為了提高旋轉(zhuǎn)變壓器的耦合性能，降低鐵芯的尺寸，沈陽工業(yè)大學(xué)教育部特種電機(jī)和高壓電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員馮超、張艷麗、任子燕、張殿海和齊艷麗在2022年《電工技術(shù)雜志》增刊1上發(fā)布了一份文件，提出了一種新型旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器，采用納米晶帶作為鐵芯材料，用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的電源。

引文作者:上海蓋能電氣市場部（專注干式變壓器30年）

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基于電磁耦合理論，無線電能傳輸技術(shù)通過一、二次側(cè)分離的變壓器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從供電側(cè)到負(fù)荷側(cè)的無物理連接電能傳輸，解決了傳統(tǒng)觸摸供電方式在安全性、靈活性、方便性等方面存在的問題。目前，無線電傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于電動汽車、便攜式電子產(chǎn)品、物理醫(yī)療、水下電源等諸多領(lǐng)域。近年來，無線電能傳輸技術(shù)逐漸應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如向電機(jī)勵磁繞組或旋轉(zhuǎn)軸上的電氣設(shè)備供電，禁止原有的物理連接，防止接觸損耗、機(jī)械磨損等問題，使能量傳輸系統(tǒng)更加安全、可靠、方便。

2014年，德國學(xué)者A.Abdolkhani提出了多相同軸的非接觸式集電環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的固定轉(zhuǎn)子由同軸排列的環(huán)形鐵氧體材料的鐵芯組成，轉(zhuǎn)子鐵芯覆蓋在旋轉(zhuǎn)軸上。第一個和第二個繞組是多個線圈，它們纏繞在環(huán)形固定轉(zhuǎn)子鐵芯上，將電能傳遞給安裝在軸上的旋轉(zhuǎn)電氣負(fù)載。同年，提出了雙定子非接觸式集電環(huán)系統(tǒng)，用于將電能傳遞到旋轉(zhuǎn)負(fù)載。該結(jié)構(gòu)有兩個固定繞組和一個夾在其中的單個旋轉(zhuǎn)繞組。定子繞組上有多個U形鐵氧體材料的鐵芯套，大大提高了系統(tǒng)的耦合系數(shù)和傳輸效率。

2015年，一些學(xué)者提出了一種新型的非接觸式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)，鐵芯選擇了軟磁鐵氧體材料的罐式結(jié)構(gòu)，并提出了相鄰式和嵌套式兩種繞組結(jié)構(gòu)。通過樣品試驗(yàn)，驗(yàn)證了非接觸式變壓器在相對高速運(yùn)行時可以進(jìn)行能量傳輸。2019年，一些學(xué)者提出了印刷電路板，以提高耦合系數(shù)（PrintedCircuitBoard,PCB）利茲線繞組被繞組取代，鐵芯是軟磁鐵氧體材料的罐體結(jié)構(gòu)，模擬改進(jìn)前后的松耦變壓器，確定改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可行性。

綜上所述，德國學(xué)者提出的旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而罐式鐵芯結(jié)構(gòu)大大增加了旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸向長度。

目前，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的無線電傳輸中，關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器在高頻鼓勵下工作，鐵芯材料通常采用軟磁氧體，鐵芯一般為罐式結(jié)構(gòu)。軟磁氧體具有中高頻損耗小、矯頑力小、磁導(dǎo)率高、電阻高的特點(diǎn)。近年來，隨著高頻磁性材料研發(fā)技術(shù)的不斷完善，納米晶體合金逐漸應(yīng)用于高頻變壓器，因?yàn)樗哂休^低的高頻損耗。與軟磁氧體相比，納米晶體合金具有較小的高頻消耗、較小的矯頑力、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、較高的磁導(dǎo)率和電阻。

沈陽理工大學(xué)教育部特種電機(jī)和高壓電氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員試圖選擇納米晶體合金作為旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器鐵芯材料，考慮到納米晶體屬于帶材料，普通罐鐵芯結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)，因此提出了一種新的鐵芯結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器。首先，基于目前實(shí)驗(yàn)室的高頻磁性特性檢測系統(tǒng)，對正弦波和方波鼓勵的軟磁體氧體和納米晶體材料的磁性特性和損耗進(jìn)行了檢測和闡述。嘗試選擇納米晶體帶代替小鐵氧體作為旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器鐵芯材料。由于鐵芯材料形狀的變化，傳統(tǒng)的罐旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器結(jié)構(gòu)不再適用于納米晶體鐵芯，并制定了特殊的鐵芯結(jié)構(gòu)和兩個繞組結(jié)構(gòu)。為防止磁性泄漏影響旋轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載，定制的鐵芯結(jié)構(gòu)位于一側(cè)，不作為旋轉(zhuǎn)部件。

研究人員指出，鐵芯結(jié)構(gòu)沿電機(jī)軸向旋轉(zhuǎn)對稱，罐鐵芯沒有固有間隙，可以保證每次運(yùn)行時具有相同的磁通密度分布。為了解決部分漏磁通過軸和軸感應(yīng)渦流的問題，可能會加熱軸，并逐漸對系統(tǒng)造成更多的損壞，因此他們制定了一個金屬鋁轉(zhuǎn)子，覆蓋在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸上。

同時，材料為金屬鋁殼（定子）固定在旋轉(zhuǎn)設(shè)備座椅部分，定子發(fā)揮固定鐵芯和繞組的效果，轉(zhuǎn)子形成相對封閉的空間，可發(fā)揮屏蔽磁場的作用，防止旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器泄漏影響外部設(shè)備工作，也可提高旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器的傳輸效率。

此外，旋轉(zhuǎn)式松耦變壓器是旋轉(zhuǎn)式無線電能傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高，為了防止系統(tǒng)運(yùn)行過程中因接觸和摩擦造成的安全隱患，這種鐵芯結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子上沒有由納米晶體材料制成的鐵芯，實(shí)現(xiàn)了制造過程簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，機(jī)械裝配方便。

研究人員最終模擬了新的旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器，并分析了其耦合系數(shù)和鐵芯損耗。研究發(fā)現(xiàn)，納米晶體鐵芯結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的繞組結(jié)構(gòu)在提高耦合性能和減少鐵芯損耗方面具有一定的優(yōu)勢，為提高旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器的性能帶來了新的思路。

文章來源：電工技術(shù)學(xué)報