高速旋轉(zhuǎn)部件非接觸感應(yīng)電能傳輸裝置設(shè)計(jì)

摘 要： 為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)參數(shù)非接觸光電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求，設(shè)計(jì)了一種適合高速旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)用的非接觸感應(yīng)電能傳輸裝置。簡(jiǎn)要陳述非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的基本原理，充分考量高速旋轉(zhuǎn)應(yīng)用場(chǎng)合及光電數(shù)據(jù)傳輸電路的特點(diǎn)，提出采用螺旋線PCB板加柔性軟磁片作為松耦合變壓器的解決方案，給出具體的原副邊電路及補(bǔ)償參數(shù)設(shè)計(jì)方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案實(shí)現(xiàn)了7 V/3 A的穩(wěn)定輸出。

關(guān)鍵詞： 感應(yīng)電能傳輸； PCB平板變壓器； 螺旋線； 松耦合變壓器

中圖分類號(hào)： TM131.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）24?0111?03

Design of contactless inductive power transfer device for high?speed rotating parts

WANG Hongyuan

（China Precision Engineering Institute For Aircraft Industry， Beijing 100076， China）

Abstract： To meet the power supply demand of the contactless photoelectric data acquisition system for the aero engine rotor dynamic parameters， a contactless inductive power transfer device for high?speed rotating parts was designed. The basic principle of the contactless inductive power transfer technology is stated briefly. Considering the characteristics of high?speed rotation application occasions and the photoelectric data transmission circuit， a solution of using spiral line PCB plate and flexible soft magnetic sheet as the loose coupling transformer is proposed. The design method of primary and secondary circuits， and compensation parameter are given. The experimental results verify this scheme can realize the stable output of 7 V/3 A.

Keywords： inductive power transfer； PCB planar transformer； spiral line； loose coupling transformer

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究和應(yīng)用過程中，常常需要測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)部件的溫度、應(yīng)變等諸多參數(shù)。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法不能滿足日益提高的高轉(zhuǎn)速工況下的測(cè)量要求，基于光電傳輸技術(shù)的非接觸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，相應(yīng)的也需要一種非接觸的供電方案替代傳統(tǒng)接觸式供電。感應(yīng)電能傳輸是一種基于電磁感應(yīng)耦合技術(shù)、電力電子能量變換技術(shù)及現(xiàn)代控制理論于一體的新型電能傳輸模式，實(shí)現(xiàn)了供電電源和用電設(shè)備之間非物理連接下的能量傳輸，從而克服了傳統(tǒng)接觸供電方式具有的一系列缺陷，成為當(dāng)前電能傳輸領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。本文利用感應(yīng)電能傳輸技術(shù)，充分考量高速旋轉(zhuǎn)應(yīng)用場(chǎng)合及光電數(shù)據(jù)傳輸電路的特點(diǎn)，提出一種適合高速旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)用的感應(yīng)電能傳輸裝置，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了7 V/3 A的穩(wěn)定輸出。

1 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)原理分析

非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由原邊電路和副邊電路兩大部分組成，兩部分通過松耦合變壓器相聯(lián)系。原邊電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)通過原邊繞組發(fā)射，利用磁場(chǎng)耦合關(guān)系副邊繞組接收磁場(chǎng)能量，并通過副邊電路將磁場(chǎng)能量再次轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電能形式。原副邊電路相互獨(dú)立又存在磁場(chǎng)間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)非接觸感應(yīng)電能傳輸[1]。

圖1 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

松耦合變壓器是非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的重要組成部分。同常規(guī)變壓器一樣，松耦合變壓器也是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能從原邊到副邊的變換。不同的是，松耦合變壓器的原、副邊繞組是可分離的，氣隙大、漏磁大、耦合系數(shù)小、能量傳輸?shù)哪芰托实停荒馨凑粘Ｒ?guī)變壓器模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其原、副邊繞組電壓不符合變壓器線圈匝比。通常利用圖2所示的互感等效模型來描述松耦合變壓器原、副邊繞組的電磁耦合關(guān)系。該模型忽略了原、副邊繞組的電阻，其中U1，U2分別為原、副邊繞組電壓；L1，L2分別為原、副邊繞組電感；I1，I2分別為原、副邊繞組電流；ω為系統(tǒng)頻率；M為變壓器的互感。由基爾霍夫電壓定律可以得到變壓器原、副邊繞組端電壓表達(dá)式為：

U1=jωL1I1-jωMI2，U2=jωMI1-jωL2I2

圖2 松耦合變壓器的互感模型

由原、副邊繞組電壓表達(dá)式可以看出，繞組電感上的電壓降限制了電路傳輸?shù)碾妷涸鲆妫虼诵枰尤胙a(bǔ)償電容，利用容抗來平衡電路中的感抗，當(dāng)L，C滿足諧振關(guān)系時(shí)容抗完全抵消感抗。原副邊分別采用串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償方式可組合成四種補(bǔ)償拓?fù)鋄1]，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 可旋轉(zhuǎn)松耦合變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的最終目的是為高速旋轉(zhuǎn)軸上的用電部件供電，需要保證感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行不受轉(zhuǎn)速影響。實(shí)現(xiàn)這一目的就要保證旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)兩種工況下松耦合變壓器繞組磁力線通路保持一致，因此圓形是最適合旋轉(zhuǎn)應(yīng)用的變壓器結(jié)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)磁芯產(chǎn)品型號(hào)中，罐形磁芯滿足一般的旋轉(zhuǎn)應(yīng)用要求。但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)參數(shù)非接觸光電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在電路板軸心處安裝有激光接收和發(fā)射器件，變壓器的中心必須留有直徑8 mm以上的孔洞容納激光器件，同時(shí)軸向尺寸不能超過激光器件傳輸距離，留給變壓器的軸向空間小于15 mm。常規(guī)罐形磁芯尺寸不能滿足上述兩點(diǎn)要求，聯(lián)系廠家定制需要新開模具，費(fèi)用昂貴，而且繞組繞制及整體安裝固定都比較困難。文獻(xiàn)[2?3]提出一種無芯PCB變壓器結(jié)構(gòu)并對(duì)其性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。受其啟發(fā)，采用兩塊如圖3所示的印制有螺旋線的PCB板構(gòu)成變壓器。外圍四個(gè)固定安裝孔，中間孔為激光傳輸器件提供通路，電路板厚1.5 mm。安裝時(shí)兩塊PCB板線圈面相對(duì)同軸安裝，中間留有1～2 mm氣隙。根據(jù)傳輸電流大小和繞組電阻要求設(shè)置螺旋線的線寬、間距、銅厚等參數(shù)，本例線寬為1 mm，間距為0.5 mm，銅厚為6 oz。為防止線圈磁場(chǎng)對(duì)其他電路或器件產(chǎn)生干擾及渦流效應(yīng)，線圈板背面粘貼高磁導(dǎo)率柔性鐵氧體隔磁片，本例所選磁片厚度為0.2 mm，磁導(dǎo)率為2 800。最終變壓器整體軸向尺寸可縮小至5 mm，完全滿足光電傳輸系統(tǒng)的要求。

圖3 螺旋線PCB平板變壓器結(jié)構(gòu)

3 原、副邊電路設(shè)計(jì)

原邊電路采用由TL494，IR2110，IRF3205等主要器件構(gòu)成的電壓型全橋逆變電路，電路集成度高，調(diào)試簡(jiǎn)單。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了PWM控制所需的全部功能。IR2110是美國(guó)IR公司生產(chǎn)的功率開關(guān)器件光電隔離驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。IRF3205是功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有較高的開關(guān)速度和極低的導(dǎo)通電阻。電路原理圖如圖4所示。

副邊電路由肖特基二極管整流橋和開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596組成。LM2596是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓型開關(guān)集成穩(wěn)壓芯片，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。副邊電路如圖5所示。副邊電路板連同激光發(fā)射板與副邊線圈外形一致，三者重疊放置通過工裝固定于高速旋轉(zhuǎn)軸端。

由于原邊采用了電壓型逆變器，副邊要求輸出穩(wěn)定直流電壓，根據(jù)串并補(bǔ)償拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，原、副邊繞組采用串聯(lián)?串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)渥顬檫m宜。由參考文獻(xiàn)[1]可知串串拓?fù)溲a(bǔ)償電容計(jì)算公式為：

[Cp=1ω2Lp，Cs=1ω2Ls]

4 電路參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

PCB平板變壓器安裝固定好之后，原、副邊電感及耦合系數(shù)k也就隨之確定，搭配不同的補(bǔ)償電容值可以使電路取得不同的諧振頻率工作點(diǎn)，但是，并不是任意諧振頻率都能實(shí)現(xiàn)高效率傳輸。參考文獻(xiàn)[4?5]詳細(xì)分析了串串補(bǔ)償松耦合全橋諧振變換器頻率分叉現(xiàn)象，指出發(fā)生頻率分叉的臨界條件為副邊品質(zhì)因數(shù)Qs>Qscri=[1+1-k222k2] 。發(fā)生頻率分叉后在高、低諧振點(diǎn)輸出功率較大，在中間的諧振點(diǎn)輸出電壓最低，功率最小。為了簡(jiǎn)化控制希望在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都不發(fā)生頻率分叉現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，首先依據(jù)k值計(jì)算Qscri，在小于Qscri范圍內(nèi)選擇Qs值，由Qs=[ωLsRL=1RL][LsCs]可求得補(bǔ)償電容Cs，進(jìn)而確定工作頻率[f=12πLsCs]，為了兼顧開關(guān)頻率取值更適合開關(guān)器件，需要反復(fù)計(jì)算折中選擇各個(gè)參數(shù)。

圖5 副邊電路

實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)上述計(jì)算過程比較繁瑣，而且各參數(shù)都存在測(cè)量誤差，實(shí)際得到的計(jì)算結(jié)果并不一定處在最佳諧振狀態(tài)。因此將參數(shù)設(shè)計(jì)過程反向進(jìn)行。首先根據(jù)全橋逆變電路特點(diǎn)指定一個(gè)適合逆變電路工作的諧振頻率f，依據(jù)[f=12πLC]求得補(bǔ)償電容C。用示波器監(jiān)測(cè)副邊整流輸出電壓及線圈電流波形，并逐漸將負(fù)載調(diào)整到滿載狀態(tài)，通過調(diào)整頻率、氣隙間隙及逆變電路電源電壓等措施，使副邊電路輸出滿足設(shè)計(jì)要求。圖6所示為電路調(diào)試中各點(diǎn)波形截圖，通道1為原邊線圈兩端電壓波形，通道2為全橋逆變輸出電壓波形，通道3、4為原副邊電流波形。經(jīng)過測(cè)試該電路能夠?qū)崿F(xiàn)7 V/3 A的穩(wěn)定輸出，滿足相關(guān)測(cè)試板卡的供電要求。

5 結(jié) 語

本文在充分學(xué)習(xí)借鑒相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的理論分析基礎(chǔ)之上，應(yīng)用TL494，IR2110，LM2596等器件設(shè)計(jì)出具體電路實(shí)例，原、副邊電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便。螺旋線PCB平板變壓器重量輕，軸向尺寸小，成本低廉，可根據(jù)不同應(yīng)用修改設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)非接觸光電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還可方便地移植于其他高速旋轉(zhuǎn)部件供電應(yīng)用中。

圖6 實(shí)測(cè)電路波形

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