[實用新型]一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統

有效

• 申請號: 201420688665.1
• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN204168145U
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 劉金鳳;王旭東;閆美存;于勇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 榮玲

技術領域

本實用新型涉及一種能量傳輸系統，具體涉及一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統，屬于電力電子能量傳輸技術領域。

背景技術

同步電機的非接觸式能量傳輸系統中存在高速的旋轉磁場，磁罐變壓器作為非接觸式能量傳輸系統的關鍵部件，為了實現高效率的能量傳輸，其原副邊線圈的繞制方式采用同軸嵌套型繞線結構，使得原副邊線圈的耦合面積增加，耦合系數提高，傳輸效率也進一步增大。

目前現有的勵磁電機最大的優點是電機與勵磁系統界限明顯，相對獨立，直觀明了，而且轉子勵磁繞組勵磁電流、勵磁電壓容易取得，數值準確，檢修方便。但是由于電刷的存在，增加了接觸電阻，隨著勵磁電流的增大，電刷和滑環常常因接觸不良導致發熱，嚴重時會產生環火而燒壞刷架和滑環，并且電刷的質量也直接影響到運行穩定性，因而故障率較高。同時，電刷在工作過程中經常引起較強的高頻電磁干擾，惡化電機系統的電磁環境，給驅動系統帶來嚴重的電磁干擾。目前同步電機大多是采用交流勵磁機和旋轉整流裝置來實現無刷勵磁的，這種無刷勵磁技術使得電機結構變得較為復雜，于是國內外學者相繼提出了多種實現無刷勵磁的結構和方案。從總體來看，目前非接觸式同步電機存在的弱點是：首先，盡管有專家考慮省去了軸向的勵磁機，但由于增加了附加繞組或附加裝置，提高了電機結構的復雜性，附加磁場的存在使鐵心的利用率降低，電機的體積重量上升，功率密度下降；其次，由于電磁關系變得復雜，在性能上，這些方案存在以下部分或全部的不足：勵磁電流調節困難或不可調、勵磁電流脈動、低速勵磁效果差、輸出電壓波形偏離正弦、轉矩脈動、效率下降等。利用先進的電力電子技術控制的開關電源取代有刷勵磁系統的電刷和滑環實現同步電機的非接觸式無刷勵磁，可以使電機既具有永磁同步電機效率高的優點，又具有磁通可調的特點。

非接觸式的能量傳輸模式是一種基于電磁感應耦合理論，現代電力電子能量變換技術和控制理論于一體的新型電能傳輸模式。實現了在供電線路和用電設備之間的非物理連接下的能量傳輸，從而克服了傳統接觸供電方式所具有的接觸火花、積碳、磨損等一系列缺陷。目前在大功率汽車充電系統和礦井等特殊場合已經成功開始使用，而在同步電機中，非接觸式的能量傳輸系統無法適應電能的DC-AC-DC這一高速轉變過程，系統中采用的磁罐變壓器的線圈繞制方式主要采用毗連型繞線方式，如圖2所示，這種繞制方式原副線圈的耦合面積小，導致耦合系數低，傳輸效率差，直接降低了同步電機的勵磁效果，不適于高頻高速旋轉。

發明內容

本實用新型的目的是為了解決現有同步電機中的非接觸式的能量傳輸系統無法適應電壓的DC-AC-DC這一高頻轉變過程，系統中采用的變壓器不適于高速旋轉環境、耦合系數低、傳輸率差的問題。

本實用新型的技術方案是：一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統，初級變換部分、轉換部分和次級變換部分，所述初級變換部分包括控制器和全橋逆變電路，轉換部分包括嵌套結構變壓器，次級變換部分包括整流橋、濾波電路和電機轉子勵磁繞組；

所述嵌套結構變壓器為磁罐變壓器，包括初級磁罐鐵芯、次級磁罐鐵芯、外骨架、內骨架、外繞組和內繞組，所述初級磁罐鐵芯和次級磁罐鐵芯均為內部中空的圓柱體，所述外骨架和內骨架均為空心圓柱體，內骨架的外壁半徑小于外骨架的內壁半徑，所述外繞組繞制在外骨架的外壁上，內繞組繞制在內骨架的外壁上，所述內骨架嵌插在外骨架的空腔內，嵌插后的內骨架和外骨架置于初次磁罐鐵芯和次級磁罐鐵芯扣合的空腔內，所述濾波電路包括濾波電感和濾波電容；

所述初級變換部分的控制器輸出端與全橋逆變電路的控制端建立連接，全橋逆變電路的輸出端與磁罐變壓器的內繞組建立連接，磁罐變壓器的外繞組與整流橋的輸入端建立連接，整流橋的輸出端依次串聯整流電感和電機轉子勵磁繞組，所述濾波電容并聯在電機轉子勵磁繞組的兩端，所述次級磁罐鐵芯與電機轉子勵磁繞組同軸轉動。

所述全橋逆變電路包括第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，第一開關管和第三開關管串聯組成第一半橋，第二開關管和第四開關管串聯組成第二半橋，串聯后的第一開關管和第三開關管與串聯后的第二開關管和第四開關管并聯連接，每個開關管的柵極均連接在控制器的輸出端，第一開關管的漏極和第二開關管的漏極接入電源，第三開關管的源極和第四開關管的源極接地，第一開關管和第三開關管組成的第一半橋的中點連接內繞組的輸出端，第二開關管和第四開關管組成的第二半橋的中點連接內繞組的輸入端。