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無(wú)線電能傳輸技術(shù)基于電磁耦合理論，通過一、二次側(cè)分離的變壓器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由供電側(cè)到負(fù)載側(cè)無(wú)物理連接的電能傳輸，解決了傳統(tǒng)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(wú)線電能傳輸技術(shù)在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如電動(dòng)汽車、隨身電子設(shè)備、人體醫(yī)療、水下供電等。近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)逐漸應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如向電機(jī)勵(lì)磁繞組或位于旋轉(zhuǎn)軸上的電氣設(shè)備供電，取締原有的物理連接，避免接觸損耗、機(jī)械磨損等問題，使能量傳輸系統(tǒng)更為安全、可靠、方便。

2014年，德國(guó)學(xué)者A. Abdolkhani提出了多相同軸非接觸集電環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的定轉(zhuǎn)子采用同軸排列的環(huán)狀鐵氧體材料的鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心套在旋轉(zhuǎn)軸上，一、二次繞組為多組線圈分別纏繞在環(huán)狀的定轉(zhuǎn)子鐵心上，將電能傳遞給安裝在軸上的可旋轉(zhuǎn)電氣負(fù)載。同年，提出了雙定子非接觸集電環(huán)系統(tǒng)，用于將電能傳遞到可旋轉(zhuǎn)負(fù)載上。該結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)固定繞組和一個(gè)夾在其間的單個(gè)可旋轉(zhuǎn)繞組，多個(gè)U形鐵氧體材料的鐵心套在定子繞組上，大大提高了系統(tǒng)的耦合系數(shù)和傳輸效率。

2015年，有學(xué)者提出新型的非接觸式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)，鐵心采用軟磁鐵氧體材料的罐式結(jié)構(gòu)，提出相鄰式與嵌套式兩種繞組結(jié)構(gòu)。通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了非接觸變壓器可在相對(duì)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行能量傳輸。2019年，有學(xué)者為提高耦合系數(shù)，對(duì)繞組進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)，對(duì)改進(jìn)前后的松耦合變壓器進(jìn)行仿真分析并確定該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

綜上，德國(guó)學(xué)者提出的旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而罐式鐵心結(jié)構(gòu)又大大增加了旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸向長(zhǎng)度。

目前，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的無(wú)線電能傳輸中，核心部件旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器工作在高頻激勵(lì)下，鐵心材料主要采用軟磁鐵氧體，鐵心通常為罐式結(jié)構(gòu)。軟磁鐵氧體具有中高頻損耗小、矯頑力小、磁導(dǎo)率和電阻率較高的特點(diǎn)。近幾年，隨著高頻磁性材料研發(fā)技術(shù)不斷成熟，納米晶合金因具有更低的高頻損耗被逐漸應(yīng)用于高頻變壓器中，相較于軟磁鐵氧體，納米晶合金高頻下?lián)p耗、矯頑力更小，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率以及電阻率更高。

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)教育部特種電機(jī)與高壓電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員嘗試采用納米晶合金作為旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)，因此提出一種新型鐵心結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器。

圖1 該變壓器結(jié)構(gòu)的半剖視圖和三維模型

他們首先基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的高頻磁特性測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試并分析了正弦波和方波激勵(lì)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(zhuǎn)式松耦合變壓器鐵心材料，由于鐵心材料形狀的改變，傳統(tǒng)罐式旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器結(jié)構(gòu)不再適用于納米晶鐵心，設(shè)計(jì)了特殊的鐵心結(jié)構(gòu)和兩種繞組結(jié)構(gòu)。為避免漏磁影響旋轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載，設(shè)計(jì)了用于屏蔽漏磁的外殼，所設(shè)計(jì)的鐵心結(jié)構(gòu)位于一次側(cè)，不作為旋轉(zhuǎn)部件.

研究人員指出，鐵心結(jié)構(gòu)沿電機(jī)軸向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，沒有罐型鐵心的固有缺口，能夠保證運(yùn)行狀態(tài)下每一時(shí)刻具有相同的磁通密度分布。為解決部分漏磁通會(huì)穿過軸并于軸中感應(yīng)出的渦流而以熱的形式產(chǎn)生功率損耗，可能會(huì)加熱軸，并逐漸對(duì)系統(tǒng)造成更多損壞，因此他們?cè)O(shè)計(jì)了材料為金屬鋁的轉(zhuǎn)子，套在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸上。

同時(shí)，材質(zhì)為金屬鋁的外殼（定子）固定于旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的機(jī)座部分，定子起到固定鐵心及一次繞組的作用，并與轉(zhuǎn)子構(gòu)成相對(duì)封閉的空間，能夠起到屏蔽磁場(chǎng)的作用，避免旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器產(chǎn)生的漏磁影響外接設(shè)備的工作，還能提高旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器的傳輸效率。

此外，旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器是旋轉(zhuǎn)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較高，為避免接觸摩擦造成系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全隱患，所提出的這種鐵心結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子上沒有納米晶材料制成的鐵心，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的制造過程、高機(jī)械應(yīng)力部件的穩(wěn)定構(gòu)造以及易于機(jī)械組裝。

科研人員最后對(duì)新型旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器進(jìn)行仿真，分析其耦合系數(shù)和鐵心損耗。研究表明，該納米晶鐵心結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的繞組結(jié)構(gòu)在提升耦合性能、降低鐵心損耗等方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，為旋轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“基于高頻材料特性分析的旋轉(zhuǎn)式松耦合變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。