沈阳工业大学科研团队提出了新的旋转式松耦和变压器
为了提高旋转变压器的耦合性能，降低铁芯的尺寸，沈阳工业大学教育部特种电机和高压电器重点实验室的研究人员冯超、张艳丽、任子燕、张殿海和齐艳丽在2022年《电工技术杂志》增刊1上发布了一份文件，提出了一种新型旋转松耦合变压器，采用纳米晶带作为铁芯材料，用于旋转设备的电源。
引文作者:上海盖能电气市场部（专注干式变压器30年）电话：189 1886 3098（微信同号）
基于电磁耦合理论，无线电能传输技术通过一、二次侧分离的变压器结构，实现从供电侧到负荷侧的无物理连接电能传输，解决了传统触摸供电方式在安全性、灵活性、方便性等方面存在的问题。目前，无线电传输技术广泛应用于电动汽车、便携式电子产品、物理医疗、水下电源等诸多领域。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旋转轴上的电气设备供电，禁止原有的物理连接，防止接触损耗、机械磨损等问题，使能量传输系统更加安全、可靠、方便。
2014年，德国学者A.Abdolkhani提出了多相同轴的非接触式集电环系统。该系统的固定转子由同轴排列的环形铁氧体材料的铁芯组成，转子铁芯覆盖在旋转轴上。第一个和第二个绕组是多个线圈，它们缠绕在环形固定转子铁芯上，将电能传递给安装在轴上的旋转电气负载。同年，提出了双定子非接触式集电环系统，用于将电能传递到旋转负载。该结构有两个固定绕组和一个夹在其中的单个旋转绕组。定子绕组上有多个U形铁氧体材料的铁芯套，大大提高了系统的耦合系数和传输效率。
2015年，一些学者提出了一种新型的非接触式同步电机转子励磁系统，铁芯选择了软磁铁氧体材料的罐式结构，并提出了相邻式和嵌套式两种绕组结构。通过样品试验，验证了非接触式变压器在相对高速运行时可以进行能量传输。2019年，一些学者提出了印刷电路板，以提高耦合系数（PrintedCircuitBoard,PCB）利兹线绕组被绕组取代，铁芯是软磁铁氧体材料的罐体结构，模拟改进前后的松耦变压器，确定改进结构的可行性。
综上所述，德国学者提出的旋转变压器结构过于复杂，而罐式铁芯结构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传输中，关键部件旋转松耦合变压器在高频鼓励下工作，铁芯材料通常采用软磁氧体，铁芯一般为罐式结构。软磁氧体具有中高频损耗小、矫顽力小、磁导率高、电阻高的特点。近年来，随着高频磁性材料研发技术的不断完善，纳米晶体合金逐渐应用于高频变压器，因为它具有较低的高频损耗。与软磁氧体相比，纳米晶体合金具有较小的高频消耗、较小的矫顽力、饱和磁感应强度、较高的磁导率和电阻。
沈阳理工大学教育部特种电机和高压电气重点实验室研究人员试图选择纳米晶体合金作为旋转松耦合变压器铁芯材料，考虑到纳米晶体属于带材料，普通罐铁芯结构难以实现，因此提出了一种新的铁芯结构旋转松耦合变压器。首先，基于目前实验室的高频磁性特性检测系统，对正弦波和方波鼓励的软磁体氧体和纳米晶体材料的磁性特性和损耗进行了检测和阐述。尝试选择纳米晶体带代替小铁氧体作为旋转松耦合变压器铁芯材料。由于铁芯材料形状的变化，传统的罐旋转松耦合变压器结构不再适用于纳米晶体铁芯，并制定了特殊的铁芯结构和两个绕组结构。为防止磁性泄漏影响旋转轴上的负载，定制的铁芯结构位于一侧，不作为旋转部件。
研究人员指出，铁芯结构沿电机轴向旋转对称，罐铁芯没有固有间隙，可以保证每次运行时具有相同的磁通密度分布。为了解决部分漏磁通过轴和轴感应涡流的问题，可能会加热轴，并逐渐对系统造成更多的损坏，因此他们制定了一个金属铝转子，覆盖在旋转设备的旋转轴上。
同时，材料为金属铝壳（定子）固定在旋转设备座椅部分，定子发挥固定铁芯和绕组的效果，转子形成相对封闭的空间，可发挥屏蔽磁场的作用，防止旋转松耦合变压器泄漏影响外部设备工作，也可提高旋转松耦合变压器的传输效率。
此外，旋转式松耦变压器是旋转式无线电能传输系统的重要组成部分。由于系统转速高，为了防止系统运行过程中因接触和摩擦造成的安全隐患，这种铁芯结构在转子上没有由纳米晶体材料制成的铁芯，实现了制造过程简单，结构稳定，机械装配方便。
研究人员最终模拟了新的旋转松耦合变压器，并分析了其耦合系数和铁芯损耗。研究发现，纳米晶体铁芯结构和相应的绕组结构在提高耦合性能和减少铁芯损耗方面具有一定的优势，为提高旋转松耦合变压器的性能带来了新的思路。
文章来源：电工技术学报
