一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统的制作方法
一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统的制作方法
【专利摘要】一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，它涉及一种能量传输系统。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，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，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，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。本实用新型安全可靠，操作维护方便。
【专利说明】一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]所述整流桥包括第一二极管和第二二极管，所述外绕组采用中间抽头方式，第一二极管设在外绕组的正向输入端，第二二极管设在外绕组的反向输入端。
[0011]所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为开关晶体管，开关晶体管低功耗，耐用，可靠性强。
[0012]本实用新型与现有技术相比具有以下效果:本实用新型直流输入电压经控制器和全桥逆变电路变换为高频交流电压，实现DC-AC变换，交流电压经磁罐变压器升降压，再经整流桥和LC滤波电路，得到直流输出电压，实现AC-DC变换，进而给电机转子励磁绕组供电，它取代了励磁系统的电刷和滑环可以实现真正意义的无刷励磁，并且变换过程连贯，实现的高速旋转状态下非接触式能量的传输，由于采用嵌套式磁罐变压器，使本实用新型的初级变换部分和次级变换部分可以分开，供电安全、可靠、操作维护方便，由于磁罐变压器外部为圆形，次级磁罐铁心随着电机转子励磁绕组转动时，其磁路几乎不受任何影响，能够完全适应配合高速旋转的电机转子励磁绕组的工作，完全杜绝了滑环和电刷的反复磨损所带来的缺陷，并且嵌套式磁罐变压器原副边绕组的耦合面积较大，在同样的气息长度的情况下，嵌套型带来较小的原边漏感和较小的副边漏感，这样磁场强度较大，耦合系数较大，传输效率也将进一步增大，如图3所示，嵌套式磁罐变压器与传统的磁罐变压器磁场密度仿真效果对比，可看出嵌套式磁罐变压器具有更大的磁场密度，分布也更均匀，更适合同步电机高速旋转磁场的励磁能量传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的整体结构电路图；
[0014]图2是传统磁罐变压器结构主视图；
[0015]图3使本实用新型中磁罐变压器器结构主视图；
[0016]图4是嵌套型磁罐变压器与传统磁罐变压器磁场密度仿真结果对比图，左侧为传统磁罐变压器磁场密度仿真图，右侧为嵌套型磁罐变压器磁场密度仿真图。
[0017]图中1、初级变换部分，1-1、控制器，1-2、全桥逆变电路，2、转换部分，2-1、初级磁罐铁芯，2-2、次级磁罐铁芯，2-3、外骨架，2-4、内骨架，2-5、外绕组，2_6、内绕组，3、次级变换部分，3-1、整流桥，3-2、滤波电路，3-2-1、滤波电感，3-2-2、滤波电容，3_3、电机转子励磁绕组，4、磁罐铁芯，5、绕组，6、线圈骨架，V1、第一开关管，V2、第二开关管，V3、第三开关管，V4、第四开关管，D1、第一二极管，D2、第二二极管。
【具体实施方式】
[0018]结合【专利附图】
【附图说明】本实用新型的【具体实施方式】:本实施方的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1、转换部分2和次级变换部分3，所述初级变换部分包括控制器1-1和全桥逆变电路1-2，转换部分包括嵌套结构变压器，次级变换部分包括整流桥3-1、滤波电路3-2和电机转子励磁绕组3-3 ;
[0019]所述嵌套结构变压器为磁罐变压器，包括初级磁罐铁芯2-1、次级磁罐铁芯2-2、外骨架2-3、内骨架2-4、外绕组2-5和内绕组2-6，所述初级磁罐铁芯2_1和次级磁罐铁芯2-2均为内部中空的圆柱体，所述外骨架2-3和内骨架2-4均为空心圆柱体，内骨架2-4的外壁半径小于外骨架2-3的内壁半径，所述外绕组2-5绕制在外骨架2-3的外壁上、内绕组2-6绕制在内骨架2-4的外壁上，所述内骨架2-4嵌插在外骨架2-3的空腔内，嵌插后的外骨架2-3和内骨架2-4置于初级磁罐铁芯2-1和次级磁罐铁芯2-2扣合的空腔内，所述滤波电路3-2包括滤波电感3-2-1和滤波电容3-2-2 ；
[0020]所述初级变换部分I的控制器1-1输出端与全桥逆变电路1-2的控制端建立连接，全桥逆变电路1-2的输出端与磁罐变压器的内绕组2-6建立连接，磁罐变压器的外绕组
2-5与整流桥的3-1输入端建立连接，整流桥3-1的输出端依次串联整流电感3-2-1和电机转子励磁绕组3-3，所述滤波电容3-2-2并联在电机转子励磁绕组3-3的两端，所述次级磁罐铁芯2-2与电机转子励磁绕组3-3同轴转动。
[0021]所述全桥逆变电路包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管I V4,第一开关管Vl和第三开关管V3串联组成第一半桥，第二开关管V2和第四开关管V4串联组成第二半桥，串联后的第一开关管Vl和第三开关管V3与串联后的第二开关管V2和第四开关管V4并联连接，每个开关管的栅极均连接在控制器1-1的输出端，第一开关管Vl的漏极和第二开关管V2的漏极接入电源，第三开关管V3的源极和第四开关管V4的源极接地，第一开关管Vl和第三开关管V3组成的第一半桥的中点连接内绕组2-6的输出端，第二开关管V2和第四开关管V4组成的第二半桥的中点连接内绕组2-6的输入端。
[0022]所述整流桥3-1包括第一二极管Dl和第二二极管D2，所述外绕组2_5为中间带抽头式绕组，第一二极管Dl设在外绕组正向输入端，第二二极管D2设在外绕组反向输入端。
[0023]所述第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4均为开关晶体管。
[0024]所述控制器1-1输出高频PWM脉冲信号轮流控制开关管的导通和关断，一个开关周期内，第一半周期第一开关管Vl和第四开关管V4导通，第二开关管V2和第三开关管V3关断；第二半周期时，第二开关管V2和第三开关管V3导通，第一开关管Vl第四开关管V4关断。于是直流输入电压变换为高频交流方波电压，实现DC-AC变换，所述交流方波电压的频率由PWM频率决定，交流方波电压经磁罐变压器进行升降压，再经整流桥3-1和滤波电路
3-2后，得到直流输出电压，实现AC-DC变换，进而对电机转子励磁绕组的绕组进行供电。
[0025]所述磁罐变压器通过精密的机械加工，使得内外骨架固定，次级磁罐铁芯2-2随同步电机转子旋转，从而有效控制嵌套型磁罐变压器的径向运动，避免漏感的增加，进而提高其在高速旋转磁场中的应用。
【权利要求】
1.一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(1)、转换部分(2)和次级变换部分(3)，其特征在于:所述初级变换部分包括控制器(1-1)和全桥逆变电路(1-2)，转换部分包括嵌套结构变压器，次级变换部分包括整流桥(3-1)、滤波电路(3-2)和电机转子励磁绕组(3-3); 所述嵌套结构变压器为磁罐变压器，包括初级磁罐铁芯(2-1)、次级磁罐铁芯(2-2)、外骨架(2-3 )、内骨架(2-4 )、外绕组(2-5 )和内绕组(2-6 )，所述初级磁罐铁芯(2_1)和次级磁罐铁芯(2-2)均为内部中空的圆柱体，所述外骨架(2-3)和内骨架(2-4)均为空心圆柱体，内骨架(2-4)的外壁半径小于外骨架(2-3)的内壁半径，所述外绕组(2-5)绕制在外骨架(2-3)的外壁上，内绕组(2-6)绕制在内骨架(2-4)的外壁上，所述外绕组(2-5)为中间带抽头式绕组，所述内骨架(2-4)嵌插在外骨架(2-3)的空腔内，嵌插后的外骨架(2-3)和内骨架(2-4)置于初级磁罐铁芯(2-1)和次级磁罐铁芯(2-2 )扣合的空腔内，所述滤波电路(3-2 )包括滤波电感(3-2-1)和滤波电容(3-2-2 )； 所述初级变换部分(1)的控制器(1-1)输出端与全桥逆变电路(1-2)的控制端建立连接，全桥逆变电路(1-2)的输出端与磁罐变压器的内绕组(2-6)建立连接，磁罐变压器的外绕组(2-5)与整流桥的(3-1)输入端建立连接，整流桥(3-1)的输出端依次串联整流电感(3-2-1)和电机转子励磁绕组(3-3)，所述滤波电容(3-2-2)并联在电机转子励磁绕组(3-3)的两端，所述次级磁罐铁芯(2-2)与电机转子励磁绕组(3-3)同轴转动。
2.根据权利要求1所述一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，其特征在于:所述全桥逆变电路包括第一开关管(VI)、第二开关管(V2)、第三开关管(V3)和第四开关管(V4)，第一开关管(VI)和第三开关管(V3)串联组成第一半桥，第二开关管(V2)和第四开关管(V4)串联组成第二半桥，串联后的第一开关管(VI)和第三开关管(V3)与串联后的第二开关管(V2)和第四开关管(V4)并联连接，每个开关管的栅极均连接在控制器(1-1)的输出端，第一开关管(VI)的漏极和第二开关管(V2)的漏极接入电源，第三开关管(V3)的源极和第四开关管(V4)的源极接地，第一开关管(VI)和第三开关管(V3)组成的第一半桥的中点连接内绕组(2-6)的输出端，第二开关管(V2)和第四开关管(V4)组成的第二半桥的中点连接内绕组(2-6)的输入端。
3.根据权利要求2所述一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，其特征在于:所述整流桥(3-1)包括第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，第一二极管(D1)设在外绕组正向输入端，第二二极管(D2)设在外绕组反向输入端。
4.根据权利要求3所述一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，其特征在于:所述第一开关管(VI)、第二开关管(V2)、第三开关管(V3)和第四开关管(V4)均为开关晶体管。
【文档编号】H02M3/335GK204168145SQ201420688665
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】刘金凤, 王旭东, 闫美存, 于勇 申请人:哈尔滨理工大学
【专利摘要】一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，它涉及一种能量传输系统。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，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，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，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。本实用新型安全可靠，操作维护方便。
【专利说明】一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]所述整流桥包括第一二极管和第二二极管，所述外绕组采用中间抽头方式，第一二极管设在外绕组的正向输入端，第二二极管设在外绕组的反向输入端。
[0011]所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为开关晶体管，开关晶体管低功耗，耐用，可靠性强。
[0012]本实用新型与现有技术相比具有以下效果:本实用新型直流输入电压经控制器和全桥逆变电路变换为高频交流电压，实现DC-AC变换，交流电压经磁罐变压器升降压，再经整流桥和LC滤波电路，得到直流输出电压，实现AC-DC变换，进而给电机转子励磁绕组供电，它取代了励磁系统的电刷和滑环可以实现真正意义的无刷励磁，并且变换过程连贯，实现的高速旋转状态下非接触式能量的传输，由于采用嵌套式磁罐变压器，使本实用新型的初级变换部分和次级变换部分可以分开，供电安全、可靠、操作维护方便，由于磁罐变压器外部为圆形，次级磁罐铁心随着电机转子励磁绕组转动时，其磁路几乎不受任何影响，能够完全适应配合高速旋转的电机转子励磁绕组的工作，完全杜绝了滑环和电刷的反复磨损所带来的缺陷，并且嵌套式磁罐变压器原副边绕组的耦合面积较大，在同样的气息长度的情况下，嵌套型带来较小的原边漏感和较小的副边漏感，这样磁场强度较大，耦合系数较大，传输效率也将进一步增大，如图3所示，嵌套式磁罐变压器与传统的磁罐变压器磁场密度仿真效果对比，可看出嵌套式磁罐变压器具有更大的磁场密度，分布也更均匀，更适合同步电机高速旋转磁场的励磁能量传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的整体结构电路图；
[0014]图2是传统磁罐变压器结构主视图；
[0015]图3使本实用新型中磁罐变压器器结构主视图；
[0016]图4是嵌套型磁罐变压器与传统磁罐变压器磁场密度仿真结果对比图，左侧为传统磁罐变压器磁场密度仿真图，右侧为嵌套型磁罐变压器磁场密度仿真图。
[0017]图中1、初级变换部分，1-1、控制器，1-2、全桥逆变电路，2、转换部分，2-1、初级磁罐铁芯，2-2、次级磁罐铁芯，2-3、外骨架，2-4、内骨架，2-5、外绕组，2_6、内绕组，3、次级变换部分，3-1、整流桥，3-2、滤波电路，3-2-1、滤波电感，3-2-2、滤波电容，3_3、电机转子励磁绕组，4、磁罐铁芯，5、绕组，6、线圈骨架，V1、第一开关管，V2、第二开关管，V3、第三开关管，V4、第四开关管，D1、第一二极管，D2、第二二极管。
【具体实施方式】
[0018]结合【专利附图】
【附图说明】本实用新型的【具体实施方式】:本实施方的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1、转换部分2和次级变换部分3，所述初级变换部分包括控制器1-1和全桥逆变电路1-2，转换部分包括嵌套结构变压器，次级变换部分包括整流桥3-1、滤波电路3-2和电机转子励磁绕组3-3 ;
[0019]所述嵌套结构变压器为磁罐变压器，包括初级磁罐铁芯2-1、次级磁罐铁芯2-2、外骨架2-3、内骨架2-4、外绕组2-5和内绕组2-6，所述初级磁罐铁芯2_1和次级磁罐铁芯2-2均为内部中空的圆柱体，所述外骨架2-3和内骨架2-4均为空心圆柱体，内骨架2-4的外壁半径小于外骨架2-3的内壁半径，所述外绕组2-5绕制在外骨架2-3的外壁上、内绕组2-6绕制在内骨架2-4的外壁上，所述内骨架2-4嵌插在外骨架2-3的空腔内，嵌插后的外骨架2-3和内骨架2-4置于初级磁罐铁芯2-1和次级磁罐铁芯2-2扣合的空腔内，所述滤波电路3-2包括滤波电感3-2-1和滤波电容3-2-2 ；
[0020]所述初级变换部分I的控制器1-1输出端与全桥逆变电路1-2的控制端建立连接，全桥逆变电路1-2的输出端与磁罐变压器的内绕组2-6建立连接，磁罐变压器的外绕组
2-5与整流桥的3-1输入端建立连接，整流桥3-1的输出端依次串联整流电感3-2-1和电机转子励磁绕组3-3，所述滤波电容3-2-2并联在电机转子励磁绕组3-3的两端，所述次级磁罐铁芯2-2与电机转子励磁绕组3-3同轴转动。
[0021]所述全桥逆变电路包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管I V4,第一开关管Vl和第三开关管V3串联组成第一半桥，第二开关管V2和第四开关管V4串联组成第二半桥，串联后的第一开关管Vl和第三开关管V3与串联后的第二开关管V2和第四开关管V4并联连接，每个开关管的栅极均连接在控制器1-1的输出端，第一开关管Vl的漏极和第二开关管V2的漏极接入电源，第三开关管V3的源极和第四开关管V4的源极接地，第一开关管Vl和第三开关管V3组成的第一半桥的中点连接内绕组2-6的输出端，第二开关管V2和第四开关管V4组成的第二半桥的中点连接内绕组2-6的输入端。
[0022]所述整流桥3-1包括第一二极管Dl和第二二极管D2，所述外绕组2_5为中间带抽头式绕组，第一二极管Dl设在外绕组正向输入端，第二二极管D2设在外绕组反向输入端。
[0023]所述第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4均为开关晶体管。
[0024]所述控制器1-1输出高频PWM脉冲信号轮流控制开关管的导通和关断，一个开关周期内，第一半周期第一开关管Vl和第四开关管V4导通，第二开关管V2和第三开关管V3关断；第二半周期时，第二开关管V2和第三开关管V3导通，第一开关管Vl第四开关管V4关断。于是直流输入电压变换为高频交流方波电压，实现DC-AC变换，所述交流方波电压的频率由PWM频率决定，交流方波电压经磁罐变压器进行升降压，再经整流桥3-1和滤波电路
3-2后，得到直流输出电压，实现AC-DC变换，进而对电机转子励磁绕组的绕组进行供电。
[0025]所述磁罐变压器通过精密的机械加工，使得内外骨架固定，次级磁罐铁芯2-2随同步电机转子旋转，从而有效控制嵌套型磁罐变压器的径向运动，避免漏感的增加，进而提高其在高速旋转磁场中的应用。
【权利要求】
1.一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(1)、转换部分(2)和次级变换部分(3)，其特征在于:所述初级变换部分包括控制器(1-1)和全桥逆变电路(1-2)，转换部分包括嵌套结构变压器，次级变换部分包括整流桥(3-1)、滤波电路(3-2)和电机转子励磁绕组(3-3); 所述嵌套结构变压器为磁罐变压器，包括初级磁罐铁芯(2-1)、次级磁罐铁芯(2-2)、外骨架(2-3 )、内骨架(2-4 )、外绕组(2-5 )和内绕组(2-6 )，所述初级磁罐铁芯(2_1)和次级磁罐铁芯(2-2)均为内部中空的圆柱体，所述外骨架(2-3)和内骨架(2-4)均为空心圆柱体，内骨架(2-4)的外壁半径小于外骨架(2-3)的内壁半径，所述外绕组(2-5)绕制在外骨架(2-3)的外壁上，内绕组(2-6)绕制在内骨架(2-4)的外壁上，所述外绕组(2-5)为中间带抽头式绕组，所述内骨架(2-4)嵌插在外骨架(2-3)的空腔内，嵌插后的外骨架(2-3)和内骨架(2-4)置于初级磁罐铁芯(2-1)和次级磁罐铁芯(2-2 )扣合的空腔内，所述滤波电路(3-2 )包括滤波电感(3-2-1)和滤波电容(3-2-2 )； 所述初级变换部分(1)的控制器(1-1)输出端与全桥逆变电路(1-2)的控制端建立连接，全桥逆变电路(1-2)的输出端与磁罐变压器的内绕组(2-6)建立连接，磁罐变压器的外绕组(2-5)与整流桥的(3-1)输入端建立连接，整流桥(3-1)的输出端依次串联整流电感(3-2-1)和电机转子励磁绕组(3-3)，所述滤波电容(3-2-2)并联在电机转子励磁绕组(3-3)的两端，所述次级磁罐铁芯(2-2)与电机转子励磁绕组(3-3)同轴转动。
2.根据权利要求1所述一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，其特征在于:所述全桥逆变电路包括第一开关管(VI)、第二开关管(V2)、第三开关管(V3)和第四开关管(V4)，第一开关管(VI)和第三开关管(V3)串联组成第一半桥，第二开关管(V2)和第四开关管(V4)串联组成第二半桥，串联后的第一开关管(VI)和第三开关管(V3)与串联后的第二开关管(V2)和第四开关管(V4)并联连接，每个开关管的栅极均连接在控制器(1-1)的输出端，第一开关管(VI)的漏极和第二开关管(V2)的漏极接入电源，第三开关管(V3)的源极和第四开关管(V4)的源极接地，第一开关管(VI)和第三开关管(V3)组成的第一半桥的中点连接内绕组(2-6)的输出端，第二开关管(V2)和第四开关管(V4)组成的第二半桥的中点连接内绕组(2-6)的输入端。
3.根据权利要求2所述一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，其特征在于:所述整流桥(3-1)包括第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，第一二极管(D1)设在外绕组正向输入端，第二二极管(D2)设在外绕组反向输入端。
4.根据权利要求3所述一种基于嵌套结构变压器的非接触式能量传输系统，其特征在于:所述第一开关管(VI)、第二开关管(V2)、第三开关管(V3)和第四开关管(V4)均为开关晶体管。
【文档编号】H02M3/335GK204168145SQ201420688665
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】刘金凤, 王旭东, 闫美存, 于勇 申请人:哈尔滨理工大学
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