CN112653253A - 一种空心非接触变压器传能结构及传能方法 - Google Patents

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CN112653253A CN202011499624.4A CN202011499624A CN112653253A CN 112653253 A CN112653253 A CN 112653253A CN 202011499624 A CN202011499624 A CN 202011499624A CN 112653253 A CN112653253 A CN 112653253A
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刘强
张丹
高艳杰
黄勇
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Beijing Ruisai Chang Cheng Aeronautical M & C Technology Co ltd
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Abstract

本发明属于非接触电能传输技术领域，特别是涉及一种空心非接触变压器传能结构。所示传能结构包括发电模块、整流模块、原边骨架和副边骨架；发电模块与原边骨架连接，并安装于原边骨架内；发电模块包括相互连接的电流电压转换电路和谐振耦合电路，电流电压转换电路用于将外部接入的电压进行转换；谐振耦合电路与原边骨架的电感线圈连接，用于输出谐振频率；副边骨架的电感线圈感应原边骨架的电感线圈的谐振频率以产生交流电流，并传输给整流模块；整流模块将交流电流转换为直流电并输出给外部负载。本发明能够实现电能的无线传输，提高系统的稳定性和增强电能的传输效率。

Description

一种空心非接触变压器传能结构及传能方法
技术领域
本发明属于非接触电能传输技术领域，特别是涉及一种空心非接触变压器传能结构及传能方法。
背景技术
非接触电能传输系统是旋转体基站的重要组成部分，对旋转体基站系统的工作状态及工作性能起到关键作用。目前存在某些测量系统使用旋转体基站方法进行试验，故需要结构简易且性能稳定的非接触电能传输方案。
发明内容
本发明的目的：提供一种空心非接触变压器传能结构，能够实现电能的无线传输，提高系统的稳定性和增强电能的传输效率。
本发明的技术方案是，提供一种空心非接触变压器传能结构，所示传能结构包括发电模块、整流模块、原边骨架和副边骨架；发电模块与原边骨架连接，并安装于原边骨架内；发电模块包括相互连接的电压转换电路和谐振耦合电路，电压转换电路用于将外部接入的电压进行转换；谐振耦合电路与原边骨架的电感线圈连接；谐振耦合电路用于输出特定谐振频率的电信号给原边骨架的电感线圈，原边骨架的电感线圈将特定谐振频率的电信号转换成电磁信号，传递至副边骨架的电感线圈；
副边骨架的电感线圈感应原边骨架的电感线圈的电磁信号以产生交流电流，并传输给整流模块；整流模块将交流电流转换为直流电并输出给外部负载。
可选地，电压转换电路包括电压转换模块；电压转换模块包括DC稳压器芯片U1、电阻R1和电阻R2，DC稳压器芯片U1的输入端IN与外部电源连接，DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2均与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与电阻R2及DC稳压器芯片U1的GND端连接；电阻R2的一端与电阻R1及DC稳压器芯片U1的GND端连接，另一端接地；DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2为电压转换电路的输出端VCC。
可选地，电压转换电路还包括保护电路模块、第一电容滤波模块和第二电容滤波模块；
其中，保护电路模块包括串联的PTC保险丝和二极管D1，PTC保险丝的一端与外部电源输入端2连接，另一端与二极管D1正极连接，二极管D1负极与外部电源输入端1之间并联第一电容滤波模块；二极管D1负极与DC稳压器芯片U1的输入端IN连接，外部电源输入端1接地；第一电容滤波模块为多个并联电容；
DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2与第二电容滤波模块的一端连接，第二电容滤波模块的另一端接地；第二电容滤波模块为多个并联电容。
可选地，谐振耦合电路包括：半桥驱动芯片U2、电阻R4、电容C12和第一芯片驱动电路和第二芯片驱动电路；半桥驱动芯片U2型号为IR2153；
半桥驱动芯片U2的VCC端与电压转换电路的输出端VCC及二极管D2的正极连接；半桥驱动芯片U2的RT端与电阻R4的一端连接；半桥驱动芯片U2的CT端与电阻R4的另一端及电容C12的一端连接；半桥驱动芯片U2的COM端与电容C12的另一端连接并接地；半桥驱动芯片U2的VB端与二极管D2的负极及电容C10的一端连接；半桥驱动芯片U2的HO端与第一芯片驱动电路连接；半桥驱动芯片U2的VS端与电容C10的另一端、原边骨架的电感线圈L2的一端及第一芯片驱动电路连接；半桥驱动芯片U2的LO端与第二芯片驱动电路连接；其中，第一芯片驱动电路和第二芯片驱动电路用于驱动半桥驱动芯片U2。
可选地，第一芯片驱动电路包括电阻R3、MOS管Q1和电容C11，电阻R3的一端与半桥驱动芯片U2的HO端连接，另一端与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的漏级与电容C11的一端及外部24V电源连接；MOS管Q1的源级与半桥驱动芯片U2的VS端、原边骨架的电感线圈L2的一端及第二芯片驱动电路连接；电容C11的另一端与原边骨架的电感线圈L2的另一端及第二芯片驱动电路连接；
第二芯片驱动电路包括电阻R5、MOS管Q2和电容C13，电阻R5的一端与半桥驱动芯片U2的LO端连接，另一端与MOS管Q2的栅极连接；MOS管Q2的漏级与半桥驱动芯片U2的VS端、原边骨架的电感线圈L2的一端及MOS管Q2的源级连接；MOS管Q2的源级与电容C13的一端连接并接地；电容C13另一端与原边骨架的电感线圈L2的另一端连接。
可选地，MOS管Q1、MOS管Q2的型号为IRFR3410。
可选地，整流模块包括全桥整流电路和第三电容滤波电路；
其中，全桥整流电路包括二极管D3、D4、D5和D6；D3的正极与副边骨架的电感线圈L1的AC1接线端连接，D3的负极与D4的负极连接；D4的正极与副边骨架的电感线圈L1的AC2接线端、D6的负极连接；D6的正极与D5的正极连接；D5的负极与D3的正极连接；D4的负极与D6的正极之间并联第三电容滤波电路；第三电容滤波电路为多个并联的电容，用于滤波；D4的负极与整流模块的输出端VCC1连接，D6的正极接地。
可选地，原边骨架和副边骨架均包括环形骨架，及逆时针绕环形骨架的漆包线；
其中，原边骨架的环形骨架与副边骨架的环形骨架上下非接触设置。
另一方面，提供一种空心非接触变压器传能方法，利用如上所述的传能结构，所述方法包括：不同的外部电源通过配置电源电压输出电路的电阻参数以输出稳定的电路工作电压；配置谐振耦合电路的电阻参数，以得到预计的振荡频率，并判断频率是否满足要求；
通过原边骨架的电感线圈和副边骨架的电感线圈进行非接触电磁能量传输；
整流模块将副边骨架感应到的电能滤波整流为稳定输出的驱动电流，并输出给外部负载；若出现负载激光器不亮或测试输出的负载电流不满足要求，判断传能结构出现故障。
本发明的技术效果：
本发明较以往电路布局复杂、功耗高效率低、整体性价比较低的变压器传能结构，本发明具有模块化设计，易于排查问题、电能传输效率更高，并且制作成本低等优点，可适用于非接触旋转台体能量传输系统。
本发明的输出电流为经过滤波整流模块后的直流电流，在经过稳压芯片进行负载驱动，可以保证负载稳定工作。
附图说明
图1是本实施例电流电压转换电路示意图；
图2是本实施例谐振耦合电路示意图；
图3是本实施例的全桥整流滤波电路示意图；
图4是空心非接触变压器传能示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例，提供一种空心非接触变压器传能结构，所述传能结构包括发电模块、整流模块、原边骨架和副边骨架。
其中，发电模块与原边骨架连接，并安装于原边骨架内；发电模块用于将外部接入的电源电压进行转换。发电模块包括电压转换电路和谐振耦合电路。电压转换电路用于将外部接入的24V交流电转换为12V直流电；谐振耦合电路与原边骨架的电感线圈连接，用于输出谐振频率，与副边骨架进行电磁能量互感。谐振耦合电路用于输出特定谐振频率的电信号给原边骨架的电感线圈，原边骨架的电感线圈将特定谐振频率的电信号转换成电磁信号，传递至副边骨架的电感线圈。
副边骨架的电感线圈感应原边骨架的电磁能量以产生交变电流，并传输给整流模块，整流模块将交流电流转换为直流电并输出给外部激光器。
图1是本实施例电流电压转换电路示意图，结合图1所示，电流电压转换电路包括依次连接的保护电路模块、第一电容滤波模块、电压转换模块和第二电容滤波模块。其中，保护电路模块包括串联的PTC保险丝和二极管D1，PTC保险丝的一端与外部电源输入端2连接，另一端与二极管D1正极连接，二极管D1负极与第一电容滤波模块连接。本实施例，PTC保险丝的最大电流为3A。
第一电容滤波模块包括多个依次并联的电容，具体包括一端均与二极管D1负极和外部24V电源连接，另一端均与外部电源输入端1连接的电容C4、C1、C5、C2、C6和C3；外部电源输入端1接地；其中，电容C4、C1、C5、C2、C6的规格为22μF/25V，C3的规格为0.1μF/50V。
电压转换模块包括DC稳压器芯片U1、电阻R1和电阻R2，DC稳压器芯片U1的输入端IN与二极管D1负极和外部24V电源连接，DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2均与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与电阻R2及DC稳压器芯片U1的GND端连接；电阻R2的一端与电阻R1及DC稳压器芯片U1的GND端连接，另一端接地。
第二电容滤波模块包括电容C7、C8、C9，电容C7、C8、C9一端均与DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2连接，另一端均接地。本实施例，电容C7、C8的规格为22μF/25V，电容C9的规格为1μF/50V。
本实施例，DC稳压器芯片U1型号为LM317，输出电压范围为1.2V-37V，提供1.5A的电流。DC稳压器芯片U1采用两个外部电阻来设置输出电压。此外还具备限流、热保护等功能。LM317包括诸多特点：输出电流超过1.5A；输出电压1.2V-37V；避免置备多种固定电压；型线性调整率0.01％；典型负载调整率0.1％；80dB纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护；标准三端晶体管封装。
本实施例，电流电压转换电路的输出电压的辐值可通过调整R1与R2的比例关系进行调整；其中，电压转换的计算公式为：
Figure BDA0002842281460000041
Vref为基准电压1.25V。本实施例，需要输出12V左右电压，故将R2的阻值取10K，R1为1K。
本实施例，在电路中加入PTC保险丝可以提高电路的安全性，在经过多个电容滤波降低噪声，配置R1与R2电阻的比例为10：1，可得到稳定的输出电压12-14V，为其他电路提供稳定电源。
图2是本实施例谐振耦合电路示意图，结合图2所示，本实施例的谐振耦合电路与原边骨架的电感线圈连接，输出谐振频率信号。谐振耦合电路与电压转换电路的输出端VCC连接。
本实施例的谐振耦合电路包括：半桥驱动芯片U2、电阻R4、电容C12和第一芯片驱动电路和第二芯片驱动电路。
其中，半桥驱动芯片U2型号为IR2153S，内部集成了振荡电路、上下桥臂驱动电路。半桥驱动芯片U2的VCC端与电流电压转换电路的输出端VCC及二极管D2的正极连接；半桥驱动芯片U2的RT端与电阻R4的一端连接；半桥驱动芯片U2的CT端与电阻R4的另一端及电容C12的一端连接；半桥驱动芯片U2的COM端与电容C12的另一端连接并接地；半桥驱动芯片U2的VB端与二极管D2的负极及电容C10的一端连接；半桥驱动芯片U2的HO端与第一芯片驱动电路连接；半桥驱动芯片U2的VS端与电容C10的另一端、原边骨架的电感线圈L2的一端及第一芯片驱动电路连接；半桥驱动芯片U2的LO端与第二芯片驱动电路连接。
其中，第一芯片驱动电路包括电阻R3、MOS管Q1和电容C11，电阻R3的一端与半桥驱动芯片U2的HO端连接，另一端与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的漏级与电容C11的一端及外部24V电源连接；MOS管Q1的源级与半桥驱动芯片U2的VS端、原边骨架的电感线圈L2的一端及第二芯片驱动电路连接；电容C11的另一端与原边骨架的电感线圈L2的另一端及第二芯片驱动电路连接。
第二芯片驱动电路包括电阻R5、MOS管Q2和电容C13，电阻R5的一端与半桥驱动芯片U2的LO端连接，另一端与MOS管Q2的栅极连接；MOS管Q2的漏级与半桥驱动芯片U2的VS端、原边骨架的电感线圈L2的一端及MOS管Q2的源级连接；MOS管Q2的源级与电容C13的一端连接并接地；电容C13的另一端与原边骨架的电感线圈L2的另一端连接。
本实施例，电容C10的规格为10μF/35V、C11的规格为22μF/25V、C13的规格为22μF/25V、C12的规格为4.7nF。二极管D2的型号为1N4148；电阻R3、R5的电阻为30R；MOS管Q1、MOS管Q2的型号为IRFR3410。
当原边骨架的电感线圈L2流过高频交流电流的频率与谐振耦合电路的固有谐振频率相同时，谐振电路中会产生很大的谐振电流。根据实际能量传输需求，调整半桥驱动芯片的CT端和RT端。此外，通过调整半桥驱动芯片外接的RT引脚和CT引脚间的电阻R4、CT引脚和COM引脚间的电容C12，可以调整谐振耦合电路的频率，频率计算公式为，
Figure BDA0002842281460000051
本实施例的设计输出频率在10KHz-15KHz。
图3是本实施例的全桥整流滤波电路示意图，结合图3所示，本实施例的整流模块包括全桥整流电路和第三电容滤波电路。其中，全桥整流电路包括二极管D3、D4、D5和D6；D3的正极与副边骨架的电感线圈L1的AC1接线端连接，D3的负极与D4的负极及第三电容滤波电路连接；D4的正极与副边骨架的电感线圈L1的AC2接线端、D6的负极连接；D6的正极与D5的正极连接；D5的负极与D3的正极连接；D4的负极与D6的正极之间并联多个电容，用于滤波。多个电容的规格为22μF/25V、0.1μF/50V。D4的负极与输出端VCC1连接，D6的正极接地。其中，电容C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24的规格为22μF/25V，电容C25、C26的规格为0.1μF/50V。
本实施例，输出端VCC1与外部负载电连接，具体外部负载为激光器。
此外，本实施例，原边骨架采用环形骨架；将漆包线沿环形骨架逆时针绕线，绕线共两层，每层绕线匝数4圈，以形成原边骨架的电感线圈L2。漆包线规格QZ-2，铜线芯直径0.56mm；浸漆为W30-11，保证浸透，烘干；绝缘强度大于1000V。
副边骨架采用环形骨架；将漆包线沿环形骨架逆时针绕线，绕线共两层，每层绕线匝数6圈，以形成原边骨架的电感线圈L1。同样，漆包线规格QZ-2，铜线芯直径0.56mm；浸漆为W30-11，保证浸透，烘干；绝缘强度大于1000V。
实施例2
本实施例，提供一种空心非接触变压器传能方法，结合图4所示，利用如上所述的传能结构，所述方法包括：
步骤101，不同的外部电源通过配置电源电压输出电路的电阻参数以输出稳定的电路工作电压；
步骤102，配置谐振耦合电路的电阻参数，以得到预计的振荡频率，；
步骤103，判断频率是否满足要求，以此判断传能结构是否正常；
步骤104，通过原边骨架的电感线圈和副边骨架的电感线圈进行非接触电磁能量传输；
步骤105，整流模块将副边骨架感应到的电能滤波整流为稳定输出的驱动电流，并输出给外部负载；若出现负载激光器不亮或测试输出的负载电流不足60mA以上，判断传能结构出现故障。

Claims (9)

1.一种空心非接触变压器传能结构，其特征在于，所示传能结构包括发电模块、整流模块、原边骨架和副边骨架；发电模块与原边骨架连接，并安装于原边骨架内；发电模块包括相互连接的电压转换电路和谐振耦合电路，电压转换电路用于将外部接入的电压进行转换；谐振耦合电路与原边骨架的电感线圈连接；谐振耦合电路用于输出特定谐振频率的电信号给原边骨架的电感线圈，原边骨架的电感线圈将特定谐振频率的电信号转换成电磁信号，传递至副边骨架的电感线圈；
副边骨架的电感线圈感应原边骨架的电感线圈的电磁信号以产生交流电流，并传输给整流模块；整流模块将交流电流转换为直流电并输出给外部负载。
2.根据权利要求1所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，电压转换电路包括电压转换模块；电压转换模块包括DC稳压器芯片U1、电阻R1和电阻R2，DC稳压器芯片U1的输入端IN与外部电源连接，DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2均与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与电阻R2及DC稳压器芯片U1的GND端连接；电阻R2的一端与电阻R1及DC稳压器芯片U1的GND端连接，另一端接地；DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2为电压转换电路的输出端VCC。
3.根据权利要求2所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，电压转换电路还包括保护电路模块、第一电容滤波模块和第二电容滤波模块；
其中，保护电路模块包括串联的PTC保险丝和二极管D1，PTC保险丝的一端与外部电源输入端2连接，另一端与二极管D1正极连接，二极管D1负极与外部电源输入端1之间并联第一电容滤波模块；二极管D1负极与DC稳压器芯片U1的输入端IN连接，外部电源输入端1接地；第一电容滤波模块为多个并联电容；
DC稳压器芯片U1的输出端OUT1和输出端OUT2与第二电容滤波模块的一端连接，第二电容滤波模块的另一端接地；第二电容滤波模块为多个并联电容。
4.根据权利要求3所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，谐振耦合电路包括：半桥驱动芯片U2、电阻R4、电容C12和第一芯片驱动电路和第二芯片驱动电路；半桥驱动芯片U2型号为IR2153；
半桥驱动芯片U2的VCC端与电压转换电路的输出端VCC及二极管D2的正极连接；半桥驱动芯片U2的RT端与电阻R4的一端连接；半桥驱动芯片U2的CT端与电阻R4的另一端及电容C12的一端连接；半桥驱动芯片U2的COM端与电容C12的另一端连接并接地；半桥驱动芯片U2的VB端与二极管D2的负极及电容C10的一端连接；半桥驱动芯片U2的HO端与第一芯片驱动电路连接；半桥驱动芯片U2的VS端与电容C10的另一端、原边骨架的电感线圈L2的一端及第一芯片驱动电路连接；半桥驱动芯片U2的LO端与第二芯片驱动电路连接；其中，第一芯片驱动电路和第二芯片驱动电路用于驱动半桥驱动芯片U2。
5.根据权利要求4所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，第一芯片驱动电路包括电阻R3、MOS管Q1和电容C11，电阻R3的一端与半桥驱动芯片U2的HO端连接，另一端与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的漏级与电容C11的一端及外部24V电源连接；MOS管Q1的源级与半桥驱动芯片U2的VS端、原边骨架的电感线圈L2的一端及第二芯片驱动电路连接；电容C11的另一端与原边骨架的电感线圈L2的另一端及第二芯片驱动电路连接；
第二芯片驱动电路包括电阻R5、MOS管Q2和电容C13，电阻R5的一端与半桥驱动芯片U2的LO端连接，另一端与MOS管Q2的栅极连接；MOS管Q2的漏级与半桥驱动芯片U2的VS端、原边骨架的电感线圈L2的一端及MOS管Q2的源级连接；MOS管Q2的源级与电容C13的一端连接并接地；电容C13另一端与原边骨架的电感线圈L2的另一端连接。
6.根据权利要求5所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，MOS管Q1、MOS管Q2的型号为IRFR3410。
7.根据权利要求1所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，整流模块包括全桥整流电路和第三电容滤波电路；
其中，全桥整流电路包括二极管D3、D4、D5和D6；D3的正极与副边骨架的电感线圈L1的AC1接线端连接，D3的负极与D4的负极连接；D4的正极与副边骨架的电感线圈L1的AC2接线端、D6的负极连接；D6的正极与D5的正极连接；D5的负极与D3的正极连接；D4的负极与D6的正极之间并联第三电容滤波电路；第三电容滤波电路为多个并联的电容，用于滤波；D4的负极与整流模块的输出端VCC1连接，D6的正极接地。
8.根据权利要求1所述的空心非接触变压器传能结构，其特征在于，原边骨架和副边骨架均包括环形骨架，及逆时针绕环形骨架的漆包线；其中，原边骨架的环形骨架与副边骨架的环形骨架上下非接触设置。
9.一种空心非接触变压器传能方法，利用如权利要求1至8任一项所述的传能结构，其特征在于，所述方法包括：
不同的外部电源通过配置电源电压输出电路的电阻参数以输出稳定的电路工作电压；
配置谐振耦合电路的电阻参数，以得到预计的振荡频率，并判断频率是否满足要求；
通过原边骨架的电感线圈和副边骨架的电感线圈进行非接触电磁能量传输；
整流模块将副边骨架感应到的电能滤波整流为稳定输出的驱动电流，并输出给外部负载；若出现负载激光器不亮或测试输出的负载电流不满足要求，判断传能结构出现故障。
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