CN111968842B - 一种旋转式松耦合变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式松耦合变压器，变压器二次侧包括：固定在旋转轴外表面二次侧壳体，固定在二次侧壳体外表面的两个轴向排列的次级线圈，两个次级线圈反向串联；变压器一次侧包括：套装到变压器二次侧外的一次侧壳体，固定在一次侧壳体内表面的两个轴向排列的初级线圈；两个初级线圈反向串联；两个次级线圈位于两个初级线圈之间，两个次级线圈之间设置第一次级铁心；或者，两个初级线圈位于两个次级线圈之间，两个初级线圈之间设置第一初级铁心；变压器一次侧还包括设置在一次侧壳体内轴向上、下两端的两个第二初级铁心；第一次级铁心、第一初级铁心和第二初级铁心均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

Description

一种旋转式松耦合变压器

技术领域

本发明涉及电励磁领域，尤其是一种旋转式松耦合变压器。

背景技术

向安装在旋转轴上的电气设备(该电气设备随着旋转轴旋转)供电时，通常采用接触式供电的方式，相应的电机中必然存在滑环、电刷这类结构，在电机转子转动的过程中完成供电，虽然达到了向旋转电气设备供电的目的，但也存在着诸多问题。首先，当励磁电流比较大时，电刷和滑环或换向器之间由于相对滑动会产生较大的电火花，二者的温度就会很高，严重时会导致毁坏刷架，且故障率较高；其次，电机在运行过程中电刷势必会受到磨损，这就需要维护人员经常检查电刷的使用情况更换电刷，且电刷磨损产生的碳粉会污染环境、影响维护人员健康、损害电机内部的其他部件、破环电机轴承座的绝缘性，给安全运行带来了隐患；最后，电刷工作时引起的高频电磁干扰会恶化电机系统的电磁环境，影响电机正常运行驱动系统。

为了解决上述电刷与滑环或换向器之间相对滑动所导致的问题，基于电磁耦合原理引入了非接触式无线电能传输的理论，通过一、二次侧分离的变压器结构，实现由供电侧到负载侧无物理连接的电能传输，解决了传统接触供电方式所存在的安全性、灵活度、便利性等方面的弊端和不足，将其应用于旋转轴上的电气设备供电，可以很好的解决滑环、电刷或换向器所带来的弊端。其核心部件是旋转式松耦合变压器，2015年11月20日《中国电机工程学报》第35卷第22期的《相对旋转时非接触式励磁系统磁罐变压器研究》提供了一种磁罐变压器，其一次侧和二次侧铁心均采用的是轴向长度较大的磁罐结构，这会占据较大的轴向长度进而给旋转轴上的电气设备供电带来很大不便。此外，现有的旋转式松耦合变压器一次侧和二次侧的铁心均采用软磁铁氧体材料，由于旋转式松耦合变压器工作在高频激励下，这使得软磁铁氧体材料的损耗较大，矫顽力、饱和磁感应强度、磁导率以及电阻率较小，导致旋转式松耦合变压器的效率较低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种损耗小、能量传输效率高的旋转式松耦合变压器。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种旋转式松耦合变压器，包括：变压器一次侧和设置在旋转轴上的变压器二次侧：

所述变压器二次侧包括：固定在所述旋转轴外表面二次侧壳体，固定在所述二次侧壳体外表面的两个轴向排列的次级线圈，两个所述次级线圈反向串联；

所述变压器一次侧包括：套装到所述变压器二次侧外的一次侧壳体，固定在所述一次侧壳体内表面的两个轴向排列的初级线圈；两个所述初级线圈反向串联；

两个所述次级线圈位于两个所述初级线圈之间，两个次级线圈之间设置第一次级铁心；或者，两个所述初级线圈位于两个所述次级线圈之间，两个所述初级线圈之间设置第一初级铁心；

变压器一次侧还包括设置在所述一次侧壳体内轴向上、下两端的两个第二初级铁心；

所述第一次级铁心、所述第一初级铁心和所述第二初级铁心均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

进一步，两个所述次级线圈和所述第一次级铁心与所述二次侧壳体之间设置第二次级铁心，或者，两个所述次级线圈与所述二次侧壳体之间设置第二次级铁心，所述第二次级铁心由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

进一步，两个所述初级线圈与所述一次侧壳体之间设置所述第三初级铁心，或者，两个所述初级线圈和所述第一初级铁心与所述一次侧壳体之间设置所述第三初级铁心，所述第三初级铁心由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

进一步，所述第三初级铁心的两端分别与两个所述第二初级铁心的端部抵接。

进一步，所述初级线圈、所述第二初级铁心和第三初级铁心均封装于所述一次侧壳体的内表面，或者，所述初级线圈、所述第一初级铁心、所述第二初级铁心和第三初级铁心均封装于所述一次侧壳体的内表面。

进一步，所述次级线圈、所述第一次级铁心和所述第二次级铁心封装到所述二次侧壳体的外表面，或者，所述次级线圈和所述第二次级铁心封装到所述二次侧壳体的外表面。

进一步，所述一次侧壳体内的上、下两端分别设容置槽，所述第二初级铁心容置到所述容置槽中。

进一步，所述一次侧壳体和所述二次侧壳体的材质均为铝。

本发明的旋转式松耦合变压器，通过初级绕组的反向串联，使第一次级铁心或者第一初级铁心的磁密大于其他铁心的磁密，提高旋转式松耦合变压器的耦合系数。该松耦合变压器铁心均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成，由于上述铁心材料具有高饱和磁感应强度、低铁损的特性，而现有的罐式松耦合变压器结构决定了其难以采用上述铁心材料且其铁心上存在固有缺口，影响饱和磁感应强度和耦合系数，因此，本发明的松耦合变压器通过铁心的结构设计，保证任意时刻铁心的磁场密度不会受变压器二次侧旋转的影响，提高了旋转式松耦合变压器的传输性能。此外，本发明的松耦合变压器的结构能够充分利用空间，极大地减小了轴向尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的旋转式松耦合变压器的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的旋转式松耦合变压器的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的旋转式松耦合变压器的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的旋转式松耦合变压器的剖面结构示意图；

图5为松耦合变压器及其等效磁路模型；

图6为松耦合变压器互感模型及其等效电路；

图中：

100、一次侧壳体；101、下壳；102、上壳；103、中壳；110、初级线圈；111、第一初级铁心；112、第二初级铁心；113、第三初级铁心；200、二次侧壳体；210、次级线圈；211、第一次级铁心；212、第二次级铁心；300、旋转轴。

具体实施方式

为清楚地说明本发明的设计思想，下面结合示例对本发明进行说明。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明示例中的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例仅仅是本发明的一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明的中示例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。

在本实施方式的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区别类似的对象，而不能理解为特定的顺序或先后次序，应该理解这样的使用在适当情况下可以互换。

为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供得了旋转式松耦合变压器的一种实施方式，包括：变压器一次侧和设置在旋转轴300上的变压器二次侧：

变压器二次侧包括：固定在旋转轴300外表面二次侧壳体200，固定在二次侧壳体200外表面的两个轴向排列的次级线圈210，两个次级线圈210反向串联；

变压器一次侧包括：套装到变压器二次侧外的一次侧壳体100，其中，本实施例中的一次侧壳体100包括下壳101、上壳102和安装在下壳101和上壳102之间的中壳103，固定在一次侧壳体100内表面的两个轴向排列的初级线圈110；两个初级线圈110反向串联；

两个次级线圈210位于两个初级线圈110之间，两个次级线圈210之间设置第一次级铁心211。

变压器一次侧还包括设置在一次侧壳体100内轴向上、下两端的两个第二初级铁心112；

第一次级铁心211和第二初级铁心112均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

如图1-2所示，变压器一次侧为旋转式松耦合变压器的固定部分，变压器的二次侧为旋转式松耦合变压器的旋转部分，工作时，向反向串联的两个初级线圈110的引出端上施加高频交流电，发生电磁感应现象，产生的磁场经过第二初级铁心112、气隙和第一次级铁心211，在两个反向串联的次级线圈210中感应出交变电压，该交变电压经过整流稳压系统(随旋转轴旋转)后，用于给旋转轴上的电气设备供电，实现无物理连接的能量传递。

在本实施例中，两个次级线圈210和第一次级铁心211与二次侧壳体200之间设置第二次级铁心212，第二次级铁心212由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。第二次级铁心212的设置可以增加松耦合变压器的磁路面积，减少漏磁。优选地，两个初级线圈110与一次侧壳体100之间设置第三初级铁心113，第三初级铁心113由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。其中，第三初级铁心113的两端可以分别与两个第二初级铁心112的端部抵接。第三初级铁心113的设置可以进一步增加松耦合变压器的磁路面积，减少漏磁。

初级线圈110、第二初级铁心112和第三初级铁心113均封装于一次侧壳体的内表面。次级线圈210、第一次级铁心211和第二次级铁心212封装到二次侧壳体的外表面。上述封装均采用高强度有机材料。

如图2为本实施例的旋转式松耦合变压器的半剖结构示意图，一次侧壳体100内的上、下两端分别设容置槽，第二初级铁心112容置到容置槽中。这样能够使本实施例的松耦合变压器结构紧凑，减小气隙的长度。

本实施例中，一次侧壳体100和二次侧壳体200的材质均为铝。采用材料为铝的壳体，能够解决漏磁通影响旋转轴上电气设备正常工作的问题和部分漏磁通穿过轴并在轴中感应出涡流而以热的形式加热轴的问题，起到了磁屏蔽的作用。

本实施例中的旋转式松耦合变压器，旋转式松耦合变压器的变压器一次侧有上下两层初级线圈110，根据Halbach阵列的原理，将两个初级线圈110反向串联，合理安排其通电方向，第一次级铁心211的磁密会大于其他铁心的磁密，提高了旋转式松耦合变压器的耦合系数。该松耦合变压器铁心均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成，由于上述铁心材料具有高饱和磁感应强度、低铁损的特性，而现有的罐式松耦合变压器结构决定了其难以采用上述铁心材料且其铁心上存在固有缺口，影响饱和磁感应强度和耦合系数，因此，本发明的松耦合变压器通过铁心的结构设计，保证任意时刻铁心的磁场密度不会受变压器二次侧旋转的影响，提高了旋转式松耦合变压器的传输性能。此外，本实施例中的旋转式松耦合变压器的结构能够充分利用空间，极大地减小了轴向尺寸。

实施例2

如图3-4所示，本实施例提供得了旋转式松耦合变压器的另一实施方式，包括：变压器一次侧和设置在旋转轴300上的变压器二次侧：

变压器二次侧包括：固定在旋转轴300外表面二次侧壳体200，固定在二次侧壳体200外表面的两个轴向排列的次级线圈210，两个次级线圈210反向串联；

变压器一次侧包括：套装到变压器二次侧外的一次侧壳体100，其中，本实施例中的一次侧壳体100包括下壳101、上壳102和安装在下壳101和上壳102之间的中壳103，固定在一次侧壳体100内表面的两个轴向排列的初级线圈110；两个初级线圈110反向串联；

两个初级线圈110位于两个次级线圈210之间，两个初级线圈110之间设置第一初级铁心111。

变压器一次侧还包括设置在一次侧壳体100内轴向上、下两端的两个第二初级铁心112；

第一初级铁心111和第二初级铁心112均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

如图3-4所示，变压器一次侧为旋转式松耦合变压器的固定部分，变压器的二次侧为旋转式松耦合变压器的旋转部分，工作时，向反向串联的两个初级线圈110的引出端上施加高频交流电，发生电磁感应现象，产生的磁场经过第一初级铁心111、气隙和第二初级铁心112，在两个反向串联的次级线圈210中感应出交变电压，该交变电压经过整流稳压系统(随旋转轴旋转)后，用于给旋转轴上的电气设备供电，实现无物理连接的能量传递。

在本实施例中，两个次级线圈210与二次侧壳体200之间设置第二次级铁心212，第二次级铁心212由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。第二次级铁心212的设置可以增加松耦合变压器的磁路面积，减少漏磁。优选地，两个初级线圈110和第一初级铁心111与一次侧壳体100之间可以设置第三初级铁心113，第三初级铁心113由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。其中，第三初级铁心113的两端可以分别与两个第二初级铁心112的端部抵接。第三初级铁心113的设置可以进一步增加松耦合变压器的磁路面积，减少漏磁。

初级线圈110、第一初级铁心111、第二初级铁心112和第三初级铁心113均封装于一次侧壳体的内表面。次级线圈210和第二次级铁心212封装到二次侧壳体的外表面。上述封装均采用高强度有机材料。

如图4为本实施例的旋转式松耦合变压器的半剖结构示意图，一次侧壳体100内的上、下两端分别设容置槽，第二初级铁心112容置到容置槽中。这样能够使本实施例的松耦合变压器结构紧凑，减小气隙的长度。

本实施例中，一次侧壳体100和二次侧壳体200的材质均为铝。采用材料为铝的壳体，能够解决漏磁通影响旋转轴上电气设备正常工作的问题和部分漏磁通穿过轴并在轴中感应出涡流而以热的形式加热轴的问题，起到了磁屏蔽的作用。

本实施例中的旋转式松耦合变压器，旋转式松耦合变压器的变压器一次侧有上下两层初级线圈110，根据Halbach阵列的原理，将两个初级线圈110反向串联，合理安排其通电方向，第一初级铁心111的磁密会大于其他铁心的磁密，提高了旋转式松耦合变压器的耦合系数。该松耦合变压器铁心均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成，由于上述铁心材料具有高饱和磁感应强度、低铁损的特性，而现有的罐式松耦合变压器结构决定了其难以采用上述铁心材料且其铁心上存在固有缺口，影响饱和磁感应强度和耦合系数，因此，本发明的松耦合变压器通过铁心的结构设计，保证任意时刻铁心的磁场密度不会受变压器二次侧旋转的影响，提高了旋转式松耦合变压器的传输性能。此外，本实施例中的旋转式松耦合变压器的结构能够充分利用空间，极大地减小了轴向尺寸。

需要说明的是，上述实施例中的非晶合金带材可以是铁基非晶合金或钴基非晶合金，以便本发明的旋转式松耦合变压器的铁心能够具有更好的饱和磁感应强度，减小磁路的漏磁。

下面对于本发明的旋转式松耦合变压器提高耦合系数的效果进行示例说明：

参见图5为松耦合变压器及其等效磁路模型，图5中初、次级线圈分别绕在相互分离的铁芯上，流经初、次级线圈的电流分别为i₁和i₂，初、次级线圈两端电压分别为u₁和u₂。其中Φ₁₁与Φ₂₂分别为初、次级线圈电流i₁和i₂产生的与初、次级线圈相交链磁通，Φ_L1与Φ_L2分别为初、次级线圈电流i₁和i₂产生的漏磁通，Φ_m为初、次级线圈经由闭合磁路产生的互感磁通，F₁与F₂分别为初、次级线圈的磁动势，N₁与N₂分别为初、次级线圈的匝数，R_mi为磁路i段的磁阻。

由磁路定律可得初、次级线圈的磁动势为：

F₁＝N₁I₁

F₂＝N₂I₂

初、次级线圈电流产生的总的磁通分别为：

Φ₁＝Φ₁₁+Φ_L1

Φ₂＝Φ₂₂+Φ_L2

与初级线圈和与次级线圈相交链的总磁通分别是：

Φ_1Σ＝Φ₁+Φ₂₂

Φ_2Σ＝Φ₂+Φ₁₁

根据磁路基本定律可知：

式中，N₁和N₂分别代表初、次级线圈匝数；L_s1和L_s2分别表示初、次级线圈的漏电感，且L_s1＝N₁Φ_L1/i₁，L_s2＝N₂Φ_L2/i₂，L_m和i_m分别代表励磁电感和励磁电流，且L_m＝N₁Φ₁₁/i₁＝N₂Φ₂₂/i₂，i_m＝i₁+i₂N₂/N₁。

令M表示初、次级线圈之间的互感，则有

则

式中，L₁＝N₁Φ₁/i₁，L₂＝N₂Φ₂/i₂分别表示松耦合变压器初、次级线圈自感。

在感应耦合系统中，定义耦合系数k来描述两个线圈的电磁耦合松紧程度，即表示两个线圈的互感磁通链与自感磁通链的比值，其定义为：

式中，ψ＝NΦ，ψ₁₁与ψ₂₁分别代表初级电流与初级线圈交链的自感磁链及与次级线圈交链的互感磁链，ψ₂₂与ψ₁₂分别代表次级电流与次级线圈交链的自感磁链及与初级线圈交链的互感磁链，进而可得耦合系数k：

参见图6为松耦合变压器互感模型及其等效电路，图6中采用电流控制的电压源表示变压器的一、二次侧的初级线圈和次级线圈中的互感电压作用，其中U_S为输入的正弦电源电压，L₁与L₂分别为一次侧绕组与二次侧绕组自感，M为两侧的绕组之间的互感，R₁与R₂分别为一次侧绕组与二次侧绕组内阻，R_L为二次侧所带负载。

表示一次侧电流

在二次侧感应的电压值，

表示二次侧电流

在一次测感应的电压值。

在图6中的等效电路中，根据基尔霍夫电压定律，可得：

为了方便表示，令Z₁＝R₁+jωL₁，Z₂＝R₂+R_L+jωL₂；

得到一次侧和二次侧的电流表达式：

可以用假设串联电容的方法暂时忽略复数部分，由此计算输入功率P₁和输出功率P₂可得：

通过上述计算可知，变压器一次侧输入功率和变压器二次侧输出功率与初级线圈和次级线圈的互感，系统内阻，工作频率，电源电压、负载电阻等因素相关。

由上述两式可得传输效率的表达式：

通过上述计算可知，电能的传输效率随着频率的增大而提高，影响旋转式松耦合变压器传输效率的因素与影响输入、输出功率的因素大致相同。若不忽略复数部分，采用映射电压的形式来描述，可以得到另一个关于旋转式松耦合变压器效率的表达式：

由上式可以得出：η∝k，在旋转式松耦合变压器中，效率的大小主要与耦合系数成正比关系，随着耦合系数的增大，效率也会随之增大。

下面对背景技术《相对旋转时非接触式励磁系统磁罐变压器研究》中的第一种磁罐结构的旋转式松耦合变压器和本发明实施例1中的旋转式松耦合变压器进行仿真计算，上述两种松耦合变压器的体积和气隙均相同，得到的结果如下：

	磁罐结构的松耦合变压器	实施例1的旋转式松耦合变压器
			电源电压/V	100	100
电源频率/Hz	50	10
			一次侧自感/μH	316.39	396.93
二次侧自感/μH	316.46	396.71
			互感/μH	282.85	370.94
耦合系数k	0.8939	0.9347

通过上述仿真计算可知，在现有磁罐结构松耦合变压器加载电源频率大于实施例1中频率的情况下，由于电能的传输效率随着频率的增大而提高，其耦合系数仍小于实施例1的旋转式松耦合变压器的耦合系数，因此，在相同电源频率的情况下，实施例1中的旋转式松耦合变压器的传输效率更大。可见，本发明的旋转式松耦合变压器也能够提高能量传输效率。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转式松耦合变压器，包括：变压器一次侧和设置在旋转轴上的变压器二次侧，其特征在于：

所述变压器二次侧包括：固定在所述旋转轴外表面二次侧壳体，固定在所述二次侧壳体外表面的两个轴向排列的次级线圈，两个所述次级线圈反向串联；

所述变压器一次侧包括：套装到所述变压器二次侧外的一次侧壳体，固定在所述一次侧壳体内表面的两个轴向排列的初级线圈；两个所述初级线圈反向串联；

两个所述次级线圈位于两个所述初级线圈之间，两个次级线圈之间设置第一次级铁心；或者，两个所述初级线圈位于两个所述次级线圈之间，两个所述初级线圈之间设置第一初级铁心；

变压器一次侧还包括设置在所述一次侧壳体内轴向上、下两端的两个第二初级铁心；

所述第一次级铁心、所述第一初级铁心和所述第二初级铁心均由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

2.根据权利要求1所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，两个所述次级线圈和所述第一次级铁心与所述二次侧壳体之间设置第二次级铁心，或者，两个所述次级线圈与所述二次侧壳体之间设置第二次级铁心，所述第二次级铁心由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

3.根据权利要求1或2所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，两个所述初级线圈与所述一次侧壳体之间设置第三初级铁心，或者，两个所述初级线圈和所述第一初级铁心与所述一次侧壳体之间设置第三初级铁心，所述第三初级铁心由若干纳米晶软磁合金带材或非晶合金带材叠置而成。

4.根据权利要求3所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，所述第三初级铁心的两端分别与两个所述第二初级铁心的端部抵接。

5.根据权利要求3所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，所述初级线圈、所述第二初级铁心和第三初级铁心均封装于所述一次侧壳体的内表面，或者，所述初级线圈、所述第一初级铁心、所述第二初级铁心和第三初级铁心均封装于所述一次侧壳体的内表面。

6.根据权利要求2所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，所述次级线圈、所述第一次级铁心和所述第二次级铁心封装到所述二次侧壳体的外表面，或者，所述次级线圈和所述第二次级铁心封装到所述二次侧壳体的外表面。

7.根据权利要求1所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，所述一次侧壳体内的上、下两端分别设容置槽，所述第二初级铁心容置到所述容置槽中。

8.根据权利要求1所述的旋转式松耦合变压器，其特征在于，所述一次侧壳体和所述二次侧壳体的材质均为铝。

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