- 頭條沈陽工業大學科研團隊提出新型旋轉式松耦合變壓器2022-12-26 作者：馮超、張艷麗 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為提高旋轉變壓器耦合性能、減小鐵心尺寸，沈陽工業大學教育部特種電機與高壓電器重點實驗室的研究人員馮超、張艷麗、任自艷、張殿海、綦艷麗，在2022年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種以納米晶帶材為鐵心材料的新型旋轉式松耦合變壓器，用來為旋轉設備供電。
無線電能傳輸技術基于電磁耦合理論，通過一、二次側分離的變壓器結構，實現由供電側到負載側無物理連接的電能傳輸，解決了傳統接觸供電方式在安全性、靈活度、便利性等方面存在的不足。
目前，無線電能傳輸技術在很多領域有著廣泛的應用，如電動汽車、隨身電子設備、人體醫療、水下供電等。近年來，無線電能傳輸技術逐漸應用于旋轉設備，如向電機勵磁繞組或位于旋轉軸上的電氣設備供電，取締原有的物理連接，避免接觸損耗、機械磨損等問題，使能量傳輸系統更為安全、可靠、方便。
2014年，德國學者A. Abdolkhani提出了多相同軸非接觸集電環系統，該系統的定轉子采用同軸排列的環狀鐵氧體材料的鐵心，轉子鐵心套在旋轉軸上，一、二次繞組為多組線圈分別纏繞在環狀的定轉子鐵心上，將電能傳遞給安裝在軸上的可旋轉電氣負載。同年，提出了雙定子非接觸集電環系統，用于將電能傳遞到可旋轉負載上。該結構具有兩個固定繞組和一個夾在其間的單個可旋轉繞組，多個U形鐵氧體材料的鐵心套在定子繞組上，大大提高了系統的耦合系數和傳輸效率。
2015年，有學者提出新型的非接觸式同步電機轉子勵磁系統，鐵心采用軟磁鐵氧體材料的罐式結構，提出相鄰式與嵌套式兩種繞組結構。通過樣機實驗，驗證了非接觸變壓器可在相對高速旋轉時進行能量傳輸。2019年，有學者為提高耦合系數，對繞組進行了改進設計，提出印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）繞組替換利茲線繞組，鐵心為軟磁鐵氧體材料的罐式結構，對改進前后的松耦合變壓器進行仿真分析并確定該優化結構的可行性。
綜上，德國學者提出的旋轉變壓器結構過于復雜，而罐式鐵心結構又大大增加了旋轉設備的軸向長度。
目前，在旋轉設備的無線電能傳輸中，核心部件旋轉式松耦合變壓器工作在高頻激勵下，鐵心材料主要采用軟磁鐵氧體，鐵心通常為罐式結構。軟磁鐵氧體具有中高頻損耗小、矯頑力小、磁導率和電阻率較高的特點。近幾年，隨著高頻磁性材料研發技術不斷成熟，納米晶合金因具有更低的高頻損耗被逐漸應用于高頻變壓器中，相較于軟磁鐵氧體，納米晶合金高頻下損耗、矯頑力更小，飽和磁感應強度、磁導率以及電阻率更高。
沈陽工業大學教育部特種電機與高壓電器重點實驗室的研究人員嘗試采用納米晶合金作為旋轉式松耦合變壓器的鐵心材料，并考慮到納米晶屬于帶材，常見的罐型鐵心結構難以實現，因此提出一種新型鐵心結構的旋轉式松耦合變壓器。
圖1 該變壓器結構的半剖視圖和三維模型
他們首先基于實驗室現有的高頻磁特性測量系統，測試并分析了正弦波和方波激勵下軟磁鐵氧體與納米晶材料的磁特性與損耗。嘗試采用納米晶帶材替代塊狀鐵氧體做旋轉式松耦合變壓器鐵心材料，由于鐵心材料形狀的改變，傳統罐式旋轉式松耦合變壓器結構不再適用于納米晶鐵心，設計了特殊的鐵心結構和兩種繞組結構。為避免漏磁影響旋轉軸上的負載，設計了用于屏蔽漏磁的外殼，所設計的鐵心結構位于一次側，不作為旋轉部件.
研究人員指出，鐵心結構沿電機軸向旋轉對稱，沒有罐型鐵心的固有缺口，能夠保證運行狀態下每一時刻具有相同的磁通密度分布。為解決部分漏磁通會穿過軸并于軸中感應出的渦流而以熱的形式產生功率損耗，可能會加熱軸，并逐漸對系統造成更多損壞，因此他們設計了材料為金屬鋁的轉子，套在旋轉設備的旋轉軸上。
同時，材質為金屬鋁的外殼（定子）固定于旋轉設備中的機座部分，定子起到固定鐵心及一次繞組的作用，并與轉子構成相對封閉的空間，能夠起到屏蔽磁場的作用，避免旋轉式松耦合變壓器產生的漏磁影響外接設備的工作，還能提高旋轉式松耦合變壓器的傳輸效率。
此外，旋轉式松耦合變壓器是旋轉式無線電能傳輸系統的重要組成部分，由于系統轉速較高，為避免接觸摩擦造成系統運行時的安全隱患，所提出的這種鐵心結構在轉子上沒有納米晶材料制成的鐵心，實現了簡單的制造過程、高機械應力部件的穩定構造以及易于機械組裝。
科研人員最后對新型旋轉式松耦合變壓器進行仿真，分析其耦合系數和鐵心損耗。研究表明，該納米晶鐵心結構以及對應的繞組結構在提升耦合性能、降低鐵心損耗等方面體現出一定的優勢，為旋轉式松耦合變壓器的性能提升提供了新思路。
本文編自2022年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“基于高頻材料特性分析的旋轉式松耦合變壓器結構設計”。本課題得到了國家自然科學基金的支持。
