专利名称：非接触旋转电源变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种在旋转工况下向旋转件上传输电能的非接触旋转电源 变换器，属于电源变换技术领域。
背景技术：
为了提高旋转部件特性测试的准确性和充分性，需要实时采集旋转部件 在高速旋转状态下的动态参数。而如何为位于旋转部件上的测试电路进行电 能供给是当前面临的主要技术难点之一。目前国内外应用于旋转部件数据采集系统的电能供应主要有滑环供电和 电池供电方式。滑环供电借助电刷的弹性压力与导电滑环环槽滑动接触来传 递信号和电流，适合应用在需要从固定位置到旋转位置的无限制的、连续旋 转传送功率或数据信号的场所。但是在高速旋转状态下长期运行时，滑环和 电刷之间会因为电蚀而产生较大的电阻，从而使得能量传输不稳定；电池供 电是将电池安装于旋转部件上，其工作原理简单，但电池容量有限，不适合 长时间在测量系统中使用，并且大容量的电池体积和重量均较大，安装也不 方便。为了解决这些供电方式中存在的问题，目前国内外学者主要在改进滑 环制造工艺和材料，减小电池体积和重量等方面进行研究，也有提出用发电 机原理为旋转件供电，但存在旋转速度与供电能力关联的问题，不适合宽范 围转速应用。到目前为止，尚未见有非接触旋转电源变换器的报道，基本上 没有提出利用电磁感应原理设计非接触旋转电源变换器的方案。
发明内容本实用新型的目的旨在提出了一种全新结构的非接触旋转电源变换器， 通过原、副边磁芯之间的空气隙实现非接触能量耦合，实现轴向相对静止和 周向相对运动状态下进行电能传输的目的，并且消除了高速旋转下摩擦因素 产生的影响，大大提高了系统供电的可靠性，同时又显著减小负载系统的重 量和体积，适合高转速下的使用要求。本实用新型的技术解决方案其结构是直流电源的输出端接原边控制电 路的输入端，原边控制电路的输出端接电磁耦合器中的原边初级绕组输入 端，电磁耦合器中的副边次级绕组输出端接整流电路的输入端，电磁耦合器 中的原边初级绕组与副边次级绕组间是空气间隙。本实用新型的优点不仅体积小、重量轻、便于安装，而且没有使用寿 命的限制，从理论上寿命可以达到无穷大。与滑环供电方式相比，本发明利 用原副边磁芯需要空气隙的特点，避免了由于接触而在高转速下产生摩擦的 弊端，保证了系统工作的稳定和绕制线圈性。容易制作，成本低，不同输出 功率的二次设计周期短，能够适用于各种转速下的旋转部件。通过更换磁芯 大小的参数，就可以得到各种输出功率的电源。通过在静止条件下的电源输 出特性试验，证明了本方案设计的电源变换器在一定的直流电压输入范围 内，能够得到设计要求所需的输出功率，足够为旋转部件上的数据采集系统 提供电能。
附图l非接触电源变换器电路原理框图。附图2是罐型磁芯结构及安装示意图。其中图2-l是罐型磁芯图，图2-2是 图2-1的侧视图，图2-3是带有原副边绕组的磁芯。
附图3基于0380控制器的电源变换器电原理图。 附图4应用于高速旋转台架的电能传输系统示意图。图中的1是空气间隙、2是旋转轴、3是轴承、4是电源旋转端、5是电源静t 丄山止顿。
具体实施方式
对照附图1，其结构是直流电源的输出端接原边控制电路的输入端，原边 控制电路的输出端接电磁耦合器中的原边初级绕组输入端，电磁耦合器中的 副边次级绕组输出端接整流电路的输入端，电磁耦合器中的原边初级绕组与 副边次级绕组间是空气间隙1。原边磁芯中心的柱体结构上分别绕制原边初级绕组及原边反馈绕组。副 边磁芯中心柱体上绕制副边次级绕组。利用反激式开关电源需要气隙的特点，解决了电能非接触传输的问题。根据反激式开关电源原理，设计了原边控制回路，选用带有PWM自反 馈调整功能的集成控制器KA5L0380，通过控制器内部PWM自反馈调整功 能，改变开关管通断时间比率，解决了需要将副边电路输出端电压反馈到原 边进行电路调整的问题。应用直流电源输入，通过原边绕组将能量储存在空 气隙中。对照附图2，选用了罐型磁芯一对，其中， 一个磁芯处于静止的原边电路 中，另一个处于旋转件上。罐型磁芯的圆形端面保证了磁芯内的磁通量在旋 转情况下基本保持不变。所选磁芯的尺寸应保证在所需传输功率下不饱和。 通过电磁感应方式，能量从原边磁芯耦合到了副边磁芯。副边电路板采用圆形布局，与副边磁芯及绕组安装在一个旋转支架上， 实现了副边电路的整流滤波功能。为减小副边电路上各元件在高速旋转工况
下受到的离心力，原边电路上应尽量选择体积小重量轻的元器件。根据输出指标设计非接触电源变换器各项参数。计算出原副边绕组和原 边反馈绕组的匝数、线径，原副边磁芯之间的气隙值等，进而选择磁芯的几 何参数。根据本方案的特殊应用场合进行控制器选型。由于原边电路静止，副边 电路旋转，不能将旋转部件上副边输出电压反馈给原边电路，因此，选用带有PWM自反馈调整功能的KA5L0380电流型集成开关电源控制芯片。对照附图3，按照反激式开关电源原理进行电路设计，该电路由原边控制电路、副边整流滤波显示电路、原副边绕组构成，依靠原副边磁芯之间0.1~0.5mm的空气隙及磁芯之间较高的对心度，从而实现了电能的非接触感应式传输，消除了其他传统电能传输方式中的弊端。原副边磁芯，选择软磁铁氧体罐型磁芯，其直径根据设计功率所需的磁通量确定。原边控制电路，以KA5L0380集成控制器为核心，利用原边绕组及反馈 绕组，设计了反激式开关电源电路，通过控制器内部的PWM自反馈调整功 能，实现负载端电压的稳定输出。副边电路板，为满足安装结构要求，制作成圆环形。实施例，采用一对直径为26mm的罐型软磁铁氧体作为磁芯，原边磁芯 中心的柱体结构上分别绕制原边绕组及原边反馈绕组。副边磁芯中心柱体上 绕制次级绕组。原边磁芯中先绕制80匝线径为0.31mm的漆包线作为原边 线圈，随后在其外部继续缠绕12匝线径为0.51mm的漆包线作为原边反馈 绕组。在副边磁芯中，利用两股线径为0.51mm的漆包线合绕11匝，作为副 边线圈。 号为HSB40A-12-0. 40-F的高速电机转动，该电机转速范围为0-12000rpm。 其轴身径对照附图4。构建高速旋转试验台架，试验台架的旋转轴通过两个 轴承进行对心定位，由变频器通过V/F方式控制型向跳动小于15PW，轴身 轴向串动小于50^"，从而保证旋转轴端部挠度较小，使非接触供电电源副 边电路旋转时能与轴保持较高的同心度。通过在静止条件下的电源输出特性试验，证明了本方案设计的电源变换 器能够在一定的直流电压输入范围内，得到设计要求所需的输出功率，足够 为旋转部件上的数据采集系统提供电能。启动高速电机后，在高速旋转工况下对电源输出特性进行验证。输出端 不仅能得到稳定的5V电压，而且作为负载的指示灯能够在本发明提供的电 能下正常工作，且不受高频开关电源的影响，达到了预期的效果。
权利要求1、非接触旋转电源变换器，其特征是直流电源的输出端接原边控制电路的输入端，原边控制电路的输出端接电磁耦合器中的原边初级绕组输入端，电磁耦合器中的副边次级绕组输出端接整流电路的输入端，电磁耦合器中的原边初级绕组与副边次级绕组间是空气间隙。
2、 根据权利要求l所述的非接触旋转电源变换器，其特征是电磁耦合器 中的原边初级绕组与副边次级绕组间空气间隙为0. 1-0. 5mra。
3、 根据权利要求1所述的非接触旋转电源变换器，其特征是将原边初级 绕组与副边次级绕组分别绕制在直径范围为5.5mm-60mm的软磁铁氧体罐型 磁芯上。
4、 根据权利要求l所述的非接触旋转电源变换器，其特征是原边控制电 路是反激式开关电源电路。
5、 根据权利要求3所述的非接触旋转电源变换器，其特征是软磁铁氧体 罐型磁芯一对，其中， 一个磁芯处于静止的原边电路中，另一个处于旋转件上。
专利摘要本实用新型是非接触旋转电源变换器，直流电源的输出端接原边控制电路的输入端，原边控制电路的输出端接电磁耦合器中的原边初级绕组输入端，电磁耦合器中的副边次级绕组输出端接整流电路的输入端，电磁耦合器中的原边初级绕组与副边次级绕组间是空气间隙。优点体积小、重量轻、便于安装，无使用寿命的限制，利用原副边磁芯间需要空气隙的特点，避免因接触而在高转速下产生摩擦的弊端，稳定性好、易制作，成本低，不同输出功率的二次设计周期短，适用于各种转速下的旋转部件。更换磁芯大小和绕制线圈的参数，得到各种输出功率的电源。试验证明在一定直流电压输入范围内，能够获得设计要求所需的输出功率，足够为旋转部件上数据采集系统提供电能。
文档编号H02M3/02GK201054544SQ20072004009
公开日2008年4月30日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者严后选, 张天宏, 顾袁灵 申请人:南京航空航天大学