基于电机-滑环类比的多余度非接触电子滑环的理论和关键技术研究

Slip ring is the key part to achieve the power transfer for rotating equipments. Contact slip ring has abrasion and resulted high failure rate, limiting the system's reliability and maintainability. This project will perform an indepth research on the theory and key technologies of redundant contactless slip rings based on the inductive power transfer technology and the concept of the motor-slip ring analogue . The main research contents consist of three parts, rotating transformers, resonant converters and control stragies. The redundant solution with high coupling coefficient for the key part, rotating transformer will be proposed. A mathematic model will be setup considering the coupling between the rotation and the exciting. A field-nonoriented control will be presented and researched in this project to avoid the additional torque caused by the rotation. Combination and control of the resonant converters with redundancy will be provided in this project. A 10 kw contactless slip ring will be fabricated to verify the theoretical analysis. This project will provide contactless slip ring related theories, technologies and experiences.

导电滑环是向旋转机电设备传递电能的核心和关键部件。传统接触式滑环存在机械磨损，故障率较高，是制约系统可靠性和维护性的关键环节。本项目基于感应式无线供电技术和电机-滑环类比研究思路，针对滑环中容量扩展、冗余供电、附加转矩抑制和等效谐振参数变化四大难点，围绕滑环系统的三大部分：旋转变压器、变换拓扑、控制策略，开展多余度非接触电子滑环的基础理论和关键技术研究。针对关键部件——非接触旋转变压器，研究多余度、高耦合系数的新型结构，实现能量高效耦合；考虑滑环运动和交流励磁耦合效应，建立其机电耦合数学模型；提出多相供电的磁场非定向控制技术和定转子极对数不同的设置方法，抑制附加转矩；提出适于电子滑环的多余度非接触谐振变换器拓扑组合及控制方案，研究高效优化和冗余供电技术，实现电子滑环的容量扩展和可靠供电；搭建电子滑环的验证平台，为实现高效高可靠的非接触电子滑环提供理论和实践经验。

滑环作为旋转机电设备供电的关键部件之一，直接影响到整台设备的可靠性、维护性及经济性。非接触滑环因其定转子之间无物理接触，不存在传统机械滑环固有的机械摩损，在要求高可靠性和免维护性的应用场合具有突出的优势。本项目基于电机-滑环类比思路，考虑滑环旋转和交流励磁的耦合效应，建立了非接触滑环的机电耦合数学模型，研究了其旋转过程中的机电耦合附加效应及控制技术。提出了多余度、可容错、高耦合系数的非接触旋转变压器新型结构，保证了能量高效耦合和可靠传输。基于非接触谐振变换器内在的恒流/恒压源特性，分析了强耦合系统谐波产生机理及其对系统输出特性的影响，提出了谐波抑制及利用策略，并研究了多余度组合系统及其控制技术。考虑旋转变压器多通道电感间的交叉耦合效应，研究了模块化组合系统的功率传输特性和控制技术，实现了滑环的容量扩展和冗余供电。搭建了1.6kW、4kW、10kW非接触滑环实验平台进行了实验验证，为多余度、高效率、高可靠的非接触滑环系统设计提供了理论基础、技术保证和实践经验。