耦合系数计算方法的正确性。[#page#]
3 磁粉芯
磁粉芯是一种金属软磁复合材料，把两种或两种以上的材料混合，通过工艺合成一种新型材料，它仍然保留各组成材料的主要特征又能通过复合效应得原组分所不具备的性能。并可根据组分比例和处理工艺不同设计出不同性能的新材料。把磁粉芯称为金属软磁复合材料更能表达新材料的科学内涵。
目前世界上广泛使用的主要有单元素的（纯）铁粉芯(iron cores)、双元素的铁镍（高通量）粉芯(high flux cores)、以及三元素的铁硅铝粉芯(sendust cores)、铁镍钼（坡莫合金）(Mpp cores)。
磁芯粉是由金属软磁材料粉末和绝缘材料混合以后压制而成的。
磁粉芯由于其生产工艺上的特殊性，目前以环形和EE、EI及UU、UI等较简单的形状而使用。由于金属软磁材料粉末被绝缘材料所包围，形成分散气隙，增加电阻率，降低高频涡流损耗，并具有抗饱和性能。
3.1 磁粉芯工艺特征和工艺流程
磁粉芯工艺过程实际上是粉末冶金的工艺过程。在磁粉芯中粉末粒度分布首先选择适应工作频率要求粉末尺寸，它作为主粉粒度。然后再考虑添加能得到最佳密度的辅粉尺寸。这说明要使粒子间的空隙最小，压胚密度最大。辅粉加入的比例占总重的20~30%之间，主粉应占总粉重量70~80%。如主粉为200目那么辅料应选100目和300目粉，然后经试验数据来判断，对辅料含量调节。
工艺流程如下：制粉—分筛配比—混粉—包覆—压制—整形—退火—检测—涂履成品—包装。
其中包覆是要求把每个粉粒用绝缘物质包裹起来，达到粒子间相互绝缘。要有一定的抗压性及其在退火时不与粉末发生化学反应而失效。包覆是磁粉芯最重要的工艺环节。
包覆有干法包覆和湿法包覆。湿法包覆分有机湿法包覆和无机湿法包覆。
压制最好选择用双向压制，产品密度比较均匀。
磁粉芯的退火温度主要根据粉末的材质和包覆材料来决定。有机包覆一般退火温度较低在120~125℃之间，为了使有机粘结剂能流变固化。而无机包覆退火在600~850℃之间，为尽量减少氧化必须在保护气氛或真空中退火。
磁粉芯表面涂层一般用聚胺脂喷漆，它有很好的韧性，蜡封性和极好的电介质特性。
3.2 磁粉芯主要特性
(1)具有高的饱和磁感应强度，其中铁粉芯高达1.5T，高通量可达1.3T，而其中最低的Mpp类磁粉芯也在0.8T左右。这在设计使用中，对于实现大容量和小型化是有利的。
(2)具有高的有效导磁率。铁粉芯μ10~100，高通量磁粉芯最高可达μ160，铁硅铝磁粉芯最高可做到μ147，Mpp类磁粉芯 200~500。
(3)磁性能稳定性好。不管是频率稳定性、温度稳定性还是时间稳定性上都是非常良好的。各类合金系列软磁粉芯的温度系数在500×10－6以下，在某些高要求情况下可以做到＜100×10-6。而经过特殊老化处理及一定时间自然时效处理的磁粉芯，更是具有良好的稳定性。一般情况下，导磁率值几近不变。
(4)损耗低。这种优良特性是以其特殊的生产工艺作保证的。这也是其具有重要实用意义的一大优点。
(5)直流偏场稳定性好。这是由于磁芯粉具有高的磁感应强度和低的损耗所致。
(6)性能的可控性。通过控制和改变其生产工艺技术条件，可以获得能满足各种特殊使用场合具有特殊性能的磁粉芯材料。
3.3 磁粉芯在电感器和变压器设计中的应用
作为变压器和电感器来说，磁粉芯的各项优点对其使用都具有实用意义。就变压器而言，要求大容量和小型化。而各种电感器则除要求尽量实现大容量和小型化外，实现高精度、高灵敏度对各种电子产品性能的改进和质量提高，更具有十分重要的意义。
磁粉芯在各种变压器和电感器设计应用中，应当考虑以下三个主要参数：(1)电流的大小或者功率要求；(2)使用时的工作频率；(3)对磁芯电感值或电感系数的具体要求。
磁粉芯的最大特点是，由于其具有良好的饱和特性。使用它制作的电感器，在直流应用的条件下，其磁导率（电感值）随通过它的电流的增大而下降，习惯上称为“跌落”。我们把“跌落”程度的大小，视为这种材料“饱和特性”的好坏。多数情况下，希望电流增大时，“跌落”越小越好。
对于软磁材料，由于它的饱和特性，应用在直流场合，其磁导率（电感值）随着通过线圈的直流电流而改变，是跌落趋向，趋向饱和时，磁导率（电感）趋向零。[#page#]
但是，应用在交流场合，其磁导率（电感）随着加在线圈上的交流电压而改变，是增加趋向，铁粉芯最高可达到340%，其它材料一般在103.5~125.5%之间。参阅表1。
因此，我们采用软磁材料制作电感器，在设计时首先需要考虑的是这一电感器的应用条件：交流还是直流场合。
应用磁粉芯进行电感器设计，应用在直流场合，必须关注其磁导率随直流电流而呈现跌落趋向；应用在交流场合，则要关注其磁导率随交变电压改变而呈现增加趋向。
4 结论
(1)非接触供电是基于磁场耦合实现无线供电的新型电能传输方式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，实现能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车移动设备的供电场合、油田、矿井、水下供电等场合均得到了应用。
(2)磁粉芯是由金属磁材料粉末和绝缘材料混合以后压制而成。由于具有高的饱和磁感应强度，高的有效导磁率，磁性能稳定，损耗低，直流偏场稳定性好，性能可控等特性，在风电，光伏发电产业，电力电子技术高频电感器的磁芯得到应用。
参考文献
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[6] 陈一平. 大比特资讯 磁性元件与电源， 2009年12月，p.95
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