CN108879983A - 可抵消电磁力的非接触式电能传输装置 - Google Patents

可抵消电磁力的非接触式电能传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，由逆变器、耦合器、整流/滤波器组成。本发明提供了一种可靠性高、寿命长、震动隔离、无电磁力、无磨损、不受杂质影响的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置。

Description

可抵消电磁力的非接触式电能传输装置
技术领域
本发明属于机电一体化技术领域，特别是涉及一种可抵消电磁力的非接触式电能传输装置。
背景技术
航空、航天、航海、卫星使用的各种雷达，速度转台，以及自动化电子装置，如机械关节，旋转臂，探矿钻井等电子设备中通常使用的导电滑环等电接触装置进行电能和信号的传输。
现代电子设备对这种电接触装置使用寿命和和长期工作的可靠性要求较高，传统电接触装置采用导电环和电刷动态接触的方法实现电能的传递，对导电环和电刷的导电性和抗电侵蚀性，抗化学腐蚀性及其抗磨损性等要求十分苛刻，导电环和电刷摩擦触点往往使用贵金属制成，造价高昂、工艺复杂而且依然存在寿命问题。
极端条件下，例如失重环境下，精密电子设备对于稳定性和精度有着很高的要求，采用传统导线连接方式存在着震动传递的问题，而采用可分离变压器式进行能量传输存在着电磁力干扰、传输效率低等问题。
申请号为201710370660.2，发明名称为“用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法”，公开日为2017年10月20日，该专利耦合器设计繁杂、沉重，说明书第16页提及，仅在传输距离2mm、在参数选取合适的条件下，耦合系数达到0.9；该专利用于数据和能量传输的初级耦合线圈为平面结构，相互平行放置。
申请号为201680018030.2，发明名称为“用于非接触式感应能量传输的装置和这种装置的操作方法”，公开日为2017年12月1日，该专利在耦合器部分需要辅助线圈产生磁感应和磁场传感器进行偏移量测定，电路构成复杂。
申请号为201310260065.5，发明名称为“非接触式信号与能量耦合传输装置”，公开日为2013年9月25日，该专利耦合器设计复杂，需要两个初级线圈和至少四个次级线圈进行能量传输。
申请号为200910191716.3，发明名称为“非接触能量信号同步传输的方法及其装置”，公开日为2010年6月2日，该专利侧重于数据能量同步传输，在专利中着重阐述能量传输条件下的数据传输完整性，未提及耦合器的设计。
申请号为200680009595.0，发明名称为“电感式旋转传输装置”，公开日为2008年3月19日，该专利用于数据和能量传输的耦合线圈为平面结构，相互平行放置。
以上专利均未提及耦合器间电磁力问题以及大功率能量传输问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，解决了现有技术中传输装置进行能量传输存在着电磁力干扰、传输效率低的问题。
本发明所采用的技术方案是，可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，由逆变器、耦合器、整流/滤波器组成；
所述逆变器，用于将直流电流变为交变电流，并将交变电流传输至耦合器；
所述耦合器，用于耦合传输交变电流至非接触的另一端，并传输至整流/滤波器；
所述整流/滤波器，用于整流滤波输出直流电流。
进一步的，所述耦合器由环形磁芯、初级耦合线圈和次级线圈组成，初级耦合线圈沿单一方向均匀的环绕在环形磁芯上，次级线圈和环形磁芯相互嵌套形成双环结构且互相穿过对方环心。
进一步的，所述逆变器由驱动信号产生器A1、第一开关管Q0A、第二开关管Q1A、第三开关管Q1B、第四开关管Q0B组成；
所述驱动信号产生器A1的H1端口与第一开关管Q0A的栅极相连，驱动信号产生器A1的L2端口和第三开关管Q1B的栅极相连，驱动信号产生器A1的H2端口与第二开关管Q1A的栅极相连，驱动信号产生器A1的L1端口和第四开关管Q0B的栅极相连，直流电源的正极与第一开关管Q0A的漏极和第二开关管Q1A的漏极相连，直流电源的负极与第四开关管Q0B的源极和第三开关管Q1B的源极相连，第一开关管Q0A的源极分别与第四开关管Q0B的漏极和初级耦合线圈的一端相连接，第二开关管Q1A的源极分别与第三开关管Q1B的漏极和初级耦合线圈的另一端相连接。
进一步的，所述整流/滤波器由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4以及滤波电容C1组成；
第一整流二极管D1的输入端与第四整流二极管D4的输出端相连接，第一整流二极管D1的输出端与第二整流二极管D2的输出端相连接，第二整流二极管D2的输入端与第三整流二极管D3的输出端相连接，第三整流二极管D3的输入端与第四整流二极管D4的输入端相连接，第二整流二极管D2的输出端和第三整流二极管D3的输入端通过滤波电容C1连接；第一整流二极管D1的输入端与次级线圈的一端连接，第二整流二极管D2的输入端与次级线圈的另一端连接。
进一步的，所述环形磁芯由磁导率为200H/m～200000H/m的磁性材料制成。
进一步的，所述逆变器的开关管数量至少为四个。
进一步的，所述整流/滤波器的整流二极管数量至少为四个。
本发明的有益效果是，与现有的传输装置相比，有以下的优点：
1.采用非接触方式实现能量传输，两个能量传输回路之间电气隔离，设备使用安全可靠。
2.传输部件之间无电气触点，避免使用贵金属制作电刷和滑环，有效降低成本和制造难度；无机械磨损，提高装置的使用寿命和可靠性。
3.区别于电接触式滑环，非接触式能量传输装置之间即使有水、灰尘等杂质，传输部件可进行防腐蚀处理，可用于潮湿环境，无腐蚀，也不会影响正常传输，降低了使用要求。
4.耦合双环之间只要不互相接触，耦合双环之间发生平移、扭转等运动不会影响非接触式能量传输装置的正常运行，机械配合简单，降低了结构设计的难度。
5.现有的可分离变压器式的非接触能量传输，存在耦合系数随距离变化较大、电磁泄露严重、传输能量小、传输效率低的问题。本发明结构上非接触，但是线圈产生的磁力线完全穿过接收环，耦合系数高，能量传输能力更强，效率更高，电磁泄露少。
6.耦合双环之间耦合系数高，能量传输可达20000W，可应用于高能耗需求的场合，能量传输效率高，且关键传输环节不存在电气连接，无电火花，稳定安全可靠。
7.耦合双环之间由于感应电磁场相互正交，在能量传输过程中不会产生电磁力，对于前后级涉及失重环境或精密仪器参与时，无电磁力干扰能够保证精密仪器的工作稳定性和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的原理示意框图；
图2是本发明的耦合器示意图；
图3是本发明逆变器、耦合器及整流/滤波器电路图。
图中，101.逆变器，102.耦合器，103.整流/滤波器，201.环形磁芯，202.初级耦合线圈，203.次级线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，如图1所示，由逆变器101、耦合器102、整流/滤波器103组成；
逆变器101，用于将直流电流变为交变电流，并将交变电流传输至耦合器102；
耦合器102，用于耦合传输交变电流至非接触的另一端，并传输至整流/滤波器103；
整流/滤波器103，用于整流滤波输出直流电流。
耦合器102由环形磁芯201、初级耦合线圈202和次级线圈203组成，初级耦合线圈202沿单一方向均匀的环绕在环形磁芯201上，次级线圈203和环形磁芯201相互嵌套形成双环结构且互相穿过对方环心，如图2所示。
环形磁芯201由磁导率为200H/m～200000H/m的磁性材料制成。
逆变器101由驱动信号产生器A1、第一开关管Q0A、第二开关管Q1A、第三开关管Q1B、第四开关管Q0B组成；
驱动信号产生器A1的H1端口与第一开关管Q0A的栅极相连，驱动信号产生器A1的L2端口和第三开关管Q1B的栅极相连，驱动信号产生器A1的H2端口与第二开关管Q1A的栅极相连，驱动信号产生器A1的L1端口和第四开关管Q0B的栅极相连，直流电源的正极与第一开关管Q0A的漏极和第二开关管Q1A的漏极相连，直流电源的负极与第四开关管Q0B的源极和第三开关管Q1B的源极相连，第一开关管Q0A的源极分别与第四开关管Q0B的漏极和初级耦合线圈202的一端相连接，第二开关管Q1A的源极分别与第三开关管Q1B的漏极和初级耦合线圈202的另一端相连接。
驱动信号产生器A1的H1、H2、L1、L2端口产生四路信号，其中H1端口、H2端口产生高端浮栅驱动信号，分别驱动第一开关管Q0A和第二开关管Q1A，L1端口、L2端口产生低端对地驱动信号，分别驱动第三开关管Q1B和第四开关管Q0B，L2端口产生的信号与H1端口的信号同相位，L1端口产生的信号与H2端口的信号同相位。
驱动信号产生器A1的H1端口产生的驱动方波和驱动信号产生器A1的H2端口产生的驱动方波为同频但互斥的驱动方波。驱动信号产生器A1的L2端口产生的驱动方波和驱动信号产生器A1的L1端口产生的驱动方波为同频但互斥的驱动方波。驱动信号产生器A1的H1端口产生的驱动方波和驱动信号产生器A1的L2端口产生的驱动方波同相位，但H1端口的为高端浮栅驱动信号，驱动信号产生器A1的H2端口产生的驱动方波和驱动信号产生器A1的L1端口产生的驱动方波波形同相位，但H2端口的为高端浮栅驱动信号。逆变器101工作时，在工作周期的前半周期，驱动信号产生器A1的H1端口、L2端口产生的驱动方波为高电平，驱动信号产生器A1的H2端口、L1端口产生的驱动方波为低电平，由H1端口控制的第一开关管Q0A、由L2端口控制的第三开关管Q1B开通，由H2端口控制的第二开关管Q1A、由L1端口控制的第四开关管Q0B关闭，电流从直流电源正极流过第一开关管Q0A，流向初级耦合线圈202后，经第三开关管Q1B流回直流电源负极，在工作周期的后半周期，驱动信号产生器A1的H1端口、L2端口产生的驱动方波为低电平，驱动信号产生器A1的H2端口、L1端口产生的驱动方波为高电平，由H1端口控制的第一开关管Q0A、由L2端口控制的第三开关管Q1B关闭，由H2端口控制的第二开关管Q1A、由L1端口控制的第四开关管Q0B开通，电流从直流电源正极流过第二开关管Q1A，流向初级耦合线圈202后，经第四开关管Q0B流回直流电源负极；在工作周期内，由于前半周期和后半周期流过初级耦合线圈202的电流方向相反，原直流输入被逆变器101逆变成交变方波电流。
根据逆变器101的工作原理，逆变器101中的开关管数量至少为四个，若需要提升电路的带载能力，对逆变器101中任意一个开关管进行并联。
整流/滤波器103由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4以及滤波电容C1组成；
第一整流二极管D1的输入端与第四整流二极管D4的输出端相连接，第一整流二极管D1的输出端与第二整流二极管D2的输出端相连接，第二整流二极管D2的输入端与第三整流二极管D3的输出端相连接，第三整流二极管D3的输入端与第四整流二极管D4的输入端相连接，第二整流二极管D2的输出端和第三整流二极管D3的输入端通过滤波电容C1连接；第一整流二极管D1的输入端与次级线圈203的一端连接，第二整流二极管D2的输入端与次级线圈203的另一端连接。
逆变器101在耦合器102的初级耦合线圈202上产生交变电流，在次级线圈203上感应出同频的交变电流，当感应电流为正半周时，对第一整流二极管D1、第三整流二极管D3加正向电压，第一整流二极管D1、第三整流二极管D3导通；对第二整流二极管D2、第四整流二极管D4加反向电压，第二整流二极管D2、第四整流二极管D4截止；电路中构成次级线圈203、第一整流二极管D1、滤波电容C1、第三整流二极管D3通电回路，在负载上形成上正下负的半波整流电压，经滤波电容C1将半波电流滤波为直流电流；当感应电流为为负半周时，对第二整流二极管D2、第四整流二极管D4加正向电压，第二整流二极管D2、第四整流二极管D4导通；对第一整流二极管D1、第三整流二极管D3加反向电压，第一整流二极管D1、第三整流二极管D3截止，电路中构成次级线圈203、第二整流二极管D2、滤波电容C1、第四整流二极管D4通电回路，同样在负载上形成上正下负的另外半波的整流电压，经滤波电容C1将半波电流滤波为直流电流；如此重复下去，结果在负载上得到直流电压。从图3中看出，整流电路中每只整流二极管承受的反向电压等于次级线圈203上电压的最大值，比常见的全波整流电路小一半，并且整流电路方案将次级感应电流的正负半周全部用于整流，利用率更高。
根据整流/滤波器103的工作原理，根据整流/滤波器103中的整流二极管数量至少为四个，在实际电路设计中，对整流/滤波器103中任意一个整流二极管进行并联。
经过耦合器102传输的交变电流传输至整流/滤波器103，经第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4以及滤波电容C1整流滤波后，转换成直流电压输出。
本发明的工作原理如下：
直流电流进入逆变器101，通过逆变器101中的驱动信号发生器A1控制四个开关管，将直流电流逆变为交变电流，逆变器101产生的交变电流传输至耦合器102的初级耦合线圈202产生交变磁场，交变磁场使次级线圈203闭合产生感应电流完成非接触式的能量传输，次级线圈203接收到的感应电流，经过整流/滤波器103整流滤波后变成直流电流输出使用。
耦合器102在逆变器101产生的交变电流通入初级耦合线圈202后，产生交变磁场，磁场产生的磁感应线集中在环形磁芯201内，在磁场发生变化时，次级线圈203闭合产生感应电流；该感应原理和电流互感器的感应原理类似，但是电流互感器仅能用于检测电流信号，而不能进行大功率能量传输；
耦合器102由耦合双环进行能量传输，交变电流通入初级耦合线圈202后，产生的交变磁场的磁力线全部通过闭合次级线圈203，在次级线圈203上产生感应电流，传递能量，由于耦合过程中无电磁泄露，能量传递能力可达20000W，能量传递效率可达95％以上。
耦合器102由耦合双环进行能量传输，交变电流通入初级耦合线圈202后，产生的交变电磁场沿环形磁芯201的方向分布，在次级线圈203上产生感应电流，由感应电流产生的感应电磁场方向垂直于次级线圈203竖直面；环形磁芯201上的感应电磁场与次级线圈203感应电磁场相互正交，在工作中不会感应电磁力，相连接的结构和元器件不会受到电磁力的干扰。
整流/滤波器103，将不规则的感应电流整流滤波成直流电流，以供给用电设备。
可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，具有以下优点：
1.非接触能量传输，可抵消电磁力，震动隔离，且耦合器102中初级耦合线圈202产生的磁力线与接收的次级线圈203正交，初级耦合线圈202与次级线圈203间无电磁力，不会对耦合器102前后期产生电磁力影响，特别适用于失重环境下精密仪器的供能；
2.耦合器102中初级耦合线圈202中产生的磁力线被环形磁芯201束缚在环形磁芯201所在空间内并完全穿过次级线圈203，耦合紧密，带载能力可达20000W；
3.在能量传输过程中，耦合器102不限制初级耦合线圈202与次级线圈203的位置变化，耦合系数高于0.9，在一定范围内位置的移动不会影响耦合器102的耦合系数，保证功率和效率传输。
本发明由于耦合器102设计巧妙，初级耦合线圈202和次级线圈203在位置变化时也能保证完全耦合，环形磁芯201、初级耦合线圈202和次级线圈203即可完成能量传输，确保带载稳定性；耦合器102间无电磁力影响；可以进行20000W以上大功率能量传输。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，由逆变器(101)、耦合器(102)、整流/滤波器(103)组成；
所述逆变器(101)，用于将直流电流变为交变电流，并将交变电流传输至耦合器(102)；
所述耦合器(102)，用于耦合传输交变电流至非接触的另一端，并传输至整流/滤波器(103)；
所述整流/滤波器(103)，用于整流滤波输出直流电流。
2.根据权利要求1所述的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，所述耦合器(102)由环形磁芯(201)、初级耦合线圈(202)和次级线圈(203)组成，初级耦合线圈(202)沿单一方向均匀的环绕在环形磁芯(201)上，次级线圈(203)和环形磁芯(201)相互嵌套形成双环结构且互相穿过对方环心。
3.根据权利要求2所述的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，所述逆变器(101)由驱动信号产生器A1、第一开关管Q0A、第二开关管Q1A、第三开关管Q1B、第四开关管Q0B组成；
所述驱动信号产生器A1的H1端口与第一开关管Q0A的栅极相连，驱动信号产生器A1的L2端口和第三开关管Q1B的栅极相连，驱动信号产生器A1的H2端口与第二开关管Q1A的栅极相连，驱动信号产生器A1的L1端口和第四开关管Q0B的栅极相连，直流电源的正极与第一开关管Q0A的漏极和第二开关管Q1A的漏极相连，直流电源的负极与第四开关管Q0B的源极和第三开关管Q1B的源极相连，第一开关管Q0A的源极分别与第四开关管Q0B的漏极和初级耦合线圈(202)的一端相连接，第二开关管Q1A的源极分别与第三开关管Q1B的漏极和初级耦合线圈(202)的另一端相连接。
4.根据权利要求2所述的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，所述整流/滤波器(103)由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4以及滤波电容C1组成；
第一整流二极管D1的输入端与第四整流二极管D4的输出端相连接，第一整流二极管D1的输出端与第二整流二极管D2的输出端相连接，第二整流二极管D2的输入端与第三整流二极管D3的输出端相连接，第三整流二极管D3的输入端与第四整流二极管D4的输入端相连接，第二整流二极管D2的输出端和第三整流二极管D3的输入端通过滤波电容C1连接；第一整流二极管D1的输入端与次级线圈(203)的一端连接，第二整流二极管D2的输入端与次级线圈(203)的另一端连接。
5.根据权利要求2所述的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，所述环形磁芯(201)由磁导率为200H/m～200000H/m的磁性材料制成。
6.根据权利要求3所述的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，所述逆变器(101)的开关管数量至少为四个。
7.根据权利要求4所述的可抵消电磁力的非接触式电能传输装置，其特征在于，所述整流/滤波器(103)的整流二极管数量至少为四个。
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