CN110174581B - 无线传输变压器漏感测量方法和装置 - Google Patents

无线传输变压器漏感测量方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无线传输变压器漏感测量方法和装置，无线传输变压器包括：变压器以及与变压器连接的换能器，该方法包括：获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数；获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数；建立等效电路模型，等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；根据第一特征参数、第二特征参数以及等效电路模型计算变压器的漏感值。上述方法可以在变压器的原边绕组和副边绕组完全分离的条件下，测量变压器的漏感值。

Description

无线传输变压器漏感测量方法和装置
技术领域
本发明涉及无线传输变压器技术领域，特别是涉及无线传输变压器漏感测量方法和装置。
背景技术
变压器铁磁线圈元件作为能量传输系统中的重要元件，在各行各业都被大量使用。理想变压器可以实现能量的无损传输，实际当中，变压器的原边绕组和副边绕组所产生的磁通，并非全部通过主磁路铁芯，有一部分经空气构成回路，称此为漏磁通，相应产生的电感值称之为漏感。对高频变压器来说，漏感对电气性能影响很大，因为漏感会降低能量传输率，使电路产生辐射干扰，产生干扰噪声。漏感的测量显得尤为重要，通过测量变压器的漏感，可以判断一个变压器的优劣。
传统地，主要使用短路试验方法测量变压器漏感，短路试验方法将副边(原边)绕组短路，测量原边(副边)绕组的电感，所得的电感值就是原边(副边)到副边(原边)的漏感。在无线传输变压器领域，与传统变压器有所不同的是，其结构特点是变压器的原边绕组与副边绕组完全分离开，各个绕组嵌在不同的工件上，并与相应工件互为一体。因此无法采用传统的方法来测量变压器的漏感值。
发明内容
本申请提供一种无线传输变压器漏感测量方法和装置，可以实现在无线传输变压器的原边绕组和副边绕组完全分离的条件下，测量变压器的漏感值。
一种无线传输变压器漏感测量方法，所述无线传输变压器包括：变压器以及与所述变压器连接的换能器，所述方法包括：
获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数；
获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数；
建立等效电路模型，所述等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；
根据所述第一特征参数、第二特征参数以及所述等效电路模型计算变压器的漏感值。
在一实施例中，第一特征参数包括：换能器的电阻分量以及换能器的电抗分量；
第二特征参数包括：串联谐振频率以及并联谐振频率。
在一实施例中，所述方法还包括：
设置获取特征参数的元器件分析仪的工作频率范围。
在一实施例中，所述根据所述第一特征参数、第二特征参数以及等效电路模型计算变压器的漏感值包括：
根据所述等效电路模型获取表示无线传输变压器电阻分量的第一等式以及表示无线传输变压器电抗分量的第二等式；
根据所述第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值。
在一实施例中，所述根据所述第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值包括：
根据第二特征参数，当无线传输变压器处于串联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到串联谐振方程；
根据第二特征参数，当无线传输变压器处于并联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到并联谐振方程；
根据所述串联谐振方程以及所述并联谐振方程计算变压器的漏感值。
在一实施例中，所述等效电路模型包括换能器等效电路以及变压器等效电路。
在一实施例中，所述换能器等效电路包括：动态电感、动态电容、动态电阻以及静态电容；
所述动态电感、所述动态电容以及所述动态电阻串联以组成所述换能器等效电路模型的串联支路；
所述串联支路与所述静态电容并联以组成所述换能器等效电路模型的并联支路。
在一实施例中，所述变压器等效电路包括：原边绕组、副边绕组、漏感以及励磁电感；
所述漏感与所述原边绕组串联，所述励磁电感与所述原边绕组并联，所述副边绕组与所述换能器等效电路模型连接。
在一实施例中，所述原边绕组与所述副边绕组之间设置有隔离板。
在一实施例中，所述方法还包括：
调节无线传输变压器的定子和转子之间的气隙，以获取所述定子和所述转子在不同气隙时变压器的漏感值。
一种无线传输变压器漏感测量装置，所述无线传输变压器包括：变压器以及与所述变压器连接的换能器，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数；
第二获取模块，用于获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数；
模型建立模块，用于建立等效电路模型，所述等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；
计算模块，用于根据所述第一特征参数、第二特征参数以及所述等效电路模型计算变压器的漏感值。
上述无线传输变压器漏感测量方法和装置，通过获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数；获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数；建立等效电路模型，所述等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；根据所述第一特征参数、第二特征参数以及所述等效电路模型计算变压器的漏感值，可以在变压器的原边绕组和副边绕组完全分离的条件下，测量无线变压器的漏感值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为一实施例中提供的无线传输变压器漏感测量方法的流程图；
图2为一实施例中提供的等效电路模型的结构示意图；
图3为另一实施例中提供的无线传输变压器漏感测量方法的流程图；
图4为再一实施例中提供的无线传输变压器漏感测量方法的流程图；
图5为一实施例中提供的无线传输变压器漏感测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为一实施例中提供的无线传输变压器漏感测量方法的流程图，如图1所示，无线传输变压器漏感测量方法包括步骤110至步骤140，其中，
步骤110，获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数。
换能器是一种能量转换器件，超声波通过换能器将高频电能转换为机械振动。在超声波无线传输机械加工应用领域的无线传输变压器，变压器原边绕组与副边绕组完全分离开，各个绕组相互嵌在不同的工件上，与工件互为一体。嵌在超声波主轴上的成为定子，嵌在超声波刀柄上的为转子。其中，无线传输变压器的转子是由变压器副边绕组、换能器组成。变压器副边绕组的两端输出接口与换能器两端的输入接口相连后可以通过腔体封装成为一体后嵌入到转子中。无线传输变压器的原边绕组嵌在定子中。
换能器的特征参数可以反映换能器的性能，特征参数可以包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。换能器嵌设到转子中，其特征参数通常为常数，作为校准参数辅助计算出变压器漏感值。本实施例可以仅获取与计算无线传输变压器漏感值有关的特征参数作为第一参数。
获取换能器的第一特征参数可以是用户根据换能器的型号直接获取，也可以通过表征换能器特征参数的换能器等效电路来获取。例如，可以通过元器件分析仪获取换能器的第一特征参数。具体地，参考图2，可以将元器件分析仪V1的两端连接至换能器的两端，以获取换能器的第一特征参数。元器件分析仪V1的工作原理是通过获取被测件在不同频率下电压和电流的响应特性来计算出被测件的阻抗特性，然后通过建立的电路波形将测量出的阻抗特性进行表征。阻抗特性包括阻抗最大值和阻抗最小值，在阻抗为最小值处，电压与电流的相位为0，电流最大，换能器处于串联谐振状态；在阻抗为最大值处，电压与电流的相位为0，电压最大，换能器处于并联谐振状态。在一实施例中，第一特征参数包括：换能器的电阻分量以及换能器的电抗分量。
步骤120，获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数。
无线传输变压器包括相连接的换能器和变压器T2，变压器T2的副边绕组嵌入在换能器中。由于变压器线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈，因此产生漏磁的电感称为漏感，漏感指变压器T2的原边绕组和副边绕组在耦合的过程中漏掉的那一部分磁通。
无线传输变压器的特征参数可以通过元器件分析仪V1获取无线传输变压器的特征参数。具体地，可以将元器件分析仪V1的两端连接至无线传输变压器的两端，以获取无线传输变压器的特征参数。第二特征参数包括：串联谐振频率以及并联谐振频率。其中，串联谐振频率为无线传输变压器在阻抗为最小值时，电压与电流相位为0的谐振状态；并联谐振频率为无线传输变压器在阻抗为最大值时，电压与电流相位为0的谐振状态。
步骤130，建立等效电路模型，等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型。
等效电路模型包括变压器的漏感，以通过等效电路模型将获取的多个特征参数建立联系，从而计算出变压器的漏感。
在一实施例中，如图2所示，等效电路模型200包括换能器等效电路210以及变压器等效电路220。其中，换能器等效电路210包括：动态电感L1、动态电容C1、动态电阻R1以及静态电容C0；动态电感L1、动态电容C1以及动态电阻串联R1以组成换能器等效电路210的串联支路；串联支路与静态电容C0并联以组成换能器等效电路210的并联支路。
换能器的特征参数，即换能器的电阻分量Re以及换能器的电抗分量Xe可以分别表示为：
Figure BDA0002043599550000081
Figure BDA0002043599550000082
可以通过元器件分析仪V1上导纳圆获取换能器的导纳最大和最小值，即对应换能器阻抗最小值Zmin和最大值Zmax。阻抗最小时换能器工作在串联谐振状态，频率为fs0；阻抗最大时换能器工作在并联谐振状态，频率为fp0。
变压器等效电路220包括：原边绕组、副边绕组、漏感L2以及励磁电感L3。漏感L2与原边绕组串联，励磁电感L3与原边绕组并联，且漏感L2的一端与励磁电感L3连接，副边绕组与换能器等效电路210连接。
步骤140，根据第一特征参数、第二特征参数以及等效电路模型200计算变压器的漏感值。
本实施例提供的无线传输变压器的漏感测量方法，通过将换能器的第一特征参数作为标准件，然后将无线传输变压器的副变绕组嵌入在换能器中，并获取无线传输变压器的第二特征参数，通过建立等效电路模型200以建立第一特征参数与第二特征参数的等式关系来求解变压器T2的漏感值，从而可以实现在变压器的原边绕组和副边绕组完全分离的条件下，测量出变压器T2的漏感值。
在一实施例中，如图2和图3所示，根据所述第一特征参数、第二特征参数以及等效电路模型200计算变压器的漏感值包括步骤310和步骤320，其中，步骤310，根据等效电路模型200获取表示无线传输变压器电阻分量的第一等式以及表示无线传输变压器电抗分量的第二等式；即无线传输变压器的电阻分量Re1和电抗分量Xe1，
第一等式：
Figure BDA0002043599550000091
第二等式：
Figure BDA0002043599550000092
其中，w＝2πf，f为无线传输变压器的工作频率。
步骤320，根据第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值。
如图4所示，根据第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值包括步骤410至步骤430，其中，
步骤410，根据第二特征参数，当无线传输变压器处于串联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到串联谐振方程；
当无线传输变压器处于串联谐振状态时，系统相位θ＝0，
Figure BDA0002043599550000093
无线传输变压器的阻抗最小，此时对应的工作频率为串联谐振频率fs1，将串联谐振频率fs1代入第一等式，得到ws1＝2πfs1，串联谐振方程可以表示为：
Figure BDA0002043599550000094
步骤420，根据第二特征参数，当无线传输变压器处于并联谐振状态时，将第一特征参数代入第二等式，得到并联谐振方程。
当无线传输变压器处于并联谐振状态时，系统相位θ＝0，
Figure BDA0002043599550000095
无线传输变压器的阻抗最大，此时对应的工作频率为并联谐振频率fp1，将并联谐振频率fp1代入第二等式，得到wp1＝2πfp1，并联谐振方程可以表示为：
Figure BDA0002043599550000096
步骤430，根据串联谐振方程以及并联谐振方程计算变压器的漏感值，即求解变压器的漏感L2的值。
具体地，
Figure BDA0002043599550000101
假设，特征系数K1，K2分别为：
Figure BDA0002043599550000102
K1＝2Xeωs1ωp1
则变压器的漏感L2可以表示为：
Figure BDA0002043599550000103
从而可以计算出变压器的漏感值。
在一实施例中，无线传输变压器漏感测量方法还包括：
设置获取特征参数的元器件分析仪V1的工作频率范围。
元器件分析仪V1具有宽频信号源输出能力，因此正弦波频率输出范围需要满足测量要求，即元器件分析仪V1的工作频率应大于被测件的工作频率。元器件分析仪V1的工作频率设置所涉及到的参数包括起始频率、终止频率以及扫描点数。具体实施过程为：元器件分析仪V1从起始频率开始，按照设定的扫描点数对被测件进行扫描，直到扫描结束。
在一实施例中，无线传输变压器漏感测量方法还包括：
调节无线传输变压器的定子和转子之间的气隙，以获取定子和转子在不同气隙时变压器的漏感值。
在超声波无线传输机械加工应用领域的变压器，与传统变压器有所不同的是，其结构特点是变压器原边绕组与幅边绕组完全分离开，各个绕组相互嵌在不同的工件上，与工件互为一体。嵌在超声波主轴上的成为定子，嵌在超声波刀柄上的为转子。当定子和转子安装完毕后，由于原边绕组和副边绕组彼此分离而且嵌入在不同工件中，变压器的漏感随着定子与转子之间的气隙而发生变化。通过调节定子和转子之间的气隙，可以获得定子和转子在不同气隙时的变压器的漏感值。
应该理解的是，虽然图1、图3和图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1、图3和图4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
图5为一实施例中提供的无线传输变压器漏感测量装置的结构示意图，如图5所示，无线传输变压器漏感测量装置包括：第一获取模块510、第二获取模块520、模型建立模块530和计算模块540；其中，
第一获取模块510，用于获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数；
第二获取模块520，用于获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数；
模型建立模块530，用于建立等效电路模型，所述等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；
计算模块540，用于根据所述第一特征参数、第二特征参数以及所述等效电路模型计算变压器的漏感值。
第一特征参数包括：换能器的电阻分量以及换能器的电抗分量；
第二特征参数包括：串联谐振频率以及并联谐振频率。
在一实施例中，所述方法还包括：
设置获取特征参数的元器件分析仪的工作频率范围。
在一实施例中，计算模块540根据所述等效电路模型获取表示无线传输变压器电阻分量的第一等式以及表示无线传输变压器电抗分量的第二等式；
根据所述第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值。
在一实施例中，所述根据所述第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值包括：
根据第二特征参数，当无线传输变压器处于串联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到串联谐振方程；
根据第二特征参数，当无线传输变压器处于并联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到并联谐振方程；
根据所述串联谐振方程以及所述并联谐振方程计算变压器的漏感值。
在一实施例中，所述等效电路模型包括换能器等效电路以及变压器等效电路。
在一实施例中，所述换能器等效电路包括：动态电感、动态电容、动态电阻以及静态电容；
所述动态电感、所述动态电容以及所述动态电阻串联以组成所述换能器等效电路模型的串联支路；
所述串联支路与所述静态电容并联以组成所述换能器等效电路模型的并联支路。
在一实施例中，所述变压器等效电路包括：原边绕组、副边绕组、漏感以及励磁电感；
所述漏感与所述原边绕组串联，所述励磁电感与所述原边绕组并联，所述副边绕组与所述换能器等效电路模型连接。
在一实施例中，无线传输变压器漏感测量装置还包括调节模块(图中为示出)，调节模块用于调节无线传输变压器的定子和转子之间的气隙，以获取所述定子和所述转子在不同气隙时变压器的漏感值。
上述无线传输变压器漏感测量装置中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将无线传输变压器漏感测量装置按照需要划分为不同的模块，以完成上述无线传输变压器漏感测量装置的全部或部分功能。
关于无线传输变压器漏感测量装置的具体限定可以参见上文中对于无线传输变压器漏感测量方法的限定，在此不再赘述。上述无线传输变压器漏感测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本申请实施例中提供的无线传输变压器漏感测量装置中的各个模块的实现可为计算机程序的形式。该计算机程序可在终端或服务器上运行。该计算机程序构成的程序模块可存储在终端或服务器的存储器上。该计算机程序被处理器执行时，实现本申请实施例中所描述方法的步骤。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种无线传输变压器漏感测量方法，所述无线传输变压器包括：变压器以及与所述变压器连接的换能器，其特征在于，所述变压器的副边绕组嵌入在所述换能器中，所述方法包括：
获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数，所述第一特征参数包括：换能器的电阻分量以及换能器的电抗分量；
获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数，所述第二特征参数包括：串联谐振频率以及并联谐振频率；
建立等效电路模型，所述等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；所述等效电路模型包括换能器等效电路以及变压器等效电路，所述换能器等效电路包括：动态电感、动态电容、动态电阻以及静态电容；
所述动态电感、所述动态电容以及所述动态电阻串联以组成所述换能器等效电路的串联支路；
所述串联支路与所述静态电容并联以组成所述换能器等效电路的并联支路；
根据所述第一特征参数、第二特征参数以及所述等效电路模型计算变压器的漏感值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
设置获取特征参数的元器件分析仪的工作频率范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一特征参数、第二特征参数以及等效电路模型计算变压器的漏感值包括：
根据所述等效电路模型获取表示无线传输变压器电阻分量的第一等式以及表示无线传输变压器电抗分量的第二等式；
根据所述第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一特征参数、第二特征参数、第一等式以及第二等式计算变压器的漏感值包括：
根据第二特征参数，当无线传输变压器处于串联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到串联谐振方程；
根据第二特征参数，当无线传输变压器处于并联谐振时，将第一特征参数代入第二等式，得到并联谐振方程；
根据所述串联谐振方程以及所述并联谐振方程计算变压器的漏感值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述变压器等效电路包括：原边绕组、副边绕组、漏感以及励磁电感；
所述漏感与所述原边绕组串联，所述励磁电感与所述原边绕组并联，所述副边绕组与所述换能器等效电路连接。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
调节无线传输变压器的定子和转子之间的气隙，以获取所述定子和所述转子在不同气隙时变压器的漏感值。
7.一种无线传输变压器漏感测量装置，所述无线传输变压器包括：变压器以及与所述变压器连接的换能器，其特征在于，所述变压器的副边绕组嵌入在所述换能器中，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取换能器的特征参数，将换能器的特征参数作为第一特征参数，所述第一特征参数包括：换能器的电阻分量以及换能器的电抗分量；
第二获取模块，用于获取无线传输变压器的特征参数，将无线传输变压器的特征参数作为第二特征参数，所述第二特征参数包括：串联谐振频率以及并联谐振频率；
模型建立模块，用于建立等效电路模型，所述等效电路模型为无线传输变压器的等效电路模型；所述等效电路模型包括换能器等效电路以及变压器等效电路，所述换能器等效电路包括：动态电感、动态电容、动态电阻以及静态电容；所述动态电感、所述动态电容以及所述动态电阻串联以组成所述换能器等效电路的串联支路；所述串联支路与所述静态电容并联以组成所述换能器等效电路的并联支路；
计算模块，用于根据所述第一特征参数、第二特征参数以及所述等效电路模型计算变压器的漏感值。
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