為了提高旋轉(zhuǎn)變壓器的耦合性能，降低鐵芯的尺寸，沈陽(yáng)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(chǎng)部（專(zhuān)注干式變壓器30年）

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基于電磁耦合理論，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)通過(guò)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(wú)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(wèn)題。目前，無(wú)線(xiàn)電傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、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(lái)，無(wú)線(xiàn)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(wèn)題，使能量傳輸系統(tǒng)更加安全、可靠、方便。

2014年，德國(guó)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(gè)和第二個(gè)繞組是多個(gè)線(xiàn)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(gè)固定繞組和一個(gè)夾在其中的單個(gè)旋轉(zhuǎn)繞組。定子繞組上有多個(gè)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(lì)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(guò)樣品試驗(yàn)，驗(yàn)證了非接觸式變壓器在相對(duì)高速運(yùn)行時(shí)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(xiàn)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(guó)學(xué)者提出的旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)過(guò)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(zhǎng)度。

目前，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)電傳輸中，關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器在高頻鼓勵(lì)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(lái)，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(yáng)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(cè)系統(tǒng)，對(duì)正弦波和方波鼓勵(lì)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(cè)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(gè)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(duì)稱(chēng)，罐鐵芯沒(méi)有固有間隙，可以保證每次運(yùn)行時(shí)具有相同的磁通密度分布。為了解決部分漏磁通過(guò)軸和軸感應(yīng)渦流的問(wèn)題，可能會(huì)加熱軸，并逐漸對(duì)系統(tǒng)造成更多的損壞，因此他們制定了一個(gè)金屬鋁轉(zhuǎn)子，覆蓋在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸上。

同時(shí)，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(duì)封閉的空間，可發(fā)揮屏蔽磁場(chǎng)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(wú)線(xiàn)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(guò)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(méi)有由納米晶體材料制成的鐵芯，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程簡(jiǎn)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(shì)，為提高旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器的性能帶來(lái)了新的思路。

文章來(lái)源：電工技術(shù)學(xué)報(bào)