[实用新型]一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种能量传输系统，具体涉及一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，属于电力电子能量传输技术领域。

背景技术

同步电机的非接触式能量传输系统中存在高速的旋转磁场，磁罐变压器作为非接触式能量传输系统的关键部件，为了实现高效率的能量传输，其原副边线圈的绕制方式采用同轴嵌套型绕线结构，使得原副边线圈的耦合面积增加，耦合系数提高，传输效率也进一步增大。

目前现有的励磁电机最大的优点是电机与励磁系统界限明显，相对独立，直观明了，而且转子励磁绕组励磁电流、励磁电压容易取得，数值准确，检修方便。但是由于电刷的存在，增加了接触电阻，随着励磁电流的增大，电刷和滑环常常因接触不良导致发热，严重时会产生环火而烧坏刷架和滑环，并且电刷的质量也直接影响到运行稳定性，因而故障率较高。同时，电刷在工作过程中经常引起较强的高频电磁干扰，恶化电机系统的电磁环境，给驱动系统带来严重的电磁干扰。目前同步电机大多是采用交流励磁机和旋转整流装置来实现无刷励磁的，这种无刷励磁技术使得电机结构变得较为复杂，于是国内外学者相继提出了多种实现无刷励磁的结构和方案。从总体来看，目前非接触式同步电机存在的弱点是：首先，尽管有专家考虑省去了轴向的励磁机，但由于增加了附加绕组或附加装置，提高了电机结构的复杂性，附加磁场的存在使铁心的利用率降低，电机的体积重量上升，功率密度下降；其次，由于电磁关系变得复杂，在性能上，这些方案存在以下部分或全部的不足：励磁电流调节困难或不可调、励磁电流脉动、低速励磁效果差、输出电压波形偏离正弦、转矩脉动、效率下降等。利用先进的电力电子技术控制的开关电源取代有刷励磁系统的电刷和滑环实现同步电机的非接触式无刷励磁，可以使电机既具有永磁同步电机效率高的优点，又具有磁通可调的特点。

非接触式的能量传输模式是一种基于电磁感应耦合理论，现代电力电子能量变换技术和控制理论于一体的新型电能传输模式。实现了在供电线路和用电设备之间的非物理连接下的能量传输，从而克服了传统接触供电方式所具有的接触火花、积碳、磨损等一系列缺陷。目前在大功率汽车充电系统和矿井等特殊场合已经成功开始使用，而在同步电机中，非接触式的能量传输系统无法适应电能的DC-AC-DC这一高速转变过程，系统中采用的磁罐变压器的线圈绕制方式主要采用毗连型绕线方式，如图2所示，这种绕制方式原副线圈的耦合面积小，导致耦合系数低，传输效率差，直接降低了同步电机的励磁效果，不适于高频高速旋转。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有同步电机中的非接触式的能量传输系统无法适应电压的DC-AC-DC这一高频转变过程，系统中采用的变压器不适于高速旋转环境、耦合系数低、传输率差的问题。

本实用新型的技术方案是：一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，初级变换部分、转换部分和次级变换部分，所述初级变换部分包括控制器和全桥逆变电路，转换部分包括嵌套结构变压器，次级变换部分包括整流桥、滤波电路和电机转子励磁绕组；

所述嵌套结构变压器为磁罐变压器，包括初级磁罐铁芯、次级磁罐铁芯、外骨架、内骨架、外绕组和内绕组，所述初级磁罐铁芯和次级磁罐铁芯均为内部中空的圆柱体，所述外骨架和内骨架均为空心圆柱体，内骨架的外壁半径小于外骨架的内壁半径，所述外绕组绕制在外骨架的外壁上，内绕组绕制在内骨架的外壁上，所述内骨架嵌插在外骨架的空腔内，嵌插后的内骨架和外骨架置于初次磁罐铁芯和次级磁罐铁芯扣合的空腔内，所述滤波电路包括滤波电感和滤波电容；

所述初级变换部分的控制器输出端与全桥逆变电路的控制端建立连接，全桥逆变电路的输出端与磁罐变压器的内绕组建立连接，磁罐变压器的外绕组与整流桥的输入端建立连接，整流桥的输出端依次串联整流电感和电机转子励磁绕组，所述滤波电容并联在电机转子励磁绕组的两端，所述次级磁罐铁芯与电机转子励磁绕组同轴转动。

所述全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第三开关管串联组成第一半桥，第二开关管和第四开关管串联组成第二半桥，串联后的第一开关管和第三开关管与串联后的第二开关管和第四开关管并联连接，每个开关管的栅极均连接在控制器的输出端，第一开关管的漏极和第二开关管的漏极接入电源，第三开关管的源极和第四开关管的源极接地，第一开关管和第三开关管组成的第一半桥的中点连接内绕组的输出端，第二开关管和第四开关管组成的第二半桥的中点连接内绕组的输入端。