轴向半截面ll型非接触供电滑环的制作方法

文档序号:9912882阅读:518来源:国知局
轴向半截面ll型非接触供电滑环的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高耦合系数的非接触供电滑环,适用于旋转场合的非接触电能传 输系统,属于变压器或电能变换领域。
【背景技术】
[0002] 传统的接触式供电系统由于摩擦和裸露导体,容易产生接触火花,在矿井、油田等 易燃易爆场合存在很大的安全隐患。非接触供电系统的供电侧和用电侧没有物理连接,克 服了传统的接触式供电系统的缺点而得到广泛研究和应用。其中,应用比较广泛的是电磁 感应式非接触供电技术。电磁感应式非接触供电技术是一种基于电磁感应原理,利用原、gij 边分离的变压器进行无线电能传输的技术。
[0003] 在一些需要向旋转目标供电的场合,机械滑环代替传统的绕线得到了广泛的应 用,但机械滑环的接触片因长期摩擦而导致高故障率,需要长期维护或替换,而这在某些特 殊场合是不现实的。E.E.Landsman, "Rotary Transformer Design"Proc.Power Conditioning,??. 139-152,1970将非接触式滑环应用于太阳能电池板给卫星供电的系统 中。但非接触供电系统目前仍存在效率低,电磁辐射大等缺点。其中,非接触变压器低耦合 系数是影响非接触供电系统高效率的主要因素,Chun-Hung Hu Ching-Mu Chen Ying-Shing Shiao Tung-Jung Chan Tsair-Rong Chen,"Development of a Universal Contactless Charger for Handheld Devices",2008IEEE,IEEE International Symposium on Industrial Electronics,99-104等文章均指出,要提高非接触供电系统效 率,要从两个方面着手,一方面,要合理利用谐振变换器对变压器的漏感或激磁电感进行补 偿,另一方面,要尽可能提高变压器的親合系数。Qianhong Chen, Siu Chung Wong, Chi K.Tse,Xinbo Ruan,"Analysis,Design and Control of a Transcutaneous Power Regulator for Artificial Hearts",IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2009,3(I): 23-31通过损耗测试和分析,指出变压器的损耗,在满载情况下占到非 接触供电系统损耗的70%以上。可见,提高非接触变压器的耦合系数是提高非接触供电系 统的关键。同时,由于非接触供电滑环磁芯气隙的存在,严重的边缘磁通和杂散磁通还会在 金属中轴上产生涡流损耗,使中枢发热,同时,降低系统效率。传统的方案采用铝屏蔽层进 行屏蔽,防止中轴发热,但率屏蔽层安装麻烦,自身也会发热。
[0004] 传统轴向半截面UU型磁芯的非接触供电滑环结构如附图8a所示,其磁芯由两个U 型磁芯面对面构成,其气隙处原副边磁芯之间耦合磁路的有效面积较小,导致主磁路磁阻 较大,耦合系数较小,效率不高。如何在尽量减小体积和重量的情况下,提高非接触供电滑 环的耦合系数成为非接触供电滑环设计的难点。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是为了改进上述非接触供电滑环存在的耦合系数低、中轴涡流损耗 高、系统效率低等缺陷。相对传统非接触滑环,在磁材、铜材用量基本不变的前提下,设计了 一种高耦合系数的新型非接触供电滑环。
[0006] 本发明的具体技术方案如下:
[0007] -种轴向半截面LL型非接触供电滑环,包括原边单元和副边单元,原边单元包括 原边磁芯和绕制在原边磁芯上的原边绕组,副边单元包括副边磁芯和绕制在副边磁芯上的 副边绕组,原边单元和副边单元之间留气隙,原边和副边磁芯径向截面呈环形或多边形,所 述原/副磁芯的轴向半截面呈L型,则副/原磁芯的轴向半截面呈倒L型,且原、副边绕组同轴 分绕位于原、副边磁芯之间。
[0008] 本发明的进一步设计在于:
[0009] 原、副边单元的轴向半截面的L型磁芯和倒L型磁芯组合成非接触式上、下开口的 矩形结构,并在上、下开口位置形成气隙。
[0010]原、副边磁芯在上开口和下开口位置采用直面、斜面、或弧面三种配合方式中进 行两两任意组合,包含:直面-直面组合,直面-斜面组合,直面-弧面组合,斜面-直面组合, 斜面-斜面组合,斜面-弧面组合,弧面-直面组合,弧面-斜面组合,弧面-弧面组合。
[0011] 例如:
[0012] 1)原、副边磁芯上、下开口位置均采用直面配合,形成的气隙均平行于中轴方向, 为直面-直面组合;
[0013] 2)或上开口采用直面配合,形成的气隙均平行于中轴方向,下开口采用斜面配合, 形成的气隙与中轴呈相应夹角,为直面-斜面组合;
[0014] 3)或下开口采用直面配合,形成的气隙均平行于中轴方向,上开口采用斜面配合, 形成的气隙与中轴呈相应夹角,为斜面-直面组合;
[0015] 4)或上、下开口均采用斜面配合,形成的气隙均与中轴呈相应夹角,斜面-斜面组 合。等等)
[0016] 本发明中,轴向半截面LL型原边和/或副边磁芯可沿轴向延伸。(以阻挡磁力线进 入中轴,减小中轴的涡流损耗。进入中轴的磁通相对较弱,延伸的磁芯厚度要求不高,可依 据实际情况调整)。
[0017] 内侧磁芯和绕组作为原边单元,外侧磁芯和绕组作为副边单元;或者外侧磁芯和 绕组作为原边单元,内侧磁芯和绕组作为副边单元;原边单元作为非接触滑环的供电侧,副 边单元作为非接触滑环的受电侧;其中供电侧旋转,或受电侧旋转。
[0018] 本发明中,原边磁芯和/或副边磁芯采用整体式结构或分体拼装式结构。
[0019] 通过多个轴向半截面LL型非接触供电滑环可组合成多通道或多相滑环。
[0020] 原边磁芯和副边磁芯材料采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金材料。
[0021] 原边绕组和副边绕组采用同轴内外绕制、同轴平行绕制或同轴锥形绕制,原边绕 组和副边绕组之间形成绕组气隙。
[0022]原边绕组和副边绕组的导线选用实心导线、Litz线、铜箱或者PCB绕组,原、副边绕 组的匝数相同或不同。
[0023] 本发明与已有非接触供电滑环相比的主要技术特点:
[0024] 第一,通过本发明的磁芯结构,增大了原副边磁芯之间耦合磁路的有效面积,大大 减小了主磁路中的气隙磁阻,减少了边缘磁通量和杂散磁通量,提高了主磁通量;漏磁通磁 路的磁阻略微变大,漏磁通量略微减少;主磁通量的提高及漏磁通量的减小,提高了总磁通 经主磁路闭合的比例,提高了非接触供电滑环的耦合系数。
[0025] 第二,两个气隙缺口非垂直于中轴,边缘磁通和杂散磁通不易进入中轴,并且其中 一个气隙离中轴较远,大大减小了中轴的涡流损耗,改善了中轴发热情况。
【附图说明】
[0026] 附图l(a-b)是本发明的轴向半截面基本LL型非接触供电滑环,其原副边磁芯分别 由完整磁体构成,其径向截面为环形。附图Ia为原、副边拼合后结构示意图;附图Ib为原、副 边磁芯和绕组的组装图,101原边磁芯,102原边绕组,103副边磁芯,104副边绕组。
[0027] 附图2是本发明的轴向半截面基本LL型非接触供电滑环,其原副边磁芯分别由完 整磁体构成,其径向截面为环形。附图2a为原、副边拼合后结构示意图;附图2b为原、副边磁 芯和绕组的组装图,201原边磁芯,202原边绕组,203副边磁芯,204副边绕组。
[0028] 附图3(a_b)是本发明的轴向半截面基本LL型非接触供电滑环,其原副边磁芯分别 由完整磁体构成,其径向截面为六边形。附图3a为原、副边拼合后结构示意图;附图3b为原、 副边磁芯和绕组的组装图,301原边磁芯,302原边绕组,30
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