CN104240913A - 气隙磁场径向分布的可分离变压器电磁耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是构成气隙磁场径向分布的可分离变压器电磁耦合器。本发明的可分离变压器电磁耦合器的结构为；C形隔离圆盘1/8，主磁芯磁路2/7，初次级线圈骨架及保护层3/5，次级接收线圈4，初级励磁线圈6，轴承10和转子9。本发明的可分离变压器电磁耦合器借助于降低气隙磁能占比，增加磁芯磁能占比；降低漏磁；采用嵌入式次级线圈耦合结构以增加初次级线圈的耦合程度，改变了目前可分离变压器的电磁耦合器电能转换效率随气隙增大而急剧下降的特征，显著提高了可分离变压器的电能转换效率。本发明用于非接触电能传输，可替代导电滑环用于航空航天，石油勘探，新能源等领域。

Description

气隙磁场径向分布的可分离变压器电磁耦合器

技术领域 本发明涉及的是构成气隙磁场径向分布的可分离变压器(可分离变压器俗称松耦合变压器)电磁耦合器的磁芯磁路结构，初次级线圈形状和相互位置，以及由于实施这种磁芯磁路和线圈结构而获得的低气隙磁场损耗，高耦合系数高电能转换效率的可分离变压器电磁耦合器及其应用。 

背景技术 可分离变压器的基本原理也即感应电力传输(IPT)技术；根据安培定律，发射部分电能以交流电的形式转换成时变电磁场，根据法拉第定律，接收部分将该时变电磁场转变成感应电压，为负载提供电能。 

由于可分离变压器具有发射接受部分可分离，相对位置固定(可转动)，无金属直接接触传递电能及电信号等特性，正逐渐被推广应用于某些具有特殊要求的场合。如用作防爆防水场合，电动汽车充电桩，用作输送电力和信号的无接触导电滑环，也可用作电器产品插头插座的升级换代产品。 

然而，由于可分离变压器气隙的存在，其电能传输效率随气隙增大而急剧降低，电能传输效率一直成为制约可分离变压器设计应用的瓶颈。为提高可分离变压器电能传输效率，国内外研究机构进行了大量的研究，取得了不少研究成果。研究表明；1增大气隙磁芯截面积，2减少漏磁，3调整初次级绕组线圈位置可以提高可分离变压器的耦合程度及效率。但什么样的可分离变压器电磁耦合器的磁芯结构，初次级线圈配置可以同时满足以上三个条件？能否突破当前可分离变压器电能转换效率的瓶颈？ 

发明内容 本发明的一个目的在于明确指出；磁芯气隙能量与气隙磁芯截面积成反比，当气隙宽度10mm时，气隙磁芯截面积提高10倍，可分离变压器电能传输效率可提高5倍。本发明指出；什么样的可分离变压器电磁耦合器的磁芯磁路结构，初次级线圈相互位置可以同时满足可分离变压器电磁耦合器的磁芯磁路优化的三个条件，从而提高可分离变压器的电能转换效率。 

附图说明

图1为本发明的电磁耦合器对称中心剖视结构示意图 

图2为本发明的电磁耦合器磁通模型原理图 

图3螺绕环电磁感应原理图 

图4喇叭口螺绕环电磁感应原理图 

图5为本发明的电磁耦合器磁通模型尺寸案例 

具体实施方式

组成 

如图(1)，本发明的可分离变压器电磁耦合器的磁芯磁路结构为；C形隔离圆盘1/8，主磁芯磁路2/7，初次级线圈骨架及保护层3/5，次级接收线圈4，初级励磁线圈6，轴承10和转子9。 

主磁芯磁路2/7，初级励磁线圈6，构成权利要求1的环形气隙径向分布磁场。 

主磁芯磁路2/7构成权利要求2，要求主磁芯磁路储能最大即主磁芯磁路面积尽可能最小，气隙磁芯截面积尽可能最大即气隙储能占比最小。 

主磁芯磁路结构2/7构成权利要求3/5，次级接收线圈4置于气隙磁场中，次级接收线圈4与初级励磁线圈6同轴，共享同一段主磁芯7，初次级线圈的耦合系数＞0.5。次级接收线圈4与初级励磁线圈6之间的定位采用圆周定位，保证定位精度。 

主磁芯磁路2/7构成权利要求4，当磁芯气隙截面积增加时，次级接收线圈4直径不变，高度增加。 

C形隔离圆盘1/8构成权利要求6，确保磁芯磁路与外界满足电磁兼容要求。隔离圆盘材料由电绝缘抗磁体或电绝缘顺磁体材料组成。 

主磁芯磁路2/7构成权利要求7，主磁芯磁路2/7为镶嵌结构，便于初级励磁线圈装配。 

主磁芯磁路2/7构成权利要求8，与常规可分离变压器磁芯磁路结构相比，只有一端气隙开口(除励磁线圈导线入口外)。 

次级线圈骨架及保护层5的气隙磁场对应部分构成权利要求9，构成主磁芯磁路2/7的一部分。 

分离出C形隔离圆盘1的中心部分与次级线圈4和次级线圈骨架及保护层5构成转子9，在C形隔离圆盘1中加装轴承10后，转子9即次级线圈4即可绕中心轴自由旋转。 

次级线圈耦合原理 

初级励磁线圈磁力线走向相对对称中心轴呈环状，矩形。若设磁芯气隙磁场为均匀分布，磁耦合器接受部分即次级线圈最底层线圈接受的磁力线为B为气隙磁感应强度，S气隙磁芯截面积，N次级线圈层数；通过最底第二层线圈的磁力线为依次类推……，通过最高层线圈的磁力线为次级线圈检拾的磁力线总数为 即为初级线圈总磁通量的一半，即线圈效率减半，但其线圈耦合特征为紧耦合。 

部分次级接收线圈与初级励磁线圈同轴，处上下位置，共享同一段磁芯，同处气隙初级励磁线圈端。 

部分次级接收线圈与初级励磁线圈同轴，处中心对称位置，共享同一段磁芯，同处气隙初级励磁线圈端。 

与现有各种松耦合变压器的磁芯磁路和线圈结构相比，气隙径向均匀分布磁场的可分离变压器磁芯磁路和线圈结构具有相当高的耦合程度，其耦合系数具有(R₁初级线圈平均半径R₂次级线圈平均半径)的特征，因而具有相当高的电能传输效率。 

降低气隙磁场占比提高电能转换效率的物理原理 

如图(4)螺绕环气隙磁能 $W_1={\∫w}_1{\mathrm{dV}}_1=\∫\frac{1}{2}\frac{{B_1}^2}{{\mathrm{\μ}}_0}d{V}_1=\frac{1}{2}\frac{{B_1}^2}{{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\π}{r_1}^2\mathrm{\ΔL}$ 为增加气隙面积，这里变螺绕环为喇叭口螺绕环如图(5)，设螺绕环喇叭口半径满足r²＝10r₁ ²气隙磁感应强度磁场的边界条件满足B_1n＝B_2n

气隙磁感应强度与螺绕环喇叭口内磁感应强度相同，由于R＞＞螺绕环喇叭口长度，忽略螺绕环喇叭口内磁能； 

磁能密度 $w=\frac{1}{2}\frac{B^2}{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0}$ 原螺绕环气隙磁能 $W_{1\mathrm{\γ}}={\∫w}_{1\mathrm{\γ}}{\mathrm{dV}}_1=\∫\frac{1}{2}\frac{{B_1}^2}{{\mathrm{\μ}}_0}d{V}_1=\frac{1}{2}\frac{{B_1}^2}{{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\π}{r_1}^2\mathrm{\ΔL}$

螺绕环气隙磁能 $W_1={\∫w}_1{\mathrm{dV}}_1=\∫\frac{1}{2}\frac{B^2}{{\mathrm{\μ}}_0}d{V}_1=\frac{1}{2}\frac{{B_1}^2}{{\mathrm{\μ}}_0}\frac{{r_1}^2}{r^2}\mathrm{\π}{r_1}^2\mathrm{\ΔL}=\frac{1}{10}{W}_{1\mathrm{\γ}}$

即喇叭口螺绕环气隙磁能是原螺绕环气隙磁能的

螺绕环内磁能 $W_2=\∫(w_1+w_2){\mathrm{dV}}_2=\frac{1}{2}\frac{{B_1}^2}{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\π}{r}_1}^2\mathrm{\ΔL}+\frac{1}{2}\frac{B^2}{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\π}{r}^2(2\mathrm{\πR}-2\mathrm{\ΔL})$

总磁能 $W=W_1+W_2={\∫w}_1{\mathrm{dV}}_1+\∫(w_2+w_2)d{V}_2$

定义螺绕环可利用磁能比(松耦合变压器最大电能传输效率)

叭口螺绕环可利用磁能比 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\ΔL}=0.01}=\frac{W_2}{W_1+W_2}=0.537$

螺绕环可利用磁能比 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\ΔL}=0.01}=\frac{W_2}{W_1+W_2}=0.106$

相同气隙宽度ΔL＝0.01时，喇叭口螺绕环可利用磁能比比螺绕环可利用磁能比提高整整 5倍。具体设计时不是单单考虑增加气隙面积，而是统筹考虑磁能比。 

减少漏磁的物理原理 

主磁芯磁路7，次级接收线圈4关于中心轴对称，通过主磁芯磁路7的二分之一磁力线增量全部被次级接收线圈4所对应的气隙部分所感应。根据内能最小原理，主磁芯磁路2外侧柱面几乎不存在漏磁。主磁芯磁路2底部励磁导线入口气隙小，忽略该处漏磁。 

本发明的可分离变压器电磁耦合器具有漏磁小，气隙磁场能量占比小，初次级线圈耦合系数大于0.5的特征，因而具有相比目前其它类型的可分离变压器电磁耦合器高得多的电能转换效率。本发明的可分离变压器电磁耦合器加装轴承10后，转子9即次级线圈4还可绕中心轴旋转，可作为无接触导电滑环用于航空航天，石油勘探，风能发电等领域。 

Claims (10)

1.一种可分离变压器的电磁耦合器，其特征在于采用主磁路2和7，将常见的气隙平行磁场改造成环形气隙径向分布磁场。 

2.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于此种主磁路2和7的磁芯结构设计目标要求降低气隙储能占比，增加磁芯储能占比。 

3.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于部分次级接收线圈4置于磁芯气隙之中，感应环形气隙径向分布磁场磁力线增量。部分次级接收线圈4置于初级励磁线圈6外圈感应初级励磁线圈励磁电流，两感应分量相互叠加，初次级线圈耦合系数＞0.5。 

4.根据权利要求1的电磁耦合器和根据权利要求2；其特征还在于当磁芯气隙截面积增加时，次级接受线圈4直径不变，高度增加。 

5.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于次级接受线圈4与初级励磁线圈6同轴，共享同一段主磁路2的磁芯，次级接受线圈4与初级励磁线圈6之间的定位采用圆周定位。 

6.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于主磁路2和7顶端，次级接受线圈4顶端设置一C形隔离圆盘，主磁路2和7磁芯底部设置一C形隔离圆盘。隔离盘材料为电绝缘抗磁体或顺磁体材料。 

7.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于为制造方便，主磁路磁芯分为二部分，主磁路2和7，为减少漏磁其组合方式为镶嵌结构。 

8.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于相对于封闭磁力线，磁芯只有一处气隙开口(除初级励磁线圈6导线入口外)。 

9.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于对应于磁芯气隙磁路部分的次级接收线圈骨架及保护层材料5可以是导磁材料，用作减小气隙宽度，作为整个主磁路2和7磁芯磁路结构的一个组成部分。 

10.根据权利要求1的电磁耦合器，其特征还在于分离出主磁路2和7顶端的C形隔离圆盘的中心部分与次级接收线圈4以及次级接收线圈骨架及保护层5构成转子9，在C形隔离圆盘1上加装轴承10后，转子9即次级线圈4即可绕中心轴自由旋转。