一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，它涉及一種能量傳輸系統(tǒng)。本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有同步電機中的非接觸式的能量傳輸系統(tǒng)無法適應電壓的DC-AC-DC這一高頻轉(zhuǎn)變過程，系統(tǒng)中采用的變壓器不適于高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境，耦合系數(shù)低，傳輸率差的問題。本實用新型的磁罐變壓器包括初級磁罐鐵芯、次級磁罐鐵芯、外骨架、內(nèi)骨架、外繞組和內(nèi)繞組，外骨架和內(nèi)骨架均為空心圓柱體，內(nèi)骨架的外壁半徑小于外骨架的內(nèi)壁半徑，外繞組繞制在外骨架的外壁上、內(nèi)繞組繞制在內(nèi)骨架的外壁上，內(nèi)骨架嵌插在外骨架的空腔內(nèi)，嵌插后的內(nèi)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(nèi)。本實用新型安全可靠，操作維護方便。
【專利說明】一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種能量傳輸系統(tǒng)，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(tǒng)，屬于電力電子能量傳輸【技術領域】。

【背景技術】
[0002]同步電機的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中存在高速的旋轉(zhuǎn)磁場，磁罐變壓器作為非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的關鍵部件，為了實現(xiàn)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(shù)提高，傳輸效率也進一步增大。
[0003]目前現(xiàn)有的勵磁電機最大的優(yōu)點是電機與勵磁系統(tǒng)界限明顯，相對獨立，直觀明了，而且轉(zhuǎn)子勵磁繞組勵磁電流、勵磁電壓容易取得，數(shù)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(huán)常常因接觸不良導致發(fā)熱，嚴重時會產(chǎn)生環(huán)火而燒壞刷架和滑環(huán)，并且電刷的質(zhì)量也直接影響到運行穩(wěn)定性，因而故障率較高。同時，電刷在工作過程中經(jīng)常引起較強的高頻電磁干擾，惡化電機系統(tǒng)的電磁環(huán)境，給驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)整流裝置來實現(xiàn)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(nèi)外學者相繼提出了多種實現(xiàn)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(diào)節(jié)困難或不可調(diào)、勵磁電流脈動、低速勵磁效果差、輸出電壓波形偏離正弦、轉(zhuǎn)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(tǒng)的電刷和滑環(huán)實現(xiàn)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(yōu)點，又具有磁通可調(diào)的特點。
[0004]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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)和礦井等特殊場合已經(jīng)成功開始使用，而在同步電機中，非接觸式的能量傳輸系統(tǒng)無法適應電能的DC-AC-DC這一高速轉(zhuǎn)變過程，系統(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有同步電機中的非接觸式的能量傳輸系統(tǒng)無法適應電壓的DC-AC-DC這一高頻轉(zhuǎn)變過程，系統(tǒng)中采用的變壓器不適于高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境、耦合系數(shù)低、傳輸率差的問題。
[0006]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(tǒng)，初級變換部分、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子勵磁繞組；
[0007]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(nèi)骨架、外繞組和內(nèi)繞組，所述初級磁罐鐵芯和次級磁罐鐵芯均為內(nèi)部中空的圓柱體，所述外骨架和內(nèi)骨架均為空心圓柱體，內(nèi)骨架的外壁半徑小于外骨架的內(nèi)壁半徑，所述外繞組繞制在外骨架的外壁上，內(nèi)繞組繞制在內(nèi)骨架的外壁上，所述內(nèi)骨架嵌插在外骨架的空腔內(nèi)，嵌插后的內(nèi)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(nèi)，所述濾波電路包括濾波電感和濾波電容；
[0008]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(nèi)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(lián)整流電感和電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組，所述濾波電容并聯(lián)在電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組的兩端，所述次級磁罐鐵芯與電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組同軸轉(zhuǎn)動。
[0009]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(lián)組成第一半橋，第二開關管和第四開關管串聯(lián)組成第二半橋，串聯(lián)后的第一開關管和第三開關管與串聯(lián)后的第二開關管和第四開關管并聯(lián)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(nèi)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(nèi)繞組的輸入端。
[0010]所述整流橋包括第一二極管和第二二極管，所述外繞組采用中間抽頭方式，第一二極管設在外繞組的正向輸入端，第二二極管設在外繞組的反向輸入端。
[0011]所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管均為開關晶體管，開關晶體管低功耗，耐用，可靠性強。
[0012]本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下效果:本實用新型直流輸入電壓經(jīng)控制器和全橋逆變電路變換為高頻交流電壓，實現(xiàn)DC-AC變換，交流電壓經(jīng)磁罐變壓器升降壓，再經(jīng)整流橋和LC濾波電路，得到直流輸出電壓，實現(xiàn)AC-DC變換，進而給電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組供電，它取代了勵磁系統(tǒng)的電刷和滑環(huán)可以實現(xiàn)真正意義的無刷勵磁，并且變換過程連貫，實現(xiàn)的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下非接觸式能量的傳輸，由于采用嵌套式磁罐變壓器，使本實用新型的初級變換部分和次級變換部分可以分開，供電安全、可靠、操作維護方便，由于磁罐變壓器外部為圓形，次級磁罐鐵心隨著電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組轉(zhuǎn)動時，其磁路幾乎不受任何影響，能夠完全適應配合高速旋轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組的工作，完全杜絕了滑環(huán)和電刷的反復磨損所帶來的缺陷，并且嵌套式磁罐變壓器原副邊繞組的耦合面積較大，在同樣的氣息長度的情況下，嵌套型帶來較小的原邊漏感和較小的副邊漏感，這樣磁場強度較大，耦合系數(shù)較大，傳輸效率也將進一步增大，如圖3所示，嵌套式磁罐變壓器與傳統(tǒng)的磁罐變壓器磁場密度仿真效果對比，可看出嵌套式磁罐變壓器具有更大的磁場密度，分布也更均勻，更適合同步電機高速旋轉(zhuǎn)磁場的勵磁能量傳輸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型的整體結構電路圖；
[0014]圖2是傳統(tǒng)磁罐變壓器結構主視圖；
[0015]圖3使本實用新型中磁罐變壓器器結構主視圖；
[0016]圖4是嵌套型磁罐變壓器與傳統(tǒng)磁罐變壓器磁場密度仿真結果對比圖，左側(cè)為傳統(tǒng)磁罐變壓器磁場密度仿真圖，右側(cè)為嵌套型磁罐變壓器磁場密度仿真圖。
[0017]圖中1、初級變換部分，1-1、控制器，1-2、全橋逆變電路，2、轉(zhuǎn)換部分，2-1、初級磁罐鐵芯，2-2、次級磁罐鐵芯，2-3、外骨架，2-4、內(nèi)骨架，2-5、外繞組，2_6、內(nèi)繞組，3、次級變換部分，3-1、整流橋，3-2、濾波電路，3-2-1、濾波電感，3-2-2、濾波電容，3_3、電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組，4、磁罐鐵芯，5、繞組，6、線圈骨架，V1、第一開關管，V2、第二開關管，V3、第三開關管，V4、第四開關管，D1、第一二極管，D2、第二二極管。

【具體實施方式】
[0018]結合【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的【具體實施方式】:本實施方的一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，初級變換部分1、轉(zhuǎn)換部分2和次級變換部分3，所述初級變換部分包括控制器1-1和全橋逆變電路1-2，轉(zhuǎn)換部分包括嵌套結構變壓器，次級變換部分包括整流橋3-1、濾波電路3-2和電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組3-3 ;
[0019]所述嵌套結構變壓器為磁罐變壓器，包括初級磁罐鐵芯2-1、次級磁罐鐵芯2-2、外骨架2-3、內(nèi)骨架2-4、外繞組2-5和內(nèi)繞組2-6，所述初級磁罐鐵芯2_1和次級磁罐鐵芯2-2均為內(nèi)部中空的圓柱體，所述外骨架2-3和內(nèi)骨架2-4均為空心圓柱體，內(nèi)骨架2-4的外壁半徑小于外骨架2-3的內(nèi)壁半徑，所述外繞組2-5繞制在外骨架2-3的外壁上、內(nèi)繞組2-6繞制在內(nèi)骨架2-4的外壁上，所述內(nèi)骨架2-4嵌插在外骨架2-3的空腔內(nèi)，嵌插后的外骨架2-3和內(nèi)骨架2-4置于初級磁罐鐵芯2-1和次級磁罐鐵芯2-2扣合的空腔內(nèi)，所述濾波電路3-2包括濾波電感3-2-1和濾波電容3-2-2 ；
[0020]所述初級變換部分I的控制器1-1輸出端與全橋逆變電路1-2的控制端建立連接，全橋逆變電路1-2的輸出端與磁罐變壓器的內(nèi)繞組2-6建立連接，磁罐變壓器的外繞組
2-5與整流橋的3-1輸入端建立連接，整流橋3-1的輸出端依次串聯(lián)整流電感3-2-1和電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組3-3，所述濾波電容3-2-2并聯(lián)在電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組3-3的兩端，所述次級磁罐鐵芯2-2與電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組3-3同軸轉(zhuǎn)動。
[0021]所述全橋逆變電路包括第一開關管V1、第二開關管V2、第三開關管V3和第四開關管I V4,第一開關管Vl和第三開關管V3串聯(lián)組成第一半橋，第二開關管V2和第四開關管V4串聯(lián)組成第二半橋，串聯(lián)后的第一開關管Vl和第三開關管V3與串聯(lián)后的第二開關管V2和第四開關管V4并聯(lián)連接，每個開關管的柵極均連接在控制器1-1的輸出端，第一開關管Vl的漏極和第二開關管V2的漏極接入電源，第三開關管V3的源極和第四開關管V4的源極接地，第一開關管Vl和第三開關管V3組成的第一半橋的中點連接內(nèi)繞組2-6的輸出端，第二開關管V2和第四開關管V4組成的第二半橋的中點連接內(nèi)繞組2-6的輸入端。
[0022]所述整流橋3-1包括第一二極管Dl和第二二極管D2，所述外繞組2_5為中間帶抽頭式繞組，第一二極管Dl設在外繞組正向輸入端，第二二極管D2設在外繞組反向輸入端。
[0023]所述第一開關管V1、第二開關管V2、第三開關管V3和第四開關管V4均為開關晶體管。
[0024]所述控制器1-1輸出高頻PWM脈沖信號輪流控制開關管的導通和關斷，一個開關周期內(nèi)，第一半周期第一開關管Vl和第四開關管V4導通，第二開關管V2和第三開關管V3關斷；第二半周期時，第二開關管V2和第三開關管V3導通，第一開關管Vl第四開關管V4關斷。于是直流輸入電壓變換為高頻交流方波電壓，實現(xiàn)DC-AC變換，所述交流方波電壓的頻率由PWM頻率決定，交流方波電壓經(jīng)磁罐變壓器進行升降壓，再經(jīng)整流橋3-1和濾波電路
3-2后，得到直流輸出電壓，實現(xiàn)AC-DC變換，進而對電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組的繞組進行供電。
[0025]所述磁罐變壓器通過精密的機械加工，使得內(nèi)外骨架固定，次級磁罐鐵芯2-2隨同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而有效控制嵌套型磁罐變壓器的徑向運動，避免漏感的增加，進而提高其在高速旋轉(zhuǎn)磁場中的應用。
【權利要求】
1.一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，初級變換部分(1)、轉(zhuǎn)換部分(2)和次級變換部分(3)，其特征在于:所述初級變換部分包括控制器(1-1)和全橋逆變電路(1-2)，轉(zhuǎn)換部分包括嵌套結構變壓器，次級變換部分包括整流橋(3-1)、濾波電路(3-2)和電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組(3-3); 所述嵌套結構變壓器為磁罐變壓器，包括初級磁罐鐵芯(2-1)、次級磁罐鐵芯(2-2)、外骨架(2-3 )、內(nèi)骨架(2-4 )、外繞組(2-5 )和內(nèi)繞組(2-6 )，所述初級磁罐鐵芯(2_1)和次級磁罐鐵芯(2-2)均為內(nèi)部中空的圓柱體，所述外骨架(2-3)和內(nèi)骨架(2-4)均為空心圓柱體，內(nèi)骨架(2-4)的外壁半徑小于外骨架(2-3)的內(nèi)壁半徑，所述外繞組(2-5)繞制在外骨架(2-3)的外壁上，內(nèi)繞組(2-6)繞制在內(nèi)骨架(2-4)的外壁上，所述外繞組(2-5)為中間帶抽頭式繞組，所述內(nèi)骨架(2-4)嵌插在外骨架(2-3)的空腔內(nèi)，嵌插后的外骨架(2-3)和內(nèi)骨架(2-4)置于初級磁罐鐵芯(2-1)和次級磁罐鐵芯(2-2 )扣合的空腔內(nèi)，所述濾波電路(3-2 )包括濾波電感(3-2-1)和濾波電容(3-2-2 )； 所述初級變換部分(1)的控制器(1-1)輸出端與全橋逆變電路(1-2)的控制端建立連接，全橋逆變電路(1-2)的輸出端與磁罐變壓器的內(nèi)繞組(2-6)建立連接，磁罐變壓器的外繞組(2-5)與整流橋的(3-1)輸入端建立連接，整流橋(3-1)的輸出端依次串聯(lián)整流電感(3-2-1)和電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組(3-3)，所述濾波電容(3-2-2)并聯(lián)在電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組(3-3)的兩端，所述次級磁罐鐵芯(2-2)與電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組(3-3)同軸轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權利要求1所述一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述全橋逆變電路包括第一開關管(VI)、第二開關管(V2)、第三開關管(V3)和第四開關管(V4)，第一開關管(VI)和第三開關管(V3)串聯(lián)組成第一半橋，第二開關管(V2)和第四開關管(V4)串聯(lián)組成第二半橋，串聯(lián)后的第一開關管(VI)和第三開關管(V3)與串聯(lián)后的第二開關管(V2)和第四開關管(V4)并聯(lián)連接，每個開關管的柵極均連接在控制器(1-1)的輸出端，第一開關管(VI)的漏極和第二開關管(V2)的漏極接入電源，第三開關管(V3)的源極和第四開關管(V4)的源極接地，第一開關管(VI)和第三開關管(V3)組成的第一半橋的中點連接內(nèi)繞組(2-6)的輸出端，第二開關管(V2)和第四開關管(V4)組成的第二半橋的中點連接內(nèi)繞組(2-6)的輸入端。
3.根據(jù)權利要求2所述一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述整流橋(3-1)包括第一二極管(D1)和第二二極管(D2)，第一二極管(D1)設在外繞組正向輸入端，第二二極管(D2)設在外繞組反向輸入端。
4.根據(jù)權利要求3所述一種基于嵌套結構變壓器的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述第一開關管(VI)、第二開關管(V2)、第三開關管(V3)和第四開關管(V4)均為開關晶體管。
【文檔編號】H02M3/335GK204168145SQ201420688665
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權日:2014年11月18日
【發(fā)明者】劉金鳳, 王旭東, 閆美存, 于勇 申請人:哈爾濱理工大學