CN103093948A - 一种适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转变压器，具体涉及一种适用于高温、高压环境的以无线电能传输的旋转变压器。包括固定在内管外壁上的原边钢壳，套在内管外副边钢壳，原边钢壳外缘和副边钢壳内缘分别嵌入固定有原边磁芯和副边磁芯，原边磁芯和副边磁芯内部分别嵌入固定有原边绕组和副边绕组；原边钢壳和副边钢壳的轴向位置彼此对应，原边磁芯和副边磁芯轴向位置彼此对应，原边绕组和副边绕组轴向位置彼此对应；包括分别对原边绕组和副边绕组进行环氧树脂灌封处理形成的两个氧树脂灌封层；两个氧树脂灌封层轴向位置彼此对应；原边钢壳、原边磁芯、第一环氧树脂灌封层与副边钢壳、副边磁芯、第二环氧树脂灌封层分别对应的位置处留有一定间隙。本发明更为可靠、耐用。

Description

一种适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器
技术领域
本发明涉及一种旋转变压器，具体涉及一种适用于高温、高压环境的用电设备以无线、非接触方式传输电能的旋转变压器。
背景技术
传统供电方式下，存在相对运动的设备之间进行电能传输多采用电刷装置。这种供电方式存在滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等问题，存在安全隐患，无法应用于矿井等高温、高湿的恶劣环境。传统变压器主要实现电压变换功能，变压器原、副边之间存在物理连接，无法进行相对运动设备之间的电能传输。
因此亟待采用旋转变压器原、副边无直接电气接触的电能传输方式，并能够无裸露导体存在，保证系统各部分之间电气绝缘，提供一种安全、可靠的新型可靠并适用于高温、高压恶劣环境的旋转变压器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高温、高压环境，用电设备以无线、非接触方式传输电能，具有较高电能传输效率，能够保证电能传递能力不受尘土、污物、水等环境因素的影响，更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦的无线电能传输旋转变压器。
为了实现上述目的，本发明一种一种适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器的技术方案为，包括固定在内管外壁上的筒状原边钢壳，固定套在内管外的外管内壁上的筒状副边钢壳，所述原边钢壳外壁设有沿周向的第一环状凹槽，副边钢壳内壁在与所述第一环状凹槽处设有沿周向的第二环状凹槽，所述第一环状凹槽和第二环状凹槽内分别位置对应地嵌入有原边磁芯和副边磁芯，所述原边磁芯和副边磁芯内部分别位置对应地嵌入有原边绕组和副边绕组；所述原边钢壳、原边磁芯与所述副边钢壳、副边磁芯分别对应的位置处留有一定间隙。
所述原边钢壳与原边磁芯通过环氧树脂灌固定，副边钢壳与副边磁芯通过环氧树脂灌固定，原边绕组与原边磁芯通过环氧树脂灌固定，副边绕组与副边磁芯通过环氧树脂灌固定。
进一步所述原边磁芯轴向两端设置有第一缓冲垫和第二缓冲垫，副边磁芯轴向两端设置有第三缓冲垫和第四缓存垫。
进一步所述原边钢壳外缘采用轴向截面为轴对称的
Figure BDA0000102939130000021
形结构，所述副边钢壳内缘采用轴向截面为轴对称的形结构；所述嵌入原边钢壳内的原边磁芯轴向一端通过所述第二缓冲垫与原边钢壳连接，该原边磁芯轴向另一端通过所述第一缓冲垫连接有套装固定在原边钢壳上的第一挡板；所述嵌入副边钢壳内的副边磁芯轴向一端通过所述第四缓冲垫与副边钢壳连接，该副边磁芯轴向另一端通过第三缓冲垫连接有固定在副边钢壳上的筒状第二挡板。
进一步所述原边磁芯和副边磁芯外缘轴向截面沿轴向呈“工”字竖向一半形。
进一步所述间隙为1.5～4mm。
进一步所述间隙可以为2mm。
进一步所述原边绕组的导线穿过原边磁芯和原边钢壳与固定在内管上的原边高压插针一端连接，该原边高压插针另一端连接与发电机及电源变换电路连接，所述副边绕组的导线穿过副边磁芯与固定在与副边钢壳上的副边高压插针一端连接，该副边高压插针的另一端与电子变换电路及负载连接。
本发明的有益效果：
本发明介绍了一种适用于高温、高压环境，并且具有较高电能传输效率的无线电能传输旋转变压器。无线电能传输旋转变压器原、副边无直接电气接触，无裸露导体存在，保证了系统各部分之间电气绝缘，电能传递能力不受尘土、污物、水等环境因素的影响。与传统供电方式相比更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦，特别适用于矿井、油田钻采及运动设备，可广泛应用于在航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品、无线充电等场合。
附图说明
图1为本发明一种无线电能传输旋转变压器使用示意图；
图2为本发明一种无线电能传输旋转变压器结构示意图。
图中：1-原边高压插针；2-副边高压插针；3-内管；4-外管；5-原边钢壳；6-原边磁芯；7-原边绕组；8-第一环氧树脂灌封层；9-第一挡板；10-第一缓冲垫；11-副边钢壳；12-副边磁芯；13-副边绕组；14-第二环氧树脂灌封层；15-第二挡板；16-第二缓冲垫；17-限位卡。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
一种适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器配置在地平面之下的自动垂直钻具的外管4与内管3之间的环形腔体中，包括通过限位卡17与内管3的外壁上的卡槽卡合固定的筒状原边钢壳5，通过销钉固定在外管4的内壁中的筒状副边钢壳11；该原边钢壳5外壁设有第一环状凹槽，采用外壁一端设有周向凸缘轴向截面为轴对称的
Figure BDA0000102939130000031
形结构；副边钢壳11内壁设有第二环状凹槽，采用内壁一端设有周向凸缘轴向截面为轴对称的
Figure BDA0000102939130000032
形结构；还包括分别嵌入原边钢壳5和副边钢壳11中并通过环氧树脂固定的筒状原边磁芯6和筒状副边磁芯12，该原边磁芯6外壁设有环状凹槽，轴向截面沿轴向呈“工”字竖向一半形和副边磁芯12内壁设有环状凹槽，轴向截面沿轴向呈“工”字竖向一半形，该结构可以使旋转变压器传输效率提高，该原边磁芯6和副边磁芯12采用铁氧体磁芯；所述原边磁芯6环状凹槽和副边磁芯12环状凹槽内分别嵌入有原边绕组7和副边绕组13；
所述原边钢壳5和副边钢壳11的轴向位置彼此对应，所述原边磁芯6和副边磁芯12轴向位置彼此对应，所述原边绕组7和副边绕组13轴向位置彼此对应；
还包括分别对原边绕组7和副边绕组13以及该原边绕组7和副边绕组13与所嵌入的对应的原边磁芯6和副边磁芯12之间的空隙进行环氧树脂灌封处理形成的第一环氧树脂灌封层8和第二环氧树脂灌封层14；所述第一环氧树脂灌封层8和第二环氧树脂灌封层14位置彼此对应；第一环氧树脂灌封层8和第二环氧树脂灌封层14不仅起到将原边绕组7和副边绕组13分别与原边磁芯6和副边磁芯12固定的作用，而且分别将原边绕组7和副边绕组13与外接隔绝，起到密封绝缘的作用，使本发明可以适应井下泥浆冲刷环境。
所述原边钢壳5、原边磁芯6、第一环氧树脂灌封层8与所述副边钢壳11、副边磁芯12、第二环氧树脂灌封层14分别对应的位置处留有间隙，该间隙大小可以采用1.5mm、2mm、3mm、4mm，这里优选2mm。
原边磁芯6轴向两端设置有第一缓冲垫10和第二缓冲垫18，，副边磁芯12轴向两端设置有第三缓冲垫16和第四缓存垫19；所述嵌入原边钢壳5内的原边磁芯6轴向一端通过所述第二缓冲垫18与原边钢壳5连接，该原边磁芯6轴向另一端通过所述第一缓冲垫10连接有套装焊接在原边钢壳5上的第一挡板9；所述嵌入副边钢壳11内的副边磁芯12轴向一端通过所述第四缓冲垫19与副边钢壳11连接，该副边磁芯12轴向另一端通过第三缓冲垫16连接有焊接在副边钢壳11上的筒状第二挡板15；第一挡板9和第二挡板15可以保证各零、部件无轴向窜动。
所述原边绕组7的导线穿过原边磁芯6和原边钢壳5与穿插固定在内管上的原边高压插针1一端连接，该原边高压插针1另一端连接与发电机及电源变换电路连接，所述副边绕组13的导线穿过副边磁芯12与穿插固定在与副边钢壳11上的副边高压插针一端2连接，该副边高压插针2的另一端与电子变换电路及负载连接。
当内管旋转时，发电机发出的三相交流电经过电源变换电路注入原边绕组7。根据法拉第电磁感应定律，原边绕组7周围产生高频的交变磁场，该磁场通过原边磁芯6和副边磁芯12闭合。原边磁芯6和副边磁芯12起到闭合磁路，减少磁场外泄，提高传输效率的作用。通过副边磁芯12的磁场在副边绕组13感应出高频交流电，给用电设备供电。
本发明原、副边无直接电气接触，安全可靠。避免了相对转动设备电刷等传统供电方式存在的诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等问题，不受原、副边相对运动和泥浆冲刷环境影响。原、副边分别选用高压密封插针分别连接发电机和负载，对原、副边进行整体式环氧树脂灌封处理，使设备能够在地下即使是达到155℃高温、105MPa高压，并且泥浆冲刷的恶劣环境下安全可靠的工作；通过对旋转变压器的电磁场进行仿真分析，优化铁氧体磁芯结构及尺寸，截面沿轴向呈“工”字竖向一半形的结构，能够实现高效率电能传输，传输效率可达85％以上，且传输效率不受原、副边相对转动的影响。由于铁氧体磁芯质地脆而硬，受到外力容易崩角甚至破碎。本发明采用钢壳结构，并在磁芯与钢壳间放置缓冲垫，对磁芯进行保护，使无线电能传输旋转变压器能够承受20g强振动、高压环境。该实施例涉及的无线电能传输旋转变压器耐高温、耐高压、耐强振，电能传输效率高，结构简单、可靠，易于拆卸和维护。
以上所给出的一种适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器的实施方案，用户可根据具体安装接口和空间的需求，可以根据实际使用环境，对各部分尺寸、参数进行具体的设计。可以应用于矿井、油田钻采及运动设备，并可广泛应用于在航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品、无线充电等场合中，并达到良好的效果。

Claims (8)

1.一种适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：包括固定在内管(3)外壁上的筒状原边钢壳(5)，固定套在内管(3)外的外管(4)内壁上的筒状副边钢壳(11)，所述原边钢壳(5)外壁设有沿周向的第一环状凹槽，副边钢壳(11)内壁在与所述第一环状凹槽处设有沿周向的第二环状凹槽，所述第一环状凹槽和第二环状凹槽内分别位置对应地嵌入有原边磁芯(6)和副边磁芯(12)，所述原边磁芯(6)和副边磁芯(12)内部分别位置对应地嵌入有原边绕组(7)和副边绕组(13)；所述原边钢壳(5)、原边磁芯(6)与所述副边钢壳(11)、副边磁芯(12)分别对应的位置处留有一定间隙。
2.按照权利要求1所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述原边钢壳(5)与原边磁芯(6)通过环氧树脂灌固定，副边钢壳(11)与副边磁芯(12)通过环氧树脂灌固定，原边绕组(7)与原边磁芯(6)通过环氧树脂灌固定，副边绕组(13)与副边磁芯(12)通过环氧树脂灌固定。
3.按照权利要求1所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述原边磁芯(6)轴向两端设置有第一缓冲垫(10)和第二缓冲垫(18)，副边磁芯(12)轴向两端设置有第三缓冲垫(16)和第四缓存垫(19)。
4.按照权利要求1或2所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述原边钢壳(5)外缘采用外壁一端设有周向凸缘轴向截面为轴对称的
Figure FDA0000102939120000011
形结构，所述副边钢壳(11)采用内壁一端设有周向凸缘轴向截面为轴对称的
Figure FDA0000102939120000012
形结构；所述嵌入原边钢壳(5)内的原边磁芯(6)轴向一端通过所述第二缓冲垫(18)与原边钢壳(5)连接，该原边磁芯(6)轴向另一端通过所述第一缓冲垫(10)连接有套装固定在原边钢壳(5)上的第一挡板(9)；所述嵌入副边钢壳(11)内的副边磁芯(12)轴向一端通过所述第四缓冲垫(19)与副边钢壳(11)连接，该副边磁芯(12)轴向另一端通过第三缓冲垫(16)连接有固定在副边钢壳(11)上的筒状第二挡板(15)。
5.按照权利要求1所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述原边磁芯(6)外壁设有环状凹槽，轴向截面沿轴向呈“工”字竖向一半形和副边磁芯(12)内壁设有环状凹槽，轴向截面沿轴向呈“工”字竖向一半形。
6.按照权利要求1所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述间隙为1.5～4mm。
7.按照权利要求5所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述间隙为2mm。
8.按照权利要求1所述的适用于高温高压环境的无线电能传输旋转变压器，其特征在于：所述原边绕组(7)的导线穿过原边磁芯(6)和原边钢壳(5)与固定在内管上的原边高压插针(1)一端连接，该原边高压插针(1)另一端连接与发电机及电源变换电路连接，所述副边绕组(13)的导线穿过副边磁芯(12)与固定在与副边钢壳(11)上的副边高压插针一端(2)连接，该副边高压插针(2)的另一端与电子变换电路及负载连接。
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