沈阳工业大学科研团队提出新型旋转式松耦合变压器

#头条创作挑战赛#

为提高旋转变压器耦合性能、减小铁心尺寸，沈阳工业大学教育部特种电机与高压电器重点实验室的研究人员冯超、张艳丽、任自艳、张殿海、綦艳丽，在2022年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种以纳米晶带材为铁心材料的新型旋转式松耦合变压器，用来为旋转设备供电。

无线电能传输技术基于电磁耦合理论，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在安全性、灵活度、便利性等方面存在的不足。

目前，无线电能传输技术在很多领域有着广泛的应用，如电动汽车、随身电子设备、人体医疗、水下供电等。近年来，无线电能传输技术逐渐应用于旋转设备，如向电机励磁绕组或位于旋转轴上的电气设备供电，取缔原有的物理连接，避免接触损耗、机械磨损等问题，使能量传输系统更为安全、可靠、方便。

2014年，德国学者A. Abdolkhani提出了多相同轴非接触集电环系统，该系统的定转子采用同轴排列的环状铁氧体材料的铁心，转子铁心套在旋转轴上，一、二次绕组为多组线圈分别缠绕在环状的定转子铁心上，将电能传递给安装在轴上的可旋转电气负载。同年，提出了双定子非接触集电环系统，用于将电能传递到可旋转负载上。该结构具有两个固定绕组和一个夹在其间的单个可旋转绕组，多个U形铁氧体材料的铁心套在定子绕组上，大大提高了系统的耦合系数和传输效率。

2015年，有学者提出新型的非接触式同步电机转子励磁系统，铁心采用软磁铁氧体材料的罐式结构，提出相邻式与嵌套式两种绕组结构。通过样机实验，验证了非接触变压器可在相对高速旋转时进行能量传输。2019年，有学者为提高耦合系数，对绕组进行了改进设计，提出印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）绕组替换利兹线绕组，铁心为软磁铁氧体材料的罐式结构，对改进前后的松耦合变压器进行仿真分析并确定该优化结构的可行性。

综上，德国学者提出的旋转变压器结构过于复杂，而罐式铁心结构又大大增加了旋转设备的轴向长度。

目前，在旋转设备的无线电能传输中，核心部件旋转式松耦合变压器工作在高频激励下，铁心材料主要采用软磁铁氧体，铁心通常为罐式结构。软磁铁氧体具有中高频损耗小、矫顽力小、磁导率和电阻率较高的特点。近几年，随着高频磁性材料研发技术不断成熟，纳米晶合金因具有更低的高频损耗被逐渐应用于高频变压器中，相较于软磁铁氧体，纳米晶合金高频下损耗、矫顽力更小，饱和磁感应强度、磁导率以及电阻率更高。

沈阳工业大学教育部特种电机与高压电器重点实验室的研究人员尝试采用纳米晶合金作为旋转式松耦合变压器的铁心材料，并考虑到纳米晶属于带材，常见的罐型铁心结构难以实现，因此提出一种新型铁心结构的旋转式松耦合变压器。

图1 该变压器结构的半剖视图和三维模型

他们首先基于实验室现有的高频磁特性测量系统，测试并分析了正弦波和方波激励下软磁铁氧体与纳米晶材料的磁特性与损耗。尝试采用纳米晶带材替代块状铁氧体做旋转式松耦合变压器铁心材料，由于铁心材料形状的改变，传统罐式旋转式松耦合变压器结构不再适用于纳米晶铁心，设计了特殊的铁心结构和两种绕组结构。为避免漏磁影响旋转轴上的负载，设计了用于屏蔽漏磁的外壳，所设计的铁心结构位于一次侧，不作为旋转部件.

研究人员指出，铁心结构沿电机轴向旋转对称，没有罐型铁心的固有缺口，能够保证运行状态下每一时刻具有相同的磁通密度分布。为解决部分漏磁通会穿过轴并于轴中感应出的涡流而以热的形式产生功率损耗，可能会加热轴，并逐渐对系统造成更多损坏，因此他们设计了材料为金属铝的转子，套在旋转设备的旋转轴上。

同时，材质为金属铝的外壳（定子）固定于旋转设备中的机座部分，定子起到固定铁心及一次绕组的作用，并与转子构成相对封闭的空间，能够起到屏蔽磁场的作用，避免旋转式松耦合变压器产生的漏磁影响外接设备的工作，还能提高旋转式松耦合变压器的传输效率。

此外，旋转式松耦合变压器是旋转式无线电能传输系统的重要组成部分，由于系统转速较高，为避免接触摩擦造成系统运行时的安全隐患，所提出的这种铁心结构在转子上没有纳米晶材料制成的铁心，实现了简单的制造过程、高机械应力部件的稳定构造以及易于机械组装。

科研人员最后对新型旋转式松耦合变压器进行仿真，分析其耦合系数和铁心损耗。研究表明，该纳米晶铁心结构以及对应的绕组结构在提升耦合性能、降低铁心损耗等方面体现出一定的优势，为旋转式松耦合变压器的性能提升提供了新思路。

本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“基于高频材料特性分析的旋转式松耦合变压器结构设计”。本课题得到了国家自然科学基金的支持。

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