專利名稱：非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種在旋轉(zhuǎn)工況下向旋轉(zhuǎn)件上傳輸電能的非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，屬于電源變換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了提高旋轉(zhuǎn)部件特性測試的準確性和充分性，需要實時采集旋轉(zhuǎn)部件在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動態(tài)參數(shù)。而如何為位于旋轉(zhuǎn)部件上的測試電路進行電能供給是當前面臨的主要技術(shù)難點之一。
目前國內(nèi)外應用于旋轉(zhuǎn)部件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電能供應主要有滑環(huán)供電和電池供電方式。滑環(huán)供電借助電刷的彈性壓力與導電滑環(huán)環(huán)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(zhuǎn)位置的無限制的、連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳送功率或數(shù)據(jù)信號的場所。但是在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下長期運行時，滑環(huán)和電刷之間會因為電蝕而產(chǎn)生較大的電阻，從而使得能量傳輸不穩(wěn)定；電池供電是將電池安裝于旋轉(zhuǎn)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(tǒng)中使用，并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(nèi)外學者主要在改進滑環(huán)制造工藝和材料，減小電池體積和重量等方面進行研究，也有提出用發(fā)電機原理為旋轉(zhuǎn)件供電，但存在旋轉(zhuǎn)速度與供電能力關(guān)聯(lián)的問題，不適合寬范圍轉(zhuǎn)速應用。到目前為止，尚未見有非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器的報道，基本上沒有提出利用電磁感應原理設(shè)計非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提出了一種全新結(jié)構(gòu)的非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，通過原、副邊磁芯之間的空氣隙實現(xiàn)非接觸能量耦合，實現(xiàn)軸向相對靜止和周向相對運動狀態(tài)下進行電能傳輸?shù)哪康?，并且消除了高速旋轉(zhuǎn)下摩擦因素產(chǎn)生的影響，大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性，同時又顯著減小負載系統(tǒng)的重量和體積，適合高轉(zhuǎn)速下的使用要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)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。
本發(fā)明的優(yōu)點不僅體積小、重量輕、便于安裝，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(huán)供電方式相比，本發(fā)明利用原副邊磁芯需要空氣隙的特點，避免了由于接觸而在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生摩擦的弊端，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定和繞制線圈性。容易制作，成本低，不同輸出功率的二次設(shè)計周期短，能夠適用于各種轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)部件。通過更換磁芯大小的參數(shù)，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(shè)計的電源變換器在一定的直流電壓輸入范圍內(nèi)，能夠得到設(shè)計要求所需的輸出功率，足夠為旋轉(zhuǎn)部件上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供電能。


附圖1非接觸電源變換器電路原理框圖。
附圖2是罐型磁芯結(jié)構(gòu)及安裝示意圖。其中圖2-1是罐型磁芯圖，圖2-2是圖2-1的側(cè)視圖，圖2-3是帶有原副邊繞組的磁芯。
附圖3基于0380控制器的電源變換器電原理圖。
附圖4應用于高速旋轉(zhuǎn)臺架的電能傳輸系統(tǒng)示意圖。
圖中的1是空氣間隙、2是旋轉(zhuǎn)軸、3是軸承、4是電源旋轉(zhuǎn)端、5是電源靜止端。
具體實施例方式
對照附圖1，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)電源需要氣隙的特點，解決了電能非接觸傳輸?shù)膯栴}。
根據(jù)反激式開關(guān)電源原理，設(shè)計了原邊控制回路，選用帶有PWM自反饋調(diào)整功能的集成控制器KA5L0380，通過控制器內(nèi)部PWM自反饋調(diào)整功能，改變開關(guān)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(diào)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，一個磁芯處于靜止的原邊電路中，另一個處于旋轉(zhuǎn)件上。罐型磁芯的圓形端面保證了磁芯內(nèi)的磁通量在旋轉(zhuǎn)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。
副邊電路板采用圓形布局，與副邊磁芯及繞組安裝在一個旋轉(zhuǎn)支架上，實現(xiàn)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(zhuǎn)工況下受到的離心力，原邊電路上應盡量選擇體積小重量輕的元器件。
根據(jù)輸出指標設(shè)計非接觸電源變換器各項參數(shù)。計算出原副邊繞組和原邊反饋繞組的匝數(shù)、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(shù)。
根據(jù)本方案的特殊應用場合進行控制器選型。由于原邊電路靜止，副邊電路旋轉(zhuǎn)，不能將旋轉(zhuǎn)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(diào)整功能的KA5L0380電流型集成開關(guān)電源控制芯片。
對照附圖3，按照反激式開關(guān)電源原理進行電路設(shè)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(gòu)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(xiàn)了電能的非接觸感應式傳輸，消除了其他傳統(tǒng)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(jù)設(shè)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(shè)計了反激式開關(guān)電源電路，通過控制器內(nèi)部的PWM自反饋調(diào)整功能，實現(xiàn)負載端電壓的穩(wěn)定輸出。
副邊電路板，為滿足安裝結(jié)構(gòu)要求，制作成圓環(huán)形。
實施例，采用一對直徑為26mm的罐型軟磁鐵氧體作為磁芯，原邊磁芯中心的柱體結(jié)構(gòu)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，隨后在其外部繼續(xù)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(zhuǎn)動，該電機轉(zhuǎn)速范圍為0-12000rpm。其軸身徑對照附圖4。構(gòu)建高速旋轉(zhuǎn)試驗臺架，試驗臺架的旋轉(zhuǎn)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于15μm，軸身軸向串動小于50μm，從而保證旋轉(zhuǎn)軸端部撓度較小，使非接觸供電電源副邊電路旋轉(zhuǎn)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(shè)計的電源變換器能夠在一定的直流電壓輸入范圍內(nèi)，得到設(shè)計要求所需的輸出功率，足夠為旋轉(zhuǎn)部件上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供電能。
啟動高速電機后，在高速旋轉(zhuǎn)工況下對電源輸出特性進行驗證。輸出端不僅能得到穩(wěn)定的5V電壓，而且作為負載的指示燈能夠在本發(fā)明提供的電能下正常工作，且不受高頻開關(guān)電源的影響，達到了預期的效果。
權(quán)利要求
1.非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，其特征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(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，其特征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0.1-0.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，其特征是將原邊初級繞組與副邊次級繞組分別繞制在直徑范圍為5.5mm-60mm的軟磁鐵氧體罐型磁芯上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，其特征是原邊控制電路是反激式開關(guān)電源電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器，其特征是軟磁鐵氧體罐型磁芯一對，其中，一個磁芯處于靜止的原邊電路中，另一個處于旋轉(zhuǎn)件上。
全文摘要
本發(fā)明是非接觸旋轉(zhuǎn)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(yōu)點體積小、重量輕、便于安裝，沒有使用壽命的限制，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(zhuǎn)速下產(chǎn)生摩擦的弊端，穩(wěn)定性好、易制作，成本低，不同輸出功率的二次設(shè)計周期短，適用于各種轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)部件。更換磁芯大小和繞制線圈的參數(shù)，得到各種輸出功率的電源。試驗證明在一定直流電壓輸入范圍內(nèi)，能夠獲得設(shè)計要求所需的輸出功率，足夠為旋轉(zhuǎn)部件上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供電能。
文檔編號H02M7/48GK101075499SQ20071002464
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者張?zhí)旌? 顧袁靈, 嚴后選 申請人:南京航空航天大學