CN105576849A - 一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，涉及无线供电技术领域。本发明包括原边部分和副边部分；原边部分包括高频逆变电路，高频逆变电路连接有原边控制电路和能量发射电路；副边部分包括能量接收电路、整流滤波电路、DC/DC变换电路和副边控制电路；能量发射电路由高频谐振电容Cp和松耦合变压器原边T-1串联组成；能量接收电路谐振电容Cs和松耦合变压器的副边T-2并联组成；松耦合变压器原边T-1和松耦合变压器的副边T-2均有一磁芯，磁芯的中心有一圆形磁柱，圆形磁柱的中心设有通孔；松耦合变压器原边T-1的圆形磁柱上安装有主线圈；松耦合变压器的副边T-2的圆形磁柱上安装有副线圈。成本低、无噪音、无机械磨损、无使用寿命限制。

Description

一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置
技术领域
本发明涉及无线供电技术领域，具体是一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，主要用于为旋转设备提供电能，如固定在电机转子上的用电设备。
背景技术
谐振耦合式无刷供电是一种以无线电能传输、现代电力电子变换技术、自动控制等理论为基础的新型电能传输模式，具体表现为可以实现供电线路和用电电气设备之间的不经物理连接而进行能量的传输。
有刷供电是一种采用电刷同滑环之间进行物理摩擦来实现电能传导的方式，其关键部件为电刷与滑环，通电质量与电刷与滑环连通程度有很大关系。
其缺点有如下几个方面：
转动有噪音，当旋转体转动时，电刷同滑环之间会产生机械摩擦产生噪音。
有机械磨损，有刷供电方案属于接触式供电方案，电刷同滑环间因机械摩擦会产生磨损。
有使用寿命限制，电刷输电方式会因电刷磨损而有一个转数上限，超过转数上限后电刷同电极会由于接触不良而产生电火花，从而加速电刷磨损与老化。
供电不稳定，有刷供电方式因电刷摩擦时的氧化以及温升会导致线路电阻增大，线路损耗增加，传输到副边的能量减小，随着电刷使用时间的延长供电会越来越不稳定。
适应性差，如果长时间在潮湿、高温、高压、腐蚀的环境下使用有刷供电方式，会大大缩短电刷使用寿命。
需定期维护，对于电刷供电方案来说，使用者要经常对电刷、电极进行维护清洁，以延长电刷的使用寿命。
拆装不便，电刷供电方式因电刷需要同电极紧密接触，拆装起来比较复杂。
有转速限制，电刷供电方式下，电刷的寿命跟电刷同电极的相对速度的平方成反比。随着转速的提高，电刷的使用寿命会大大减少。标准规定只有3500——4500小时，实际的寿命还远低于标准值。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，成本低、无噪音、无机械磨损、无使用寿命限制。
本发明是以如下技术方案实现的：一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，包括原边部分和副边部分；所述的原边部分包括高频逆变电路，高频逆变电路连接有原边控制电路和能量发射电路；所述的副边部分包括能量接收电路，与能量接收电路连接的整流滤波电路，与整流滤波电路连接的DC/DC变换电路，DC/DC变换电路连接的副边控制电路；所述的能量发射电路和能量接收电路构成能量耦合电路；所述的能量发射电路由高频谐振电容Cp和松耦合变压器原边T-1串联组成；所述的能量接收电路谐振电容Cs和松耦合变压器的副边T-2并联组成；松耦合变压器原边T-1和松耦合变压器的副边T-2均有一磁芯，磁芯的中心有一圆形磁柱，圆形磁柱的中心设有通孔；松耦合变压器原边T-1的圆形磁柱上安装有主线圈；松耦合变压器的副边T-2的圆形磁柱上安装有副线圈；两个磁芯之间的间隙为D,D<5mm，圆形磁柱的内壁厚度为d，磁芯的磁通量为r，0.5<r<d/D。
优选的，所述的高频逆变电路包括开关管Q1、Q2、电阻R1、R2以及电容C1、C2；电阻R1的一端连接电容C1的一端以及开关管Q1的漏极，电容C1的另一端连接电容C2的一端，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C2的另一端以及开关管Q2源极，开关管Q1源极连接开关管Q2漏极，开关管Q1和开关Q2的栅极连接原边控制电路。
优选的，所述的原边控制电路包括信号调理电路，与信号调理电路连接的追频电路，与追频电路连接的死区电路，与死区电路连接的驱动电路；所述的信号调理电路采用电压比较器芯片LM339；所述的追频电路采用CMOS锁相环集成电路CD4046；所述的死区电路采用两片四?与?非?门74HC00芯片；所述的驱动电路采用驱动芯IR2110，驱动芯IR2110的14脚连接开关管Q1的栅极，驱动芯IR2110的8脚连接开关管Q2的栅极；主线圈的一端连接电容C1和电容C2的公共端，主线圈的另一端连接驱动芯IR2110的12脚。
优选的，所述的整流滤波电路采用二极管D2、D3、D4、D5以及电解电容C3，二极管D2、D4的正极对应连接二极管D3、D5的负极，二极管D2、D4的正极连接电解电容C3的正极，二极管D3、D5的负极连接电解电容C3的负极，二极管D2的正极连接副线圈的一端，二极管D4的正极连接副线圈的另一端；
优选的，所述的DC/DC变换电路采用BUCK降压电路，包括开关管Q3、二极管D6、滤波电感L、滤波电容C4以及电阻R3、R4；开关管Q3的漏极连接电解电容C3的正极，开关管Q3的源极连接滤波电感L的一端以及二极管D6的负极，滤波电感L的另一端连接滤波电容C4的正极以及电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端、波电容C4的负极以及二极管D6的正极连接电解电容C3的负极，开关管Q3的栅极连接副边控制电路。
优选的，所述的副边控制电路采用电源驱动芯片UC3842，电源驱动芯片UC3842的6脚连接开关管Q3的栅极。
优选的，所述的二极管D2、D3、D4、D5均采用肖特基二极管MBR30100C。
本发明的有益效果是：具有成本低、无噪音、无机械磨损、无使用寿命限制等优势；在小功率直流非接触供电领域完全可以取代传统电刷供电方案，能够应用于生产生活中需要短距离非接触供电场合，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明原理框图；
图2是松耦合变压器结构示意图；
图3是原边部分电路原理图；
图4是副边部分电路原理图；
图5是原边控制电路原理图；
图6是电压电流谐振波形；
图7是信号调理电路原理图；
图8是信号调理电路输入与输出波形；
图9是追频电路原理图；
图10是死区电路原理图；
图11是插入死区效果图；
图12是驱动电路原理图；
图13是副边控制电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置分为原边和副边两大部分。原边的作用是将输入的直流电逆变成高频交流电再通过发射电路发射出去；副边的作用是将接收到的电能经过整流及调理为负载供电。原边部分包括高频逆变电路，高频逆变电路连接有原边控制电路和能量发射电路；所述的副边部分包括能量接收电路，与能量接收电路连接的整流滤波电路，与整流滤波电路连接的DC/DC变换电路，DC/DC变换电路连接的副边控制电路；所述的能量发射电路和能量接收电路构成能量耦合电路。
如图2-4所示，能量发射电路由高频谐振电容Cp和松耦合变压器原边T-1串联组成；所述的能量接收电路谐振电容Cs和松耦合变压器的副边T-2并联组成；松耦合变压器原边T-1和松耦合变压器的副边T-2均有一磁芯1，磁芯的中心有一圆形磁柱1-1，圆形磁柱1-1的中心设有通孔1-2；松耦合变压器原边T-1的圆形磁柱1-1上安装有主线圈2；松耦合变压器的副边T-2的圆形磁柱1-1上安装有副线圈3；两个磁芯之间的间隙为D,D<5mm，圆形磁柱1-1的内壁厚度为d，磁芯的磁通量为r，0.5<r<d/D。此外，圆形磁柱1-1的中心也可设置非导磁材料。
原边部分电路原理图如图3所示，主要包括高频逆变电路以及能量发射电路。高频逆变电路作用是将输入的直流电压逆变成频率达几十上百的高频交流电，由于本装置传输功率较小，考虑到成本、可靠性以及效率电路采用半桥逆变电路，开关管采用MOSFET管IRF640；能量发射电路将高频逆变电路输出的高频电压转化为交变的磁场传输到副边部分，主要由高频谐振电容Cp和松耦合变压器原边T-1串联组成。装置组装时原边固定在电机的端盖上，副边固定在电机转轴上随电机旋转。
副边部分电路原理图如图4所示，主要包括能量接收电路、整流滤波电路和BUCK降压电路三部分。其中能量接收电路负责感应接收原边传送过来的电能，由谐振电容Cs和松耦合变压器的副边T-2并联而成；整流滤波电路采用4片肖特基二极管MBR30100C和电解电容构成，负责将接收到的交变电压整成直流电压；最后一级电路为BUCK降压电路，由开关管Q3、肖特基二极管D6、滤波电感L和滤波电容C4组成，负责将前级较高的直流电压变换到负载可接受的电压范围一面损坏负载。
本装置是在基于无线电能传输理论和电力电子软开关理论的基础上实现开关损耗的最小化和较高电能传输效率的。要想实现最高的电能传输效率必须满足两点。一是从无线电能传输理论的观点出发，要想实现最高的电能无线传输效率就必须控制逆变频率，是这个频率正好能使原副边发射和接受电路同时谐振，此时电能传输效率理论上能达到100%.二是从电力电子软开关的角度出发要使得逆变电路输出的电压与电流同频同相位才能做到开关管零电流开关。从而使开关管的开关应力降到最低同时几乎没有开关损耗。综合考虑只要满足了第一点也就能自然而然的满足第二点，因此原边控制电路的作用就是根据负载的变化动态的控制逆变电路的逆变频率从而使装置始终工作做在效率最高的状态。
原边控制电路主要由追频电路、隔离驱动电路组成，其电路原理图如图5所示，主要由信号调理电路、追频电路、死区电路和驱动电路四部分组成。其工作原理检测逆变电路的输出电流，当电流从正向过零时控制开关管Q1导通，当电流负向过零时控制开关管Q2导通，保证逆变器输出电压与电流始终同频同相（谐振），从而使整个装置不管负载如何变化始终工作在效率较高的最佳状态。电压电流谐振波形如图6所示。
信号调理电路原理图如图7所示，其作用是将套在主电路逆变器输出上的电流互感器的电流波形整成与之同步的方波。主要由LM339比较器为核心的电路组成，其中电阻R3可以调整相位从而使逆变电路输出电压电流严格谐振。信号调理电路的输出接到追频电路的输入端。信号调理电路输入与输出波形如图8所示。
追频电路原理图如图9所示，其作用为发出与信号调理电路输出电流同步信号同频同相的信号，此外还负责装置初始上电时电路自启动功能。追频电路主要CD4046为核心的电路组成，它能在上电之后很短的时间内输出与输入信号完全一致的驱动信号，此外由C9、D4、R14组成的自启动电路能在上电初始时时CD4046发出频率由高到低渐变的初始驱动信号，从而使装置主电路启动起来。主电路启动完成后再CD4046的控制之下点鲁能很快工作在谐振状态，从而降低开关损耗提高整体效率。
死区电路原理图如图10所示，其作用是生成最终控制逆变桥开关管Q1、Q2的驱动信号G1、G2，并在这两个信号之间插入一个死区以防止逆变桥Q1、Q2同时导通导致短路而烧毁电路。死区电路主要由两片与非门芯片74HC00组成，调整R7/C10、R10/C12可以控制插入死区时间的大小，插入死区的效果如图11所示。
驱动电路原理图如图12所示，其作用是将前面死区电路的驱动信号进行功率放大以驱动逆变桥开关管工作。驱动电路主要由一IR2110位核心的电路组成，由二极管D2、电容C3组成的自举电路可以驱动逆变桥上管子Q1工作。R1、R2为开关管门极驱动电阻，可以改善施加在开关管上的驱动波形，二极管D1、D2位开关管Q1、Q2关断时提供一个快速管段通路以减小开关损耗。
副边控制电路如图13所示，其主要作用是控制副边BUCK降压电路工作保证供给负载的电压在一个合理范围。已知BUCK电路的输入电压与输出电压之间具有如下关系：Uo=D*Ui
其中D为施加在BUCK电路开关管Q3脉冲占空比。只要合理的控制占空比D就能是装置的输出电压维持恒定，从而防止损坏负载。控制电路主要由UC3842为核心的电路组成，调整电路中的R1、C1可以改变BUCK电路的工作频率，调整图4副边主电路中的电阻R3、R4可以改变输出电压，稳态时输出电压关系为：
Uo=2.5*(1+R4/R3)。
本发明采用先进的锁相技术、自动追频技术、自谐振等技术，能够根据负载的变化及时调整供电发射端的输出功率以及频率，从而降低装置损耗提高供电效率并防止因副边电压过高而导致的用电设备损坏。

Claims (6)

1.一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，包括原边部分和副边部分；所述的原边部分包括高频逆变电路，高频逆变电路连接有原边控制电路和能量发射电路；所述的副边部分包括能量接收电路，与能量接收电路连接的整流滤波电路，与整流滤波电路连接的DC/DC变换电路，DC/DC变换电路连接的副边控制电路；所述的能量发射电路和能量接收电路构成能量耦合电路；其特征在于：所述的能量发射电路由高频谐振电容Cp和松耦合变压器原边T-1串联组成；所述的能量接收电路谐振电容Cs和松耦合变压器的副边T-2并联组成；松耦合变压器原边T-1和松耦合变压器的副边T-2均有一磁芯，磁芯的中心有一圆形磁柱，圆形磁柱的中心设有通孔；松耦合变压器原边T-1的圆形磁柱上安装有主线圈；松耦合变压器的副边T-2的圆形磁柱上安装有副线圈；两个磁芯之间的间隙为D,D<5mm，圆形磁柱的内壁厚度为d，磁芯的磁通量为r，0.5<r<d/D。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，其特征在于：所述的高频逆变电路包括开关管Q1、Q2、电阻R1、R2以及电容C1、C2；电阻R1的一端连接电容C1的一端以及开关管Q1的漏极，电容C1的另一端连接电容C2的一端，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C2的另一端以及开关管Q2源极，开关管Q1源极连接开关管Q2漏极，开关管Q1和开关Q2的栅极连接原边控制电路。
3.根据权利要求2所述的一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，其特征在于：所述的原边控制电路包括信号调理电路，与信号调理电路连接的追频电路，与追频电路连接的死区电路，与死区电路连接的驱动电路；所述的信号调理电路采用电压比较器芯片LM339；所述的追频电路采用CMOS锁相环集成电路CD4046；所述的死区电路采用两片四?与?非?门74HC00芯片；所述的驱动电路采用驱动芯IR2110，驱动芯IR2110的14脚连接开关管Q1的栅极，驱动芯IR2110的8脚连接开关管Q2的栅极；主线圈的一端连接电容C1和电容C2的公共端，主线圈的另一端连接驱动芯IR2110的12脚。
4.根据权利要求1所述的一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，其特征在于：所述的整流滤波电路采用二极管D2、D3、D4、D5以及电解电容C3，二极管D2、D4的正极对应连接二极管D3、D5的负极，二极管D2、D4的正极连接电解电容C3的正极，二极管D3、D5的负极连接电解电容C3的负极，二极管D2的正极连接副线圈的一端，二极管D4的正极连接副线圈的另一端；
所述的DC/DC变换电路采用BUCK降压电路，包括开关管Q3、二极管D6、滤波电感L、滤波电容C4以及电阻R3、R4；开关管Q3的漏极连接电解电容C3的正极，开关管Q3的源极连接滤波电感L的一端以及二极管D6的负极，滤波电感L的另一端连接滤波电容C4的正极以及电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端、波电容C4的负极以及二极管D6的正极连接电解电容C3的负极，开关管Q3的栅极连接副边控制电路。
5.根据权利要求4所述的一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，其特征在于：所述的副边控制电路采用电源驱动芯片UC3842，电源驱动芯片UC3842的6脚连接开关管Q3的栅极。
6.根据权利要求4所述的一种基于谐振耦合的无刷旋转构件供电装置，其特征在于：所述的二极管D2、D3、D4、D5均采用肖特基二极管MBR30100C。
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