強(qiáng)耦合條件下非接觸滑環(huán)工作特性分析與控制

陳 欣, 陳乾宏, 何廣明

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇省南京市 211106)

0 引言

在雷達(dá)供電、風(fēng)力發(fā)電、直升機(jī)主翼除冰等應(yīng)用中[1-3],需要使用導(dǎo)電滑環(huán)銜接動(dòng)靜部分,實(shí)現(xiàn)能量傳輸和信息交互。在旋轉(zhuǎn)過程中,電刷與導(dǎo)電環(huán)動(dòng)態(tài)接觸,產(chǎn)生摩擦,降低了滑環(huán)工作的可靠性。氣象雷達(dá)系統(tǒng)中,50%的故障是由滑環(huán)摩擦引起的;發(fā)電廠中發(fā)生環(huán)火或停機(jī),也多由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電刷過熱引起。由此可見,接觸式電滑環(huán)系統(tǒng)制約了旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)一步的發(fā)展。

為解決上述問題,可用非接觸滑環(huán)系統(tǒng)取代接觸式滑環(huán)系統(tǒng)。非接觸滑環(huán)系統(tǒng)的核心技術(shù)為無線電能傳輸(wireless power transfer,WPT)技術(shù)[4],根據(jù)媒介不同,WPT技術(shù)主要分為電磁輻射、超聲波、電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合方式。目前,磁場(chǎng)耦合式所受關(guān)注較多。磁場(chǎng)耦合WPT包括共振式和感應(yīng)式兩種,其中感應(yīng)式WPT應(yīng)用領(lǐng)域廣,功率適應(yīng)范圍寬,系統(tǒng)傳輸效率較高。而滑環(huán)以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主,定、轉(zhuǎn)子間氣隙不大且基本固定,功率需求范圍寬。考慮滑環(huán)的工作特點(diǎn),本文采用感應(yīng)式WPT技術(shù)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已圍繞非接觸滑環(huán)系統(tǒng)展開研究。南京航空航天大學(xué)在2005年已使用非接觸滑環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)無刷勵(lì)磁,但未采用諧振變換技術(shù),系統(tǒng)效率較低[5]。哈爾濱理工大學(xué)則詳細(xì)地研究了非接觸勵(lì)磁電源的諧振補(bǔ)償方式[6]。重慶大學(xué)在主電路增加一個(gè)開關(guān)管,將能量信息一同傳到次級(jí)回路,利用滑環(huán)實(shí)現(xiàn)電能與信號(hào)一體化傳輸[7]。波蘭電子工程研究所研制了3 kW非接觸滑環(huán)系統(tǒng)樣機(jī),采用串聯(lián)諧振電路和零電流開關(guān)技術(shù),最高效率可達(dá)93%[8]。……