CN103259347A - 一种旋转式非接触电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转式非接触电能传输装置，包括高速回转主轴，在高速回转主轴的一端设有回转式变压器，回转式变压器输入端与高频电源连接，输出端通过引出导线与电能调节电路连接，电能调节电路通过连接导线与高速回转主轴另一端的驱动线圈连接。所述的回转式变压器包括原边磁芯、原边磁芯线圈、副边磁芯、副边磁芯线圈，原边磁芯线圈和副边磁芯线圈之间具有一定间隙，原边磁芯及线圈和副边磁芯及线圈采用开口相对同轴设置。本发明没有裸露导线，比接触式感应电能传输装置更为可靠、耐用；其原、副边磁芯的相对分离的结构可应用于类似镗床主轴的回转型装置中、基于超磁致伸缩材料的超声振动发射装置中，提高了电能传输效率及供电结构系统寿命。

Description

一种旋转式非接触电能传输装置
技术领域
本发明涉及电能传输设备技术领域，具体地说，涉及先进制造技术设备供电的非接触电能传输。
背景技术
稀土超磁致伸缩材料（GMM)应用在异型孔活塞加工中有很大的发展前景，由GMM棒料研制的超磁致伸缩致动器（简称GMA）安装在镗床高速回转主轴上用于活塞异型销孔的加工。然而，长期以来，GMA驱动线圈的供电都是采用接触式电能传导。这种电能传输方式多采用碳刷、集流环连接的传输方式，这种方式存在着灵活性差以及环境不适应等缺点，特别是滑动和滚动取电方式还带来了接触火花、机构磨损等系列问题，给供电的安全性带来一定的隐患，这就严重的阻碍了其产业化应用和发展。迫切地需要对这种电能传输方式进行改进，以适应其产业化发展的需求。
也有有关人员设计了一些相似的非接触电能传输装置，但是这些非接触电能传输装置存在一些问题，所以不适合应用于安装在镗床高速回转主轴上的超磁致伸缩致动器驱动线圈的供电。存在的问题如下：
1.作为松耦合变压器原边磁芯线圈的输入电源，没有添加逆变电路将交流电转化为高频电源，松耦合变压器不同于传统接触型变压器，必然有部分能量损失在空气磁路中，低频交流电在原、副边电磁感应传递过程中损失了大量的能量。
2.采用U型、E型等类型磁芯，不适合安装于镗床主轴这类回转部件上。且这类磁芯很难在中间穿孔并传递力矩使回转部件随着高速主轴一起转动，容易造成重心不稳，不利于有效实现部件动平衡。
3.松耦合变压器副边磁芯线圈的交流电未经过转换直接供负载使用，不适用于直流电源设备。
这几个问题使现有的这些非接触电能传输装置不适合应用于镗床加工活塞异型销孔装置中，制约了超磁致伸缩致动器在先进制造技术设备中的应用和发展。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足而提供一种旋转式非接触电能传输装置。
本发明采取的技术方案为：
一种旋转式非接触电能传输装置，包括高速回转主轴，在高速回转主轴的一端设有松耦合变压器，回转式变压器输入端与高频电源连接，输出端通过引出导线与电能调节电路连接，电能调节电路通过连接导线与高速回转主轴另一端的驱动线圈连接。
所述的回转式变压器包括原边磁芯、原边磁芯线圈、副边磁芯、副边磁芯线圈，原边磁芯线圈和副边磁芯线圈之间具有一定间隙，原边磁芯及线圈和副边磁芯及线圈采用开口相对同轴设置。
所述的回转式变压器还包括匹配电感和匹配电容，匹配电容和匹配电感连接分别连接在原边磁芯线圈、副边磁芯线圈的回路中，原边磁芯线圈绕组采用电容、电感并联的匹配电路；副边磁芯线圈绕组采用电容、电感串联的匹配电路。
所述的原边磁芯与原边磁芯支架固定在一起作为回转式变压器的定子结构，副边磁芯与高速回转主轴固定连接构成回转式变压器转子部分。原边磁芯支架两端分别与轴承端盖和支架压盖通过紧顶螺钉连接。
轴承端盖安装于轴承之上，轴承套在高速回转主轴上。高速回转主轴设有回转式变压器的一端端顶与高速回转接头连接。
引出导线置于镗床主轴的带走线槽轴套内，整个旋转式非接触电能传输装置由镗床支架支撑。
所述的高频电源包括将工频交流电经过整流、滤波、逆变转换成高频交流电流，供给原边磁芯线圈在空间建立高频交变磁场，并在副边磁芯线圈中产生高频感应电动势及高频感应电流，在输出端副边磁芯线圈后根据超磁致伸缩致动器驱动线圈的用电需要，将高频电源进行整流滤波成直流电供给驱动线圈。
本发明的旋转式非接触电能传输设备具有以下优点：
1.解决了以往碳刷、集流环接触式传输的转速限制问题。
2.没有裸露导线，不存在机械磨损，不会发生摩擦火花，其电能传输能力不受环境因素的影响，比接触式感应电能传输设备更为可靠、耐用。
3.采用高频谐振技术和匹配电容电感，可大大降低开关损耗，以及设备的重量和体积，提高设备的功率密度和传输效率。
4.在副边回路添加直流转换模块，可根据不同负载对用电需求进行灵活供电。
附图说明
图1为本发明回转式非接触电能传输结构示意图；
图2为回转式变压器匹配电路结构示意图；
图3为逆变电路仿真模型；
图4为回转式变压器输出电压电流的仿真波形图；
图5为本发明装置结构示意图；
其中，1-驱动线圈；2-电能调节电路；3-带走线槽轴套；4-主轴电机；5-高频电源；6-轴承端盖；7-原边磁芯支架；8-副边线圈引出线；9-支架压盖；10-高速回转接头；11-高速回转主轴；12-副边线圈；13-副边磁芯；14-原边线圈；15-原边磁芯；16-轴承；17-紧顶螺钉；18-连接导线。
具体实施方式
下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图5所示，一种回转式非接触电能传输结构，包括高速回转主轴，在高速回转主轴的一端设有回转式变压器，回转式变压器输入端与高频电源连接，输出端通过引出导线与电能调节电路连接，电能调节电路通过连接导线与高速回转主轴另一端的驱动线圈连接。回转式变压器是本发明感应电能传输设备核心，回转式变压器包括原边磁芯、原边磁芯线圈、副边磁芯、副边磁芯线圈，原边磁芯线圈和副边磁芯线圈之间具有一定间隙，原边磁芯及线圈和副边磁芯及线圈采用开口相对同轴设置。
普通变压器的原、副边磁芯线圈绕在共同的闭合铁芯上，虽然磁路耦合系数很高，但原、副边磁芯绕组不能相对运动，不适于回转式机械加工等应用场合。而回转式变压器的原、副边磁芯是可以分离的，其磁路经气隙而闭合，故又称为可分离变压器或者气隙变压器。回转式变压器原、副边之间仍然通过电磁感应实现电能传输，因气隙而导致的磁路耦合系数的降低由提高原边输入电流的频率加以补偿。
随着回转式变压器磁路耦合程度的下降，为维持一定的电能传输，必须提高交变磁场的频率，即系统的工作频率。这样，回转式变压器的原、副边回路的电抗值成倍增加。为实现一定的功率输出，为此需要对原、副边回路进行电路匹配实现无功功率的补偿。通过原边磁芯线圈匹配，可以提高原边绕组输入端的功率因数，提高供电质量；通过副边绕组的匹配，可以提高系统的输出功率和传输效率。
最基本的补偿方式有2种：串联补偿和并联补偿。考虑到原边绕组并联电容对高频交流电有较大的滤波作用，根据负载的性质，本发明的匹配电路如图2所示。原边绕组采用电容、电感并联的匹配电路；副边绕组采用电容、电感串联的匹配电路。使原边匹配电路的补偿电容值副边匹配电路中的补偿电容值满足公式
Figure BDA00003296445400032
此时，原、副边绕组处于谐振状态，电路中只有纯电阻做功，有效实现了无功功率的补偿。
公式中，L1、C1和R1是回转式变压器原边线圈（绕组）的匹配电感、匹配电容和电阻，L2、C2和R2是回转式变压器副边线圈（绕组）的匹配电感、匹配电容和电阻；ω为原边用于磁场发射的高频载流线圈通过角频率；M是原边磁芯线圈与副边磁芯线圈之间的互感，即合理设计非接触互感传输装置的匹配参数，可以使原、副边回路中的感抗与容抗相抵消，使原、副边回路处于纯阻状态，实现副边回路谐振匹配。
如前所述，因气隙而导致的磁路耦合系数的降低由提高原边输入电流的频率加以补偿，逆变电路实现直流电源到原边绕组输入的转换，在TINA软件下建立如图3所示的逆变电路仿真模型。
图4为副边磁芯线圈输出电压VM1和电流AM1的仿真波形。可见，输出电压幅值达到47.54V,电流的幅值达到4.75A，完全满足超磁致伸缩致动器驱动线圈对电源的要求。
图5给出了本发明的结构安装示意图。原边磁芯15与原边磁芯支架7固定在一起作为回转变压器的定子结构，原边磁芯支架7分别与轴承端盖6和支架压盖9通过紧顶螺钉17连接，轴承端盖6安装于轴承16之上。副边磁芯13与镗床的高速回转主轴11固定连接构成回转式变压器转子部分，主轴由电机4驱动作高速回转运动，高速回转主轴11与高速回转接头10连接。副边磁芯线圈引出导线8置于镗床主轴带走线槽轴套3内，整个装置由镗床支架支撑。
具体工作过程是：高频电源电路1输出的高频电流作为原边磁芯线圈14的输入电源，当原边磁芯线圈14和副边磁芯线圈12相对距离较近放置时，副边磁芯线圈12能够感应出同频率的感应电流，副边磁芯线圈引出导线8与置于镗床主轴带走线槽轴套3前端的电能调节电路相连接，经过调节后的电流再与GMA驱动线圈的连接导线18相连接为GMA驱动线圈1供电，从而驱动GMA实现镗床对活塞异型销孔的加工。

Claims (8)

1.一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，包括高速回转主轴，在高速回转主轴的一端设有回转式变压器，回转式变压器输入端与高频电源连接，输出端通过引出导线与电能调节电路连接，电能调节电路通过连接导线与高速回转主轴另一端的驱动线圈连接。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，所述的回转式变压器包括原边磁芯、原边磁芯线圈、副边磁芯、副边磁芯线圈，原边磁芯线圈和副边磁芯线圈之间具有一定间隙，原边磁芯及线圈和副边磁芯及线圈采用开口相对同轴设置。
3.根据权利要求2所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，所述的回转式变压器还包括匹配电感和匹配电容，匹配电容和匹配电感连接分别连接在原边磁芯线圈、副边磁芯线圈的回路中，原边磁芯线圈绕组采用电容、电感并联的匹配电路；副边磁芯线圈绕组采用电容、电感串联的匹配电路。
4.根据权利要求2或3所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，所述的原边磁芯与原边磁芯支架固定在一起作为回转式变压器的定子结构，副边磁芯与高速回转主轴固定连接构成回转式变压器转子部分。
5.根据权利要求4所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，原边磁芯支架两端分别与轴承端盖和支架压盖通过紧顶螺钉连接。
6.根据权利要求5所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，轴承端盖安装于轴承之上，轴承套在高速回转主轴上。
7.根据权利要求1所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，高速回转主轴设有回转式变压器的一端端顶与高速回转接头连接。
8.根据权利要求1所述的一种旋转式非接触电能传输装置，其特征是，引出导线置于镗床主轴的带走线槽轴套内，整个旋转式非接触电能传输装置由镗床支架支撑。
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