CN106504870A - 副边绕组分布式绕制的径向多通道非接触滑环 - Google Patents

Abstract

本发明的一种副边绕组分布式绕制的径向多通道非接触滑环，主要包括中轴、屏蔽层和多通道滑环，多通道滑环包括原边单元和副边单元，原边单元与副边单元之间留有气隙，副边单元的每个通道的磁芯窗口中放置N匝绕组，N取≥2的整数，副边绕组绕制时，分别从每个通道中选择M匝绕组，M取1≤M< N范围内整数，按内外顺序依次串联形成一路输出，如此形成分布式绕制的多路输出，当N为奇数时，M取1；当N为偶数时，M可取N的约数；如此形成N/M路输出，输出路数可通过M进行灵活调整。通过改变非接触滑环副边的多匝绕组的绕制方式，即变集中绕制为分布式绕制，使得多路输出的电感、耦合系数基本相等，输出特性基本一致。适用于轴向空间有限，而径向空间较大的非接触供电场合。

Description

副边绕组分布式绕制的径向多通道非接触滑环

技术领域

本发明涉及一种多通道非接触无线供电装置，适用于对旋转部件、机器关节、速度转台等旋转场合的非接触电能传输，属于变压器或电能变换领域。

背景技术

传统的机械滑环被广泛应用于一些需要向旋转体供电的特殊场合，比如风力发电变浆距系统、机器人关节系统、发电机励磁系统、矿井油田探测系统、CT医疗系统等场合。但是由于机械滑环固有的机械摩损，需要定期维护或者更换电刷套件，增加了运行成本。而在航空航天等特殊领域，频繁的维护与更换是不现实的。同时，传统的接触式供电系统由于摩擦和裸露导体，容易产生接触火花，在矿井油田等易燃易爆场合存在很大的安全隐患。

早在19世纪70年代，E.E.Landsman, “Rotary Transformer Design” Proc.Power Conditioning, pp. 139-152,1970提出一种基于电磁感应技术的非接触滑环，应用于太阳能阵列驱动装置（SADA），使能量通过无线的方式从旋转的太阳能电池板传递给卫星。由于非接触供电系统的供电侧和受电侧没有物理连接，克服了传统的接触式供电系统的缺点而得到广泛研究和应用。自此，非接触滑环的研究与开发得以重视，新的非接触滑环结构不断被提出。

非接触滑环本质上就是一种特殊的变压器，区别于传统变压器的是其原边与副边之间有一定的气隙，原边与副边之间可以相对自由运动。但是，原边磁芯与副边磁芯之间的气隙使得变压器主磁路的磁阻增加，原边与副边之间的互感减小，漏感增加，原边的能量不能很好的传递到副边。相对传统的变压器，单个的非接触滑环传递的能量有限，不能满足一些需要传递大功率能量的场合需要。因此，多通道的非接触供电系统得以提出。另外，在航空航天等特殊领域，多通道的非接触供电系统有助于提高系统的冗余度。

多通道非接触滑环主要有两种结构，一种是轴向排列多通道结构，一种是径向排列多通道结构，两种结构的绕组都采用集中绕制方式。轴向排列多通道结构是将多个单通道非接触滑环沿着轴向排列，各单通道滑环结构完全相同。整个滑环的直径与单通道滑环相等，但是其轴向长度随着通道数的增加而变大。径向排列多通道结构是指将多个单通道非接触滑环沿着径向排列（内、外环设置），各单通道滑环结构相似，原、副边对应位置的磁芯的轴向及径向长度相等，但外环单通道半径大，内环单通道半径小，整个滑环的轴向长度与单通道滑环相等，而半径随着通道数的增加而变大。因此，轴向排列多通道结构适用于轴向空间较大而径向空间受限的场合；径向排列多通道结构适用于轴向空间受限而径向空间较大的场合。

轴向排列多通道结构的各单通道滑环结构完全相同，电感、耦合系数等特性基本没有差异；对于径向排列多通道结构，相对内环单通道滑环而言，外环单通道滑环的半径较大，在磁芯的轴向及径向长度相等的情况下，外环的主磁路截面积远大于内环，导致外环的主磁路的磁阻小于内环，从而使得外环的电感、耦合系数等参数大于内环。如何减小副边单元各路输出之间的特性差异，尽量使得电感、耦合系数等相等，成为径向排列多通道结构得以广泛推广应用的关键。

发明内容

本发明的目的是为了改进上述径向排列多通道非接触滑环绕组的绕制方法，设计一种副边绕组分布式绕制的径向多通道非接触滑环，以改善各单通道滑环输出之间存在的特性差异；同时，输出路数可根据需要进行灵活调整；而传统的多通道滑环，输出路数只能等于通道数。

本发明的具体技术方案如下：

一种副边绕组分布式绕制的径向多通道非接触滑环，主要包括中轴、屏蔽层和多通道滑环，多通道滑环包括原边单元和副边单元，原边单元与副边单元之间留有气隙，副边单元的每个通道的磁芯窗口中放置N匝绕组，N取≥2的整数，副边绕组绕制时，分别从每个通道中选择M匝绕组，M取1≤M<N范围内整数，副边绕组绕制时，分别从每个通道中选择M匝绕组，1≤M<N，按内外顺序依次串联形成一路输出，如此形成分布式绕制的多路输出，当N为奇数时，M取1；当N为偶数时，M可取N的约数。如此形成N/M路输出，输出路数可通过M进行灵活调整。

（N,M可根据实际需要进行选择）

本发明的进一步设计在于：

采用三通道滑环，副边单元每个通道的磁芯窗口中各设有六匝绕组，绕制时三个通道中各选二匝绕组相串联，组合形成一路输出，如此形成三路输出。

采用三通道滑环，副边单元每个通道的磁芯窗口中各设有六匝绕组，绕制时三个通道中各选三匝绕组相串联，组合形成一路输出，如此形成二路输出。

采用双通道滑环，副边单元两个通道的磁芯窗口中各设有两匝绕组，绕制进内环通道的一匝绕组与外环通道的一匝绕组相串联，组合形成一路输出，内环通道的另一匝绕组与外环通道的另一匝绕组相串联，组合形成另一路输出。

原边单元作为非接触滑环的供电侧，副边单元作为非接触滑环的受电侧；其中供电侧旋转，或受电侧旋转。

原边磁芯和/或副边磁芯采用完整磁芯结构或分立磁芯拼装式结构。

原、副边磁芯选用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金材料；原、副边绕组的导线选用实心导线、Litz线、铜箔或者PCB绕组。

本发明与现有的径向多通道滑环相比的主要技术特点：

1、本发明通过改变非接触滑环副边的多匝绕组的绕制方式，即变集中绕制为分布式绕制，使得副边单元各路输出之间的电感、耦合系数基本相等，输出特性一致。

2、本发明以径向排列两通道非接触滑环为例，其副边绕组采用分布式绕制方式，使得两路输出的电感、耦合系数基本相等。

3、本发明通过采用副边绕组分布式绕制方式，使得副边形成N/M（N为每个通道内绕组匝数，M为从每个通道取出的匝数）路输出，N确定的情况下，输出路数可通过M进行灵活调整；而传统的非接触多通道滑环，输出路数只能等于通道数。

附图说明

附图1是本发明径向两通道非接触滑环三维立体截面图。

图中：101-（外环通道）原边磁芯；102-（内环通道）原边磁芯；103-（外环通道）副边磁芯；104-（内环通道）副边磁芯；105-（外环通道）原边绕组；106-（内环通道）原边绕组；107-（外环通道半径较大）副边绕组；108-（外环通道半径较小）副边绕组；109-（内环通道半径较大）副边绕组；110-（内环通道半径较小）副边绕组；111-中轴；112-铝屏蔽层；113-（原边单元与副边单元之间）气隙。其中，101与103构成的外环通道的主磁路截面积较大，磁阻较小；102与104构成的内环通道的主磁路截面积较小，磁阻较大。

附图2是原、副边磁芯和绕组的组装示意图。

附图3是本发明绕组分布式绕制的径向两通道非接触滑环的轴向截面尺寸图。

具体实施方式

附图非限制性公开了本发明的一个具体实施实例，结合附图对本发明作进一步描述如下。

实施例一：

功能MT4。本发明副边绕组分布式绕制的径向三通道非接触滑环，主要包括中轴、屏蔽层和三通道滑环，三通道滑环分别包括原边单元和副边单元。副边单元中，每个通道的磁芯窗口中放置6匝绕组，从每个通道的磁芯窗口内选择2匝（或3匝）绕组依次串联形成一路输出，如此形成3路输出（或2路输出）。

实施例二：

功能MT4。本发明副边绕组分布式绕制的径向三通道非接触滑环，主要包括中轴、屏蔽层和三通道滑环，三通道滑环分别包括原边单元和副边单元。副边单元中，每个通道的磁芯窗口中放置5匝绕组，从每个通道的磁芯窗口内选择1匝绕组依次串联形成一路输出，如此形成5路输出。

实施例三：

如图1所示，本发明径向两通道非接触滑环其原副边磁芯分别由分立的磁芯拼装而成，其内环通道和外环通道的轴向截面完全一致。附图1中，本发明径向两通道非接触滑环包括内环通道和外环通道，内外两个通道同轴环绕中轴111及铝屏蔽层112。径向两通道非接触滑环包括原边单元和副边单元，原边单元和副边单元之间留有气隙113。

外环通道（也称第一通道）的原边单元包括原边磁芯101和绕制在原边磁芯上的原边绕组105；外环通道的副边单元包括副边磁芯103和绕制在副边磁芯上的副边绕组107和108。内环通道（也称第二通道）的原边单元包括原边磁芯102和绕制在原边磁芯上的原边绕组106，内环通道的副边单元包括副边磁芯104和绕制在副边磁芯上的副边绕组109和110。

原边绕组105和106采用集中绕制方式，副边绕组107，108，109和110采用分布绕制方式。副边绕组采用分布绕制方式，即副边绕组107和110串联组成第一路输出，副边绕组108和109串联组成第二路输出，附图1所示的结构就是本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环。

本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的组装示意图如图2所示。

实施例四：

传统结构：原副边磁芯和绕组可参考附图1，原边绕组105和106采用集中绕制方式，副边绕组107，108，109和110采用集中绕制方式，外环为称第一通道，内环称第二通道。副边绕组采用集中绕制方式时，副边绕组107和108串联组成第一路输出，副边绕组109和110串联组成第二路输出时，可得到传统的径向两通道非接触滑环。

测试实例：

威者丈整磁芯结构或分立磁芯拼装式结构参见附图3，是本发明的实施例三的绕组分布式绕制的径向两通道非接触滑环的轴向截面尺寸图。具体设计尺寸为：滑环外径为190mm，高26mm，原边单元与副边单元的气隙间距为10mm，中轴直径为62mm，铝屏蔽层外径为78mm，厚度为5mm，磁芯厚度为5mm。单个通道的原边绕组匝数设为1匝，单个通道的副边绕组匝数设为2匝。仿真环境为：静磁场仿真，磁芯材料为铁氧体，原边绕组的励磁电流为10A，频率为60kHz，副边绕组开路。

同样，实施例四的传统的径向两通道非接触滑环也采用上述尺寸设计，作为对比。测试数据如下：

参见表1，2，3，4，是传统的径向两通道非接触滑环与本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环Ansoft 3D仿真得到的电感参数及耦合系数，电感的单位为μH。其中，表1是传统的径向两通道非接触滑环的互感和自感，表2是传统的径向两通道非接触滑环的耦合系数，表3是本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的互感和自感，表4是本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的耦合系数。

表1：传统的径向两通道非接触滑环的互感和自感

互感/自感	原边105,106	第一通道107,108	第二通道109,110
				原边105,106	1.2237	0.80172	0.3832
第一通道107,108	0.80172	4.4646	-1.3508
				第二通道109,110	0.3832	-1.3508	3.1489

表2：传统的径向两通道非接触滑环的耦合系数

耦合系数	原边105,106	第一通道107,108	第二通道109,110
				原边105,106	1	0.343	0.19521
第一通道107,108	0.343	1	-0.36239
				第二通道109,110	0.19521	-0.36239	1

表3：本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的互感和自感

互感/自感	原边105,106	第一通道107,110	第二通道108,109
				原边105,106	1.2237	0.604	0.58092
第一通道107,110	0.604	1.3599	1.1206
				第二通道108,109	0.58092	1.1206	1.295

表4：本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的耦合系数

耦合系数	原边105,106	第一通道107,108	第二通道109,110
				原边105,106	1	0.46822	0.46148
第一通道107,108	0.46822	1	0.8441
				第二通道109,110	0.46148	0.8441	1

由表1，2可见，传统的径向两通道非接触滑环的副边第一路和第二路的自感分别为4.4646μH 和3.1489μH，原边与第一路和第二路的互感分别为0.80172μH和0.3832μH，耦合系数分别为0.343和0.19521。即，两路输出的自感、与原边的互感和耦合系数不均衡，数值差异较大。

由表3，4可见，本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的副边第一路和第二路的自感分别为1.3599μH 和1.295μH，原边与第一路的和第二路的互感分别为0.604μH和0.58092μH，耦合系数分别为0.46822和0.46148。即，两路输出的自感、与原边的互感和耦合系数均衡，数值基本相等。

综合以上对比分析可见，相比于传统的径向两通道非接触滑环，本发明的绕组分布绕制的径向两通道非接触滑环的两路输出的电感、耦合系数基本相等，输出特性一致。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的权利要求之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种副边绕组分布式绕制的径向多通道非接触滑环，主要包括中轴、屏蔽层和多通道滑环，多通道滑环包括原边单元和副边单元，原边单元与副边单元之间留有气隙，副边单元的每个通道的磁芯窗口中放置N匝绕组，N取≥2的整数，其特征是：副边绕组绕制时，分别从每个通道中选择M匝绕组，M取1≤M< N范围内整数，按内外顺序依次串联形成一路输出，如此形成分布式绕制的多路输出，当N为奇数时，M取1；当N为偶数时，M可取N的约数。

2.根据权利要求1所述多通道非接触滑环，其特征是：采用三通道滑环，副边单元每个通道的磁芯窗口中各设有六匝绕组，绕制时三个通道中各选二匝绕组相串联，组合形成一路输出，如此形成三路输出。

3.根据权利要求1所述多通道非接触滑环，其特征是：采用三通道滑环，副边单元每个通道的磁芯窗口中各设有六匝绕组，绕制时三个通道中各选三匝绕组相串联，组合形成一路输出，如此形成二路输出。

4.根据权利要求1所述多通道非接触滑环，其特征是：采用双通道滑环，副边单元两个通道的磁芯窗口中各设有两匝绕组，绕制进内环通道的一匝绕组与外环通道的一匝绕组相串联，组合形成一路输出，内环通道的另一匝绕组与外环通道的另一匝绕组相串联，组合形成另一路输出。

5.根据权利要求1-4任一所述多通道非接触滑环，其特征是：原边单元作为非接触滑环的供电侧，副边单元作为非接触滑环的受电侧；其中供电侧旋转，或受电侧旋转。

6.根据权利要求5所述多通道非接触滑环，其特征是：原边磁芯和/或副边磁芯采用完整磁芯结构或分立磁芯拼装式结构。

7.根据权利要求6所述多通道非接触滑环，其特征是：原、副边磁芯选用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金材料；原、副边绕组的导线选用实心导线、Litz线、铜箔或者PCB绕组。