图1 环样法测量铁心磁特性示意图
Fig.1 Structural diagram of magnetic property measurement for the toroidal sample
摘要 为提高旋转变压器耦合性能、减小铁心尺寸，该文提出一种以纳米晶带材为铁心材料的新型旋转式松耦合变压器，用来为旋转设备供电。基于实验室现有的高频磁特性测量系统，测量并分析了正弦波和方波激励下软磁铁氧体与纳米晶带材的磁特性。尝试采用纳米晶带材替代块状铁氧体做旋转式松耦合变压器铁心材料，由于铁心材料形状的改变，传统罐式旋转式松耦合变压器结构不再适用于纳米晶铁心，该文提出两种新型结构的旋转式松耦合变压器。基于磁场数值仿真平台，分析了这两种旋转式松耦合变压器在实际工况下的瞬态特性，计算了耦合系数和铁心损耗，讨论了上述旋转式松耦合变压器铁心结构及相应的绕组结构的可行性，为旋转式松耦合变压器的性能提升提供一个新的思路。
关键词：旋转式松耦合变压器 高频材料 铁心结构 绕组结构
无线电能传输技术基于电磁耦合理论，通过一、二次侧分离的变压器结构，实现由供电侧到负载侧无物理连接的电能传输，解决了传统接触供电方式在安全性、灵活度、便利性等方面存在的不足[1-3]。目前，无线电能传输技术在很多领域有着广泛的应用，如电动汽车[4-7]、随身电子设备[8-10]、人体医疗[11-12]、水下供电等[13-14]。近年来，无线电能传输技术逐渐应用于旋转设备，如向电机励磁绕组或位于旋转轴上的电气设备供电，取缔原有的物理连接，避免接触损耗、机械磨损等问题，使能量传输系统更为安全、可靠、方便[15-18]。
2014年，德国学者A. Abdolkhani提出了多相同轴非接触集电环系统，该系统的定转子采用同轴排列的环状铁氧体材料的铁心，转子铁心套在旋转轴上，一、二次绕组为多组线圈分别缠绕在环状的定转子铁心上，将电能传递给安装在轴上的可旋转电气负载[17]。同年，提出了双定子非接触集电环系统，用于将电能传递到可旋转负载上。该结构具有两个固定绕组和一个夹在其间的单个可旋转绕组，多个U形铁氧体材料的铁心套在定子绕组上，大大提高了系统的耦合系数和传输效率[18]。2015年，文献[19]提出新型的非接触式同步电机转子励磁系统，铁心采用软磁铁氧体材料的罐式结构，提出相邻式与嵌套式两种绕组结构。通过样机实验，验证了非接触变压器可在相对高速旋转时进行能量传输。2019年，文献[20]为提高耦合系数，对绕组进行了改进设计，提出印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）绕组替换利兹线绕组，铁心为软磁铁氧体材料的罐式结构，对改进前后的松耦合变压器进行仿真分析并确定该优化结构的可行性。综上，德国学者提出的旋转变压器结构过于复杂，而罐式铁心结构又大大增加了旋转设备的轴向长度。
目前，在旋转设备的无线电能传输中，核心部件旋转式松耦合变压器工作在高频激励下，铁心材料主要采用软磁铁氧体，铁心通常为罐式结构。软磁铁氧体具有中高频损耗小、矫顽力小、磁导率和电阻率较高的特点[21-23]。近几年，随着高频磁性材料研发技术不断成熟，纳米晶合金因具有更低的高频损耗被逐渐应用于高频变压器中，相较于软磁铁氧体，纳米晶合金高频下损耗、矫顽力更小，饱和磁感应强度、磁导率以及电阻率更高[24-27]。
本文尝试采用纳米晶合金作为旋转式松耦合变压器的铁心材料，并考虑到纳米晶属于带材，常见的罐型铁心结构难以实现，因此提出一种新型铁心结构的旋转式松耦合变压器。首先，基于实验室现有的高频磁特性测量系统，测试并分析了正弦波和方波激励下软磁铁氧体与纳米晶材料的磁特性与损耗；然后，设计了特殊的铁心结构和两种绕组结构，为避免漏磁影响旋转轴上的负载，设计了用于屏蔽漏磁的外壳，所设计的铁心结构位于一次侧，不作为旋转部件；最后，对新型旋转式松耦合变压器进行仿真，分析其耦合系数和铁心损耗，验证了纳米晶材料的铁心结构以及绕组结构的合理性和可行性。
我国国家标准GB/T 3658—2008规定的环样法测量铁心磁特性装置结构示意图如图1所示，磁场强度是由串联在初级绕组的电流表或精密电阻器根据安培环流定律计算得出，磁通密度是由并联在次级绕组的电压表根据电磁感应定律计算所得。
图1 环样法测量铁心磁特性示意图
Fig.1 Structural diagram of magnetic property measurement for the toroidal sample
基于上述测量标准，本文利用实验室购置的环样测试系统实现高频方波与正弦波激励下铁氧体与纳米晶合金材料的磁特性测量。测量系统如图2所示，测量系统的工作原理为：由计算机软件设置参数，将指定的激励信号通过主机加载到铁心的一次绕组上；然后，二次绕组感应的电压信号通过主机进行数据采集并传回输入到主机，并进行数据实时显示；最后，每个周期测量完成后通过计算机软件计算给出损耗值、磁化强度、磁感应强度等测量结果。
图2 环形铁心高频特性测量系统
Fig.2 Measurement system of magnetic properties of the toroidal core at high frequency
待测环样铁心分别为软磁铁氧体和纳米晶合金，两个铁心的具体参数见表1。测量前根据关于二者饱和磁通密度以及相应的磁场强度等相关资料，经过预估计算分别取14匝和10匝作为软磁铁氧体和纳米晶的绕组匝数，并均匀地缠绕在环形铁心上。为减小测量时的漏磁现象对测量结果造成影响，将一次侧激励绕组和二次侧感应绕组选取同样的匝数进行缠绕。为解决测量过程中高频导致的绕组损耗过大以及绕组内部温度过高等问题，绕组选用多股绞合漆包线。
表1 两种被测材料参数
Tab.1 Parameters of two measured materials
参数软磁铁氧体纳米晶合金 内径R1/mm30.550 外径R2/mm51.565 高h/mm2025 质量G/g123.08160.07
图3给出了测得的软磁铁氧体和纳米晶环形样品在6kHz正弦波和方波激励下一个周期内，励磁电压与磁感应强度B的变化波形。激励电压为方波时，磁感应强度为三角波。激励电压为正弦波时，磁感应强度为正弦波。图4为6kHz方波激励下软磁铁氧体和纳米晶体的磁化曲线，可以看出，与软磁铁氧体材料相比，纳米晶材料具有更高的磁通密度饱和值和更好的线性工作区，这对于高频旋转式松耦合变压器的铁心材料具有重要意义。图中，Bm和Hm分别为磁滞回环的磁感应强度最大值和磁场强度最大值。
图3 高频环形铁心励磁电压与磁感应强度波形
Fig.3 Excitation voltage and magnetic induction intensity waveform of high-frequency toroidal core
图4 6kHz方波激励下软磁铁氧体和纳米晶的磁化曲线
Fig.4 Magnetization curves of soft magnetic ferrite and nanocrystalline under square wave excitation at 6kHz
根据测得的实验数据可以绘制出纳米晶和软磁铁氧体在6kHz方波激励下的磁滞回线如图5所示。从图中可以看出，方波激励下，在相同磁通密度时纳米晶的矫顽力小于软磁铁氧体。高频变压器在铁心材料的选择上，通常需要选择矫顽力和剩磁小的材料作为变压器铁心，这是为了使一次绕组在激励停止后铁心中的磁性能尽快消失。因此，从矫顽力和剩磁的要求来看，纳米晶材料比软磁铁氧体材料更适合做高频旋转式松耦合变压器铁心材料。
图5 6kHz方波激励下纳米晶和软磁铁氧体的磁滞回线
Fig.5 Magnetic hysteresis loops of nanocrystalline and soft magnetic ferrite under square wave excitation at 6kHz
表2为不同频率方波激励下纳米晶和软磁铁氧体铁心损耗的测量结果。测量结果表明，在相同的激励方式下，纳米晶铁心损耗远小于相同频率下的软磁铁氧体铁心损耗。因此，从降低铁心损耗角度分析，相较于软磁铁氧体，纳米晶材料更适合做高频铁心材料。
表2 方波下纳米晶和软磁铁氧体的损耗测量结果
Tab.2 Loss measurement results of nanocrystalline and soft magnetic ferrite under square wave
B/T纳米晶损耗P/(W/kg)铁氧体损耗P/(W/kg) 6kHz3kHz1kHz6kHz3kHz1kHz 0.87.3142.5820.633——— 0.74.7021.6320.434——— 0.62.9150.9780.263——— 0.51.8020.6000.153——— 0.41.0610.3550.09116.34713.9912.519 0.30.5640.1840.0487.9445.7601.274 0.20.2390.0770.0192.8252.2510.476 0.10.0560.1730.0040.5280.5120.105
综上所述，通过对磁特性的比较分析，可以看出纳米晶材料磁特性比软磁铁氧体更有优势。然而，由于纳米晶材料是薄而脆的带材，很难再采用传统的罐式铁心结构形成旋转式松耦合变压器，所以需要对纳米晶铁心材料的旋转式松耦合变压器的铁心结构与绕组结构做特殊设计。
纳米晶材料被加工成薄且脆的带材，因此难以用纳米晶带材制造在旋转式松耦合变压器中广泛使用的普通罐式铁心结构。本文提出了一种新型的铁心结构，并且针对该铁心结构设计了左右型和上下型两种绕组结构，旋转式松耦合变压器结构的半剖视图和三维模型如图6所示。
图6 旋转式松耦合变压器结构的半剖视图和三维模型
Fig.6 Half-sectional view and three-dimensional model of structure of rotary loosely-coupled transformer
在图6中，铁心结构沿电机轴向旋转对称，没有罐型铁心的固有缺口，能够保证运行状态下每一时刻具有相同的磁通密度分布。为解决部分漏磁通会穿过轴并于轴中感应出的涡流而以热的形式产生功率损耗，可能会加热轴，并逐渐对系统造成更多损坏，因此设计了材料为金属铝的转子，套在旋转设备的旋转轴上。同时材质为金属铝的外壳（定子）固定于旋转设备中的机座部分，定子起到固定铁心及一次绕组的作用，并与转子构成相对封闭的空间，能够起到屏蔽磁场的作用，避免旋转式松耦合变压器产生的漏磁影响外接设备的工作，还能提高旋转式松耦合变压器的传输效率。此外，旋转式松耦合变压器是旋转式无线电能传输系统的重要组成部分，由于系统转速较高，为避免接触摩擦造成系统运行时的安全隐患，所提出的这种铁心结构在转子上没有纳米晶材料制成的铁心，实现了简单的制造过程、高机械应力部件的稳定构造以及易于机械组装。
针对两种绕组结构的旋转式松耦合变压器进行建模，旋转式松耦合变压器一次、二次绕组工作在1mm气隙下，一次侧输入电压100V，频率为6kHz，对其进行仿真分析。其相对旋转状态下纳米晶材料铁心、软磁铁氧体材料铁心和两种不同绕组结构的磁通密度云图仿真结果如图7所示。由图7可知，在1mm气隙下，无论采用哪一种绕组结构，旋转式松耦合变压器都工作于磁化曲线的线性区域，均未出现磁饱和现象，且均可以构成完整的三维磁场回路。可以看出，采用此种铁心结构，中间铁心的磁通密度大于上下两层铁心的磁通密度，这是根据Halbach阵列的原理，合理安排绕组通电方向的结果。不同于罐式铁心结构，本文设计的铁心结构没有罐型铁心的固有缺口，能够保证任意时刻旋转式松耦合变压器的磁通密度均不会受二次侧旋转的影响。根据图7对比可知，采用上下型绕组结构的旋转式松耦合变压器的磁通密度比采用左右型绕组结构的旋转式松耦合变压器的磁通密度有略微增大，其铁心利用率较大。从这点来看，上下型绕组结构优于左右型绕组结构。相比于软磁铁氧体铁心的旋转式松耦合变压器，纳米晶铁心的旋转式松耦合变压器的磁通密度要更大一些，说明纳米晶合金是可以作为旋转式松耦合变压器铁心材料的，且性能更优。
图7 不同材料铁心不同绕组结构旋转式松耦合变压器的磁通密度分布
Fig.7 Magnetic density distribution of rotary loosely-coupled transformers with different winding structures and different core materials
在感应耦合系统中，两个线圈之间的电磁耦合松紧度用耦合系数k来表示。根据仿真结果，得出旋转式松耦合变压器的耦合系数为
（1）
不同材料铁心旋转式松耦合变压器的上下型绕组结构自感和互感仿真结果见表3。经计算，上下型绕组结构软磁铁氧体为铁心的耦合系数为0.934 2，上下型绕组结构纳米晶为铁心的耦合系数为0.947 4。
表3 上下型绕组结构自感和互感仿真结果
Tab.3 Simulation results of self-inductance and mutual inductance of upper and lower winding structures（单位：μH）
软磁铁氧体铁心纳米晶合金铁心 自感L1392.849 8396.934 6 自感L2393.768 9396.712 8 互感M367.452 1375.942 1
旋转式松耦合变压器的铁心损耗会直接影响其传输效率，铁心损耗越大，其传输效率越低。图8为纳米晶铁心和软磁铁氧体铁心旋转式松耦合变压器的铁心损耗分布。
图8 不同材料上下型绕组结构旋转式松耦合变压器的铁心损耗分布
Fig.8 Distribution diagram of core loss of rotary loosely coupled transformers with different material upper and lower winding structure
对比图8中纳米晶铁心和软磁铁氧体铁心的损耗分布，上下型绕组结构中软磁铁氧体铁心的旋转式松耦合变压器最大损耗约7.25mW，纳米晶铁心的旋转式松耦合变压器最大损耗约为54.71μW。纳米晶材料的铁心损耗远小于软磁铁氧体材料的铁心损耗，这与铁心材料的磁特性测量结果相吻合，表明了纳米晶材料在铁心结构中的应用降低了旋转式松耦合变压器的损耗，使得旋转式松耦合变压器的性能更优。
本文设计一种以纳米晶带材为铁心材料的新型旋转式松耦合变压器，用来为旋转设备供电。分别在正弦波和方波激励下测量高频铁心材料的磁特性，通过测量和分析高频材料的磁性能，表明在高频工作状态下，纳米晶材料比软磁铁氧体材料具有更多的优势。提出采用纳米晶做铁心材料的新型旋转式松耦合变压器，出于材料的特性，对铁心结构做了特殊设计，并且设计两种绕组结构作为对比。最后，根据旋转式松耦合变压器的仿真结果，分析其耦合系数和铁心损耗。研究表明，本文提出的纳米晶铁心结构以及对应的绕组结构在提升耦合性能、降低铁心损耗等方面体现出一定的优势，验证了所提结构方案的可行性。
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Design of a Rotary Loosely-Coupled Transformer Structure Based on Analysis of High-Frequency Material Characteristics
Abstract In order to improve the coupling performance of rotary transformer and reduce the size of the core, this paper proposes a new type of rotary loosely-coupled transformer using nanocrystalline strip as the core material, which is used to supply power for rotating equipment. Based on the measurement system of high-frequency magnetic property in the laboratory, the magnetic properties of soft magnetic ferrite and nanocrystalline strip under the excitations of sine and square waves were measured and analyzed. Nanocrystalline strip was employed to replace the bulk soft magnetic ferrite as a rotary loosely-coupled transformer core material. Due to the change of core material shape, the traditional pot core structure of rotary loosely-coupled transformer is no longer suitable for nanocrystalline core, and then in this paper, two new structures of rotary loosely-coupled transformer were proposed. Based on magnetic field numerical simulation platform, this paper analyzed the transient characteristics of these two rotary loosely coupled-transformer under actual conditions, calculated the coupling factor and core loss, and discussed the feasibility of the above-mentioned rotary loosely-coupled transformer core structure and the corresponding winding structure, which provides a new idea for the performance improvement of the rotary loosely-coupled transformer.
keywords：Rotary loosely-coupled transformer, high-frequency materials, core structure, winding structure
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90380
中图分类号：TM4
国家自然科学基金资助项目（51777128）。
收稿日期 2020-07-11
改稿日期 2020-10-27
冯 超 男，1993年生，硕士研究生，研究方向为电工材料复杂电磁特性的测量、模拟与应用。E-mail：891821524@qq.com
张艳丽 女，1975年生，教授，博士生导师，研究方向为电工装备多物理场与电工材料特性。E-mail：ylzhang@sut.edu.cn（通信作者）
（编辑 崔文静）