非接觸旋轉電源變換器的製作方法
2023-10-28 03:55:37 2
專利名稱：非接觸旋轉電源變換器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種在旋轉工況下向旋轉件上傳輸電能的非接觸旋轉電源 變換器，屬於電源變換技術領域。
背景技術：
為了提高旋轉部件特性測試的準確性和充分性，需要實時採集旋轉部件 在高速旋轉狀態下的動態參數。而如何為位於旋轉部件上的測試電路進行電 能供給是當前面臨的主要技術難點之一。目前國內外應用於旋轉部件數據採集系統的電能供應主要有滑環供電和 電池供電方式。滑環供電藉助電刷的彈性壓力與導電滑環環槽滑動接觸來傳 遞信號和電流，適合應用在需要從固定位置到旋轉位置的無限制的、連續旋 轉傳送功率或數據信號的場所。但是在高速旋轉狀態下長期運行時，滑環和 電刷之間會因為電蝕而產生較大的電阻，從而使得能量傳輸不穩定；電池供 電是將電池安裝於旋轉部件上，其工作原理簡單，但電池容量有限，不適合 長時間在測量系統中使用，並且大容量的電池體積和重量均較大，安裝也不 方便。為了解決這些供電方式中存在的問題，目前國內外學者主要在改進滑 環製造工藝和材料，減小電池體積和重量等方面進行研究，也有提出用發電 機原理為旋轉件供電，但存在旋轉速度與供電能力關聯的問題，不適合寬範 圍轉速應用。到目前為止，尚未見有非接觸旋轉電源變換器的報導，基本上 沒有提出利用電磁感應原理設計非接觸旋轉電源變換器的方案。
發明內容本實用新型的目的旨在提出了一種全新結構的非接觸旋轉電源變換器， 通過原、副邊磁芯之間的空氣隙實現非接觸能量耦合，實現軸向相對靜止和 周向相對運動狀態下進行電能傳輸的目的，並且消除了高速旋轉下摩擦因素 產生的影響，大大提高了系統供電的可靠性，同時又顯著減小負載系統的重 量和體積，適合高轉速下的使用要求。本實用新型的技術解決方案其結構是直流電源的輸出端接原邊控制電 路的輸入端，原邊控制電路的輸出端接電磁耦合器中的原邊初級繞組輸入 端，電磁耦合器中的副邊次級繞組輸出端接整流電路的輸入端，電磁耦合器 中的原邊初級繞組與副邊次級繞組間是空氣間隙。本實用新型的優點不僅體積小、重量輕、便於安裝，而且沒有使用壽 命的限制，從理論上壽命可以達到無窮大。與滑環供電方式相比，本發明利 用原副邊磁芯需要空氣隙的特點，避免了由於接觸而在高轉速下產生摩擦的 弊端，保證了系統工作的穩定和繞制線圈性。容易製作，成本低，不同輸出 功率的二次設計周期短，能夠適用於各種轉速下的旋轉部件。通過更換磁芯 大小的參數，就可以得到各種輸出功率的電源。通過在靜止條件下的電源輸 出特性試驗，證明了本方案設計的電源變換器在一定的直流電壓輸入範圍 內，能夠得到設計要求所需的輸出功率，足夠為旋轉部件上的數據採集系統 提供電能。
附圖l非接觸電源變換器電路原理框圖。附圖2是罐型磁芯結構及安裝示意圖。其中圖2-l是罐型磁芯圖，圖2-2是 圖2-1的側視圖，圖2-3是帶有原副邊繞組的磁芯。
附圖3基於0380控制器的電源變換器電原理圖。 附圖4應用於高速旋轉臺架的電能傳輸系統示意圖。圖中的1是空氣間隙、2是旋轉軸、3是軸承、4是電源旋轉端、5是電源靜t 丄山止頓。
具體實施方式
對照附圖1，其結構是直流電源的輸出端接原邊控制電路的輸入端，原邊 控制電路的輸出端接電磁耦合器中的原邊初級繞組輸入端，電磁耦合器中的 副邊次級繞組輸出端接整流電路的輸入端，電磁耦合器中的原邊初級繞組與 副邊次級繞組間是空氣間隙1。原邊磁芯中心的柱體結構上分別繞制原邊初級繞組及原邊反饋繞組。副 邊磁芯中心柱體上繞制副邊次級繞組。利用反激式開關電源需要氣隙的特點，解決了電能非接觸傳輸的問題。根據反激式開關電源原理，設計了原邊控制迴路，選用帶有PWM自反 饋調整功能的集成控制器KA5L0380，通過控制器內部PWM自反饋調整功 能，改變開關管通斷時間比率，解決了需要將副邊電路輸出端電壓反饋到原 邊進行電路調整的問題。應用直流電源輸入，通過原邊繞組將能量儲存在空 氣隙中。對照附圖2，選用了罐型磁芯一對，其中， 一個磁芯處於靜止的原邊電路 中，另一個處於旋轉件上。罐型磁芯的圓形端面保證了磁芯內的磁通量在旋 轉情況下基本保持不變。所選磁芯的尺寸應保證在所需傳輸功率下不飽和。 通過電磁感應方式，能量從原邊磁芯耦合到了副邊磁芯。副邊電路板採用圓形布局，與副邊磁芯及繞組安裝在一個旋轉支架上， 實現了副邊電路的整流濾波功能。為減小副邊電路上各元件在高速旋轉工況
下受到的離心力，原邊電路上應儘量選擇體積小重量輕的元器件。根據輸出指標設計非接觸電源變換器各項參數。計算出原副邊繞組和原 邊反饋繞組的匝數、線徑，原副邊磁芯之間的氣隙值等，進而選擇磁芯的幾 何參數。根據本方案的特殊應用場合進行控制器選型。由於原邊電路靜止，副邊 電路旋轉，不能將旋轉部件上副邊輸出電壓反饋給原邊電路，因此，選用帶有PWM自反饋調整功能的KA5L0380電流型集成開關電源控制晶片。對照附圖3，按照反激式開關電源原理進行電路設計，該電路由原邊控制電路、副邊整流濾波顯示電路、原副邊繞組構成，依靠原副邊磁芯之間0.1~0.5mm的空氣隙及磁芯之間較高的對心度，從而實現了電能的非接觸感應式傳輸，消除了其他傳統電能傳輸方式中的弊端。原副邊磁芯，選擇軟磁鐵氧體罐型磁芯，其直徑根據設計功率所需的磁通量確定。原邊控制電路，以KA5L0380集成控制器為核心，利用原邊繞組及反饋 繞組，設計了反激式開關電源電路，通過控制器內部的PWM自反饋調整功 能，實現負載端電壓的穩定輸出。副邊電路板，為滿足安裝結構要求，製作成圓環形。實施例，採用一對直徑為26mm的罐型軟磁鐵氧體作為磁芯，原邊磁芯 中心的柱體結構上分別繞制原邊繞組及原邊反饋繞組。副邊磁芯中心柱體上 繞制次級繞組。原邊磁芯中先繞制80匝線徑為0.31mm的漆包線作為原邊 線圈，隨後在其外部繼續纏繞12匝線徑為0.51mm的漆包線作為原邊反饋 繞組。在副邊磁芯中，利用兩股線徑為0.51mm的漆包線合繞11匝，作為副 邊線圈。 號為HSB40A-12-0. 40-F的高速電機轉動，該電機轉速範圍為0-12000rpm。 其軸身徑對照附圖4。構建高速旋轉試驗臺架，試驗臺架的旋轉軸通過兩個 軸承進行對心定位，由變頻器通過V/F方式控制型向跳動小於15PW，軸身 軸向串動小於50^"，從而保證旋轉軸端部撓度較小，使非接觸供電電源副 邊電路旋轉時能與軸保持較高的同心度。通過在靜止條件下的電源輸出特性試驗，證明了本方案設計的電源變換 器能夠在一定的直流電壓輸入範圍內，得到設計要求所需的輸出功率，足夠 為旋轉部件上的數據採集系統提供電能。啟動高速電機後，在高速旋轉工況下對電源輸出特性進行驗證。輸出端 不僅能得到穩定的5V電壓，而且作為負載的指示燈能夠在本發明提供的電 能下正常工作，且不受高頻開關電源的影響，達到了預期的效果。
權利要求1、非接觸旋轉電源變換器，其特徵是直流電源的輸出端接原邊控制電路的輸入端，原邊控制電路的輸出端接電磁耦合器中的原邊初級繞組輸入端，電磁耦合器中的副邊次級繞組輸出端接整流電路的輸入端，電磁耦合器中的原邊初級繞組與副邊次級繞組間是空氣間隙。
2、 根據權利要求l所述的非接觸旋轉電源變換器，其特徵是電磁耦合器 中的原邊初級繞組與副邊次級繞組間空氣間隙為0. 1-0. 5mra。
3、 根據權利要求1所述的非接觸旋轉電源變換器，其特徵是將原邊初級 繞組與副邊次級繞組分別繞制在直徑範圍為5.5mm-60mm的軟磁鐵氧體罐型 磁芯上。
4、 根據權利要求l所述的非接觸旋轉電源變換器，其特徵是原邊控制電 路是反激式開關電源電路。
5、 根據權利要求3所述的非接觸旋轉電源變換器，其特徵是軟磁鐵氧體 罐型磁芯一對，其中， 一個磁芯處於靜止的原邊電路中，另一個處於旋轉件上。
專利摘要本實用新型是非接觸旋轉電源變換器，直流電源的輸出端接原邊控制電路的輸入端，原邊控制電路的輸出端接電磁耦合器中的原邊初級繞組輸入端，電磁耦合器中的副邊次級繞組輸出端接整流電路的輸入端，電磁耦合器中的原邊初級繞組與副邊次級繞組間是空氣間隙。優點體積小、重量輕、便於安裝，無使用壽命的限制，利用原副邊磁芯間需要空氣隙的特點，避免因接觸而在高轉速下產生摩擦的弊端，穩定性好、易製作，成本低，不同輸出功率的二次設計周期短，適用於各種轉速下的旋轉部件。更換磁芯大小和繞制線圈的參數，得到各種輸出功率的電源。試驗證明在一定直流電壓輸入範圍內，能夠獲得設計要求所需的輸出功率，足夠為旋轉部件上數據採集系統提供電能。
文檔編號H02M3/02GK201054544SQ20072004009
公開日2008年4月30日 申請日期2007年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者嚴後選, 張天宏, 顧袁靈 申請人:南京航空航天大學