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：
本實用新型是一種在旋轉(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(zhǔn)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(dāng)前面臨的主要技術(shù)難點之一。目前國內(nèi)外應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)部件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電能供應(yīng)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(dǎo)電滑環(huán)環(huán)槽滑動接觸來傳 遞信號和電流，適合應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)原理設(shè)計非接觸旋轉(zhuǎn)電源變換器的方案。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型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。本實用新型的技術(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。本實用新型的優(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l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-l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(yīng)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t 丄山止頓。
具體實施方式
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(yīng)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(yīng)保證在所需傳輸功率下不飽和。 通過電磁感應(yīng)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(yīng)盡量選擇體積小重量輕的元器件。根據(jù)輸出指標(biāo)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(yīng)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(yīng)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15PW，軸身 軸向串動小于50^"，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(yù)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l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. 5mra。
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l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。
專利摘要本實用新型是非接觸旋轉(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，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(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)部件上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者嚴后選, 張?zhí)旌? 顧袁靈 申請人:南京航空航天大學(xué)