应用于旋转变压器的非接触电能传输

摘要：这篇论文讨论了电力传输系统固定旋转装置的非接触能量传输。利用旋转变压器来替代电线和集滑环；灌形磁芯几何用于旋转变压器的不同绕组和拓扑结构的比较；变压器在电磁和热域的分析；一个分析模型的每个域是分开的。有效性的分析模型二维和三维数值的模拟和测量。原型旋转变压器的旋转速率1千瓦的峰值，旋转6000。原型制造使用的是罐形磁芯和测试的实验装置。

I、引言

在许多现代机电系统设计中，力到旋转部件的转移是十分重要的角色，例如，在机器人技术和工业应用中的电力需要传输到旋转变压器。如今，电线和滑环用于传递动力的转动部分。电线的缺点是限制旋转角度的单一性和限制增加刚度。尽管大量的研究和发展可靠耐用的滑环，接触磨损以及振动—信息限制的寿命，并经常需要维护。1。此外，接触磨损造成的尘埃粒子，这是不必要的无尘室和空应用。

一个克服电线和滑动环这些缺点的方法是采用旋转变压器非接触式能量传递系统。变压器转换电源在一个气隙，一个物理分离提供能够旋转变压器的二次侧。额外的优势可以自由在绕组的比例，改造主要电压等级的负载的要求

1970年代以来对该非接触能量通过一个旋转变压器传输进行调查 [ 2 ]。后来旋转变压器的概念应用于像经皮能量传输心脏起搏器[ 3 ]和[ 4 ]感应充电，这两种情况得益于大学英语。旋转变压器可用于转移电源和数据信号部分的同时运动，通过使用一个额外的电感或电容性接头[ 5 ]。

轴向旋转和罐芯变压器可以用于旋转变压器。双方进行了[ 6 ]中从总量与效率。锅核心几何，图1所示，提供更好的性能指标方面的磁通密度，磁耦合和损失。因此，这个拓扑会在这篇论文中进一步探讨。

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图1、罐芯变压器图形

本文介绍了一个峰值功率为1千瓦的旋转变压器转移到负载的设计，以6000转/pm转动。电子器件上的负载需要输入直流电压为50伏，首先，几何的旋转变压器的分析。其次，来源于电磁和热性能的变压器模型分析。最后，原型变压器的设计和制造来证明模型分析。

II 能量转移拓扑

旋转变压器的工作原理可从法拉弟定律和安培环路定律获得。应有楞次定律并获得正玄激励，等效产生一个方程的感应电压超过n-turn绕组和表达的转移，独立的数量化

（1） （2）

其中f是施加电压的频率，Bpeak是峰值磁通密度，kf形状的填充因子的绕组。横截面的内芯，Ae，是最小的核心区域，S是可绕组，定义如图2。一顶视图和截面转动壶形铁芯变压器是图2a和图2b。相应的几何参数中列出的表1，这些表达式可用于确定核心几何和主要参数在开始设计一个旋转变压器。在每一个核心压痕可以发现，引导线该绕组的核心，创造了一个不完整的轴对称布局。影响的压痕的权力转移在旋转过程中的三维有限元研究模型[ 7 ]。图3a-d表明反应

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的中学电压变化的电阻负载不同相对位置的核心凹陷部分。在每一个图额外插入相同的反应曲线不同的角位置被发现。可以假定为一个轴对称几何进一步分析。

图2、壶形磁芯的几何顶视图（a）和截面（b）

图3、不同相对角的二次电压特性在核心的缩进位置

图4、同轴相邻绕组的拓扑结构（a）和（b）

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表1、图2图4的几何参数

旋转变压器可以作为直流-直流电源转换器系统的一部分。在初级侧的旋转变压器，由一个半桥式转换器将一个直流电压转换为高频电压。从而降低了变压器的尺寸和最大的功率传输，如图所示（2）。在变压器的二次侧，高频电压经过整流，提供给负载。两种不同的拓扑结构放置在绕组旋转壶形铁芯变压器伤。第一部分是相邻的拓扑绕组的拓扑结构，这是显示在图4a，其中每个绕组放在一个单独的核心的一半。因此，一个侧变压器可以完全独立于对方，例如，放置在真空中。二拓扑是同轴绕组的拓扑结构，这是显示在图4b，在那里绕组放在每个其他。这种拓扑需要使用一个额外的绕组筒管，从而降低了有效绕组区。因为两个绕组绕每一个小缺口之间的振动，由于旋转容易损坏绕组。在本文中，两绕组的拓扑结构进行了比较和差异从磁和电角度的确定。

III 梗概

设计一个旋转变压器需要建模的电磁学和热学。

A、磁模型：一个轴对称磁场磁阻模型导出了计算电感变压器。磁通量路径，如图5所示，已确定由一个二维有限元模型和基于物理布局磁阻模型已经建立。该模型表明，图6，对于相邻绕组的拓扑。R代表磁阻、下标c,ag,lk分别代表核心、气隙、泄漏路径的磁通。

结合各一半的核心和间隙结果，磁阻网络如图6a，可改写为一等效电路，显示图6b。其中，Lm励磁电感，Llkp、Llkz分别代表了漏电感的一次侧和二次侧。 1）磁化的磁化电感电感计算。

（3）

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