沈陽工業大學科研團隊提出了新的旋轉式松耦和變壓器
為了提高旋轉變壓器的耦合性能，降低鐵芯的尺寸，沈陽工業大學教育部特種電機和高壓電器重點實驗室的研究人員馮超、張艷麗、任子燕、張殿海和齊艷麗在2022年《電工技術雜志》增刊1上發布了一份文件，提出了一種新型旋轉松耦合變壓器，采用納米晶帶作為鐵芯材料，用于旋轉設備的電源。
引文作者:上海蓋能電氣市場部（專注干式變壓器30年）電話：189 1886 3098（微信同號）
基于電磁耦合理論，無線電能傳輸技術通過一、二次側分離的變壓器結構，實現從供電側到負荷側的無物理連接電能傳輸，解決了傳統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，無線電傳輸技術廣泛應用于電動汽車、便攜式電子產品、物理醫療、水下電源等諸多領域。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旋轉軸上的電氣設備供電，禁止原有的物理連接，防止接觸損耗、機械磨損等問題，使能量傳輸系統更加安全、可靠、方便。
2014年，德國學者A.Abdolkhani提出了多相同軸的非接觸式集電環系統。該系統的固定轉子由同軸排列的環形鐵氧體材料的鐵芯組成，轉子鐵芯覆蓋在旋轉軸上。第一個和第二個繞組是多個線圈，它們纏繞在環形固定轉子鐵芯上，將電能傳遞給安裝在軸上的旋轉電氣負載。同年，提出了雙定子非接觸式集電環系統，用于將電能傳遞到旋轉負載。該結構有兩個固定繞組和一個夾在其中的單個旋轉繞組。定子繞組上有多個U形鐵氧體材料的鐵芯套，大大提高了系統的耦合系數和傳輸效率。
2015年，一些學者提出了一種新型的非接觸式同步電機轉子勵磁系統，鐵芯選擇了軟磁鐵氧體材料的罐式結構，并提出了相鄰式和嵌套式兩種繞組結構。通過樣品試驗，驗證了非接觸式變壓器在相對高速運行時可以進行能量傳輸。2019年，一些學者提出了印刷電路板，以提高耦合系數（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構，模擬改進前后的松耦變壓器，確定改進結構的可行性。
綜上所述，德國學者提出的旋轉變壓器結構過于復雜，而罐式鐵芯結構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傳輸中，關鍵部件旋轉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，鐵芯一般為罐式結構。軟磁氧體具有中高頻損耗小、矯頑力小、磁導率高、電阻高的特點。近年來，隨著高頻磁性材料研發技術的不斷完善，納米晶體合金逐漸應用于高頻變壓器，因為它具有較低的高頻損耗。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、飽和磁感應強度、較高的磁導率和電阻。
沈陽理工大學教育部特種電機和高壓電氣重點實驗室研究人員試圖選擇納米晶體合金作為旋轉松耦合變壓器鐵芯材料，考慮到納米晶體屬于帶材料，普通罐鐵芯結構難以實現，因此提出了一種新的鐵芯結構旋轉松耦合變壓器。首先，基于目前實驗室的高頻磁性特性檢測系統，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松耦合變壓器鐵芯材料。由于鐵芯材料形狀的變化，傳統的罐旋轉松耦合變壓器結構不再適用于納米晶體鐵芯，并制定了特殊的鐵芯結構和兩個繞組結構。為防止磁性泄漏影響旋轉軸上的負載，定制的鐵芯結構位于一側，不作為旋轉部件。
研究人員指出，鐵芯結構沿電機軸向旋轉對稱，罐鐵芯沒有固有間隙，可以保證每次運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渦流的問題，可能會加熱軸，并逐漸對系統造成更多的損壞，因此他們制定了一個金屬鋁轉子，覆蓋在旋轉設備的旋轉軸上。
同時，材料為金屬鋁殼（定子）固定在旋轉設備座椅部分，定子發揮固定鐵芯和繞組的效果，轉子形成相對封閉的空間，可發揮屏蔽磁場的作用，防止旋轉松耦合變壓器泄漏影響外部設備工作，也可提高旋轉松耦合變壓器的傳輸效率。
此外，旋轉式松耦變壓器是旋轉式無線電能傳輸系統的重要組成部分。由于系統轉速高，為了防止系統運行過程中因接觸和摩擦造成的安全隱患，這種鐵芯結構在轉子上沒有由納米晶體材料制成的鐵芯，實現了制造過程簡單，結構穩定，機械裝配方便。
研究人員最終模擬了新的旋轉松耦合變壓器，并分析了其耦合系數和鐵芯損耗。研究發現，納米晶體鐵芯結構和相應的繞組結構在提高耦合性能和減少鐵芯損耗方面具有一定的優勢，為提高旋轉松耦合變壓器的性能帶來了新的思路。
文章來源：電工技術學報
