CN116583715A - 固定部件和可移动部件之间的非接触式电力传输方法、电力供应电路和包括电力供应电路的非接触式连接系统 - Google Patents
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Abstract
用于在固定部件(14)和可移动部件(15)之间进行非接触式电力传输的方法和实施该方法的电力供应电路(17)。电力供应电路(17)包括空气耦接变压器(19)、具有由固定部件支持的初级线圈(20)的初级谐振电路和有面向初级谐振电路并由可移动部件支持的次级线圈(21)的次级谐振电路。以初级交流电压(V1)馈送初级谐振电路，使初级电流(I1)环流。该初级电流(I1)在该次级谐振电路中感应出次级交流电压(V2)，从而导致次级电流(I2)环流。调整影响谐振条件的实现的电变量，例如初级电压的频率(F)，以在谐振条件下操作。固定部件和可移动部件之间的距离(d)被确定为这种电变量值的函数。非接触式连接系统包括固定部件和可移动部件以及电力供应电路。
Description
技术领域
本发明关于一种用于非接触式电力传输的方法和一种用于在非接触式连接系统的固定部件和可移动部件之间进行非接触式电力传输的电力供应电路。
本发明可以有利地应用于用于控制机床中机械零件的加工的系统，其中非接触式连接系统将控制单元和安装在旋转主轴上的平衡头进行通信，该旋转主轴支持(至少)一砂轮，下面的讨论将在不失一般性的情况下明确参考该系统。
本发明还可以应用于没有平衡头并且包括振动传感器，例如声学传感器，及/或其他需要供电的可动部件中的传感器或装置的控制系统。
背景技术
例如在专利申请No.EP0690979A1、EP1870198A1和EP3134980A1中所描述的，机床(尤其是磨床并且设置)的旋转主轴(轮毂)支持(至少)砂轮有容纳在轴向腔是已知的。平衡头包括至少一相对于旋转轴偏心的平衡质量，平衡质量的位置可调整并由电动机控制。
通常，平衡头还包括振动传感器(即麦克风)，用于检测由于砂轮与工件或砂轮与修整工具(修整器)接触而引起的超声波发射。振动传感器产生的电信号用于(以已知方式)控制加工循环。
有一双向非接触式通信系统，可在安装在主轴上的平衡头和放置在固定位置的控制单元之间传输模拟和数字信息。特别是，控制单元使用通信系统向平衡头发送数字控制信号(例如启用/停用振动传感器的读数或控制移动平衡质量的电动机)，并用于平衡头向相反方向发送数字诊断信号和振动传感器的模拟读数到控制单元。
非接触式电力传输系统为平衡头提供必要的电源。通常，电力传输系统包括空气耦接变压器，其初级线圈配置在与机器的固定部件一体的组件(定子)中，次级线圈配置在与机器的可动部分一体的组件(转子)中，例如旋转主轴。空气耦接变压器的两个线圈之间有一定距离(通常为几毫米，例如1到8mm之间)，该距离不能太小(以避免在主轴旋转，例如由于主轴的热膨胀，并且两者都损坏时，转子与定子接触的风险)，也不能太大(为防止空气耦接变压器因气隙过大而无法向转子输送足够的电能)。通常，在每个平衡系统的设计时间，可以定义为正确运行必须遵守的定子和转子之间的距离范围(即空气耦接变压器的两个线圈之间的距离)。
安装主轴后(通常在维护或维修之后)，必须以足够的精度测量定子和转子之间的距离，以确保其在设计时间定义的范围内。然而，手动测量定子和转子之间的距离并不总是很容易进行，因为可能有保护壳会阻止外部手动测量仪进入。
此外，在机器运行期间，以足够的精度周期性地监测和测量定子和转子之间的距离是很有用的，以确保它在设计时间定义的范围内，事实上，由于主轴的热膨胀，在安装阶段，转子和定子可以比条件移动得更近。或者，当砂轮因磨损或因不同制程重新加工而更换时，砂轮支架可能具有不同的厚度并导致转子和定子之间的距离发生变化。
由于这些原因，可以在定子上安装“非接触式”电子测量装置(例如激光测量装置)或一或多个可以测量定子和转子之间距离的传感器。然而，这种安装会导致成本和尺寸的增加，并且会在可用空间非常有限的一些应用中引起问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，用于在固定部件和可移动部件(例如旋转部件)之间进行非接触式电力传输，以及允许容易地监测这种固定部件和可移动部件之间的距离的电力供应电路，以及包括所述电路的非接触式连接系统，该方法和电路允许以足够的精度确定距离并且不会显著增加成本和空间。
本发明提供一种方法，用于非接触式电力传输，电力供应电路和包括其电路的非接触式连接系统，如所附的权利要求中所限定。
本申请的权利要求描述本发明的实施例并且形成本说明书的组成部分。
附图说明
本发明参照附图进行描述，附图说明实施例的非限制性示例，其中：
图1示意性地示出机床，包括：机架，旋转主轴，其支持砂轮并配备有平衡头和非接触式连接系统；
图2示意性地示出根据本发明的电力供应电路，其是图1所示的非接触式连接系统的一部分；
图3示意性地示出参考与图2所示的电力供应电路对应的初级侧的等效电路；
图4是图2的电力供应电路的空气耦接变压器的示意图；
图5是示出图2的电力供应电路中参考初级侧的电感如何随着连接系统的转子和定子之间的距离变化而变化的图；及
图6是示出图2的电力供应电路中的谐振频率如何随着连接系统的转子和定子之间的距离变化而变化的图。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示作为一整体的机床(特别是磨床)，仅示出其中的一些部件。
机床1包括机架2，其以可旋转的方式(通过配置在其间的轴承)支持围绕旋转轴4旋转的旋转主轴3。
主轴3通过相应的砂轮毂支撑砂轮5，该砂轮毂使用已知且未示出的装置以可拆卸的方式固定到主轴3，并且包括例如锥形联轴器。主轴3在中心具有轴向开口6。平衡头7连接到主轴3并且可以随其旋转，更具体地，平衡头7容纳在轴向开口6中。已知类型的平衡头7包括两个相对于旋转轴4偏心的平衡质量8，以及用于调整平衡质量8的角位置的相关电动机9。在平衡头7中还容纳有声学传感器10或振动传感器。
通常，平衡头7的作用是平衡砂轮5(每当更换砂轮5以及由于砂轮5的磨损而需要时执行此操作)，而声学传感器10容纳在平衡头7中，允许执行过程监控。
平衡头7包括控制装置11，其控制平衡头7和声学传感器10的操作。
提供了非接触式连接系统12并具有双重功能：它向平衡头7提供电力并且使得能够双向通信以在安装在主轴3上的平衡头7的控制系统11及连接至机床1的机架2并设置在非接触式连接系统12与机床1的数值控制(未示出)的控制单元13之间传输模拟和数字信息。
非接触式连接系统12包括安装在机床1的机架2上的固定部件14或定子，该机架2通过电缆连接到控制单元13和可移动部件，优选地旋转部分15或转子安装在主轴3上，其通过例如沿轴向开口6延伸的盘绕电缆16连接到平衡头7。此外，非接触式连接系统12包括将电能传输到平衡头7的电力供应电路17(部分配置在定子14中并且部分配置在转子15中)和通信装置18(部分配置在定子14中并且部分地配置在转子15中)优选地为光学类型的(例如根据专利No.US5688160A中描述的替代方案之一)。
控制单元13使用通信装置18向平衡头7的控制装置11发送控制信号(例如启动/停用声学传感器10的读数或控制电动机9移动平衡头7的平衡质量8)，并且由平衡头7的控制装置11在相反方向上用于将诊断信号及/或由声学传感器10提供与主轴所承受振动有关的信号传输到控制单元13。
如图2所示，电力供应电路17包括空气耦接变压器19(在图4中更详细地示出)，其具有初级线圈20，具有电感L1，其配置在定子14中，和次级线圈21，具有电感L2，其配置在转子15中并且磁性耦接到初级线圈20(即，由初级线圈20产生的磁场链接到次级线圈21)。在两个线圈20和21之间存在距离d(通常为几毫米，例如在1到8mm之间)，该距离d不能太小(以避免当主轴3旋转时，转子15被定子14接触的风险，例如由于主轴的热膨胀，并且两者都被损坏)，也不能太大(以防止空气耦接变压器19因为气隙过大，而无法将足够的电力传输到转子15)。
初级谐振电路包括串联连接的初级线圈20和具有电容C1的第一电容。类似地，次级谐振电路包括串联连接的次级线圈21和具有电容C2的第二电容。谐振电路是指适合在谐振条件下操作的电路。特别地，初级和次级谐振电路是串联谐振电路。
或者，可以使用不同类型的谐振电路，例如并联谐振电路或串联和并联谐振电路的组合。
电力供应电路17还包括逆变器22，其从电源装置23接收直流电能并将初级交流电压V1施加到初级谐振电路，初级交流电压V1具有可变频率F并引起初级电流I1的环流。
在初级谐振电路中环流的电流I1在次级谐振电路中感应出次级交流电压V2，其具有与初级电压V1相同的可变频率F并引起次级交流电流I2的环流。
根据优选实施例，电力供应电路17包括二极管整流器24，其将次级交流电压V2和次级交流电流I2转换成相应的直流电压VOUT和相应的直流电流IOUT。整流器24向平衡头7连接(通过电缆16)到的DC/DC电功率转换器25供电。
优选地，具有稳定电容COUT的电容被并联连接到整流器24，以稳定电压VOUT(即减小VOUT的纹波)。或者，由具有电容COUT的电容执行的功能可以整合到整流器24中。
传感器装置26连接到初级谐振电路并且检测初级电压V1和初级电流I1之间的相位移优选地，传感器装置26本身连接到信号调节装置，在图2中以非常示意性的方式由方框28表示。
最后，电力供应电路17包括控制器27，其接收初级电压V1和初级电流I1之间的相位移作为输入，并依据初级电压V1和初级电流I1之间的相位移/>调整初级电压V1(因此初级电流I1)的频率F的方式控制逆变器22。
在操作中，控制器27以消除初级电压V1和初级电流I1之间的相位移的方式改变初级电压V1(因此初级电流I1)的频率F，即以在谐振条件下操作的方式(其中电容阻抗等于电感阻抗并且因此初级电压V1与初级电流I1完全同相)。发生谐振条件的频率F的值称为谐振频率FR。
应注意，以基本上连续的方式(即始终动态地)，控制器27调整初级电压V1的频率F以跟随谐振条件(即识别消除初级电压V1和初级电流I1之间的相位移的谐振频率FR)。当必须测量或监测定子14和转子15之间的距离d时，该距离是从为保持谐振条件而设置的频率，即从谐振频率FR获得。
图3示意性地示出关于与图2的电力供应电路17对应的初级侧的等效电路。这种电路包括产生初级电压V1的逆变器22、电阻R1(对应于逆变器22和初级线圈20的寄生电阻)、电容C1、初级线圈20的电感L1以及阻抗Z2，对应于次级线圈21和参考初级侧连接到次级线圈21的所有东西。
假设：
L1＝n2*L2
C1＝C2/n2
其中n是两个线圈20和21之间的匝数比，也可以取单一值，
阻抗Z2等于：
其中ω是角脉动(angular pulsation)，M是两个线圈之间的互感值，RL是负载电阻。
共振条件发生在：
L1是初级线圈20的电感并且取决于初级线圈20的特性(即匝数N)和空气耦接变压器19的磁路(图4中示意性示出)的特性。这种磁路具有通过改变定子14和转子15之间的距离d而变化的整体磁阻
从图4所示的空气耦接变压器的磁路示意图，可以推导出：
缠绕有线圈20和21的铁氧体磁心F1和F2的磁导率远大于空气的磁导率，因此整体磁阻R主要取决于气隙的磁阻RAIR。
由于气隙的磁阻RAIR与定子14和转子15之间的距离d成正比，因此可以推断初级线圈20的电感L1与距离d成反比。进而，初级电路的谐振频率FR与定子14和转子15之间(即，两个线圈20和21之间)的距离d的平方根成正比。
总之，知道影响谐振条件实现的电变量的值，例如谐振频率FR，可以确定定子14和转子15之间(即两个线圈20和转子21之间)的距离d。因此，无需任何外部探针或装置，而是通过包括检测影响共振条件的实现的频率值(即共振频率FR)并确定距离d作为该频率值的函数的处理单元的测量系统，就可以监测，更具体地测量或确定固定部件14和可移动部件15之间的距离d。更具体地，控制器27以初级电路在谐振条件下操作的方式调整初级电压V1的频率F(其中初级电压V1与初级电流I1同相)。处理单元，例如控制单元13，检测由初级电压V1的频率F所取的值，即谐振频率FR，并根据这样的值确定定子14和转子15之间的距离d。
接收谐振频率FR的信息并确定定子14和转子15之间的距离d的处理单元可以包括在控制单元13中，如所描述和如图所示，或可以整合到控制器27中，以简化由控制单元13执行的处理操作。
无需任何外部探头或装置，就可以监测，更具体地说是测量或确定定子14和转子15之间的距离d，从除频率以外的电变量开始，在任何情况下都是电变量影响谐振条件的实现，例如参考初级谐振电路的总电感或总电容。
总电感和总电容是指为实现谐振条件而修改的初级谐振电路的电感或电容(取决于考虑的物理量)。特别地，初级谐振电路的电感或电容值可以通过使用合适的电路以已知方式被调整以在谐振条件下操作。
例如包括在控制单元13中的处理单元在谐振条件下运行时，确定定子14和转子15之间的距离d作为频率F所取的值(FR)的函数或由总电感或总电容均指初级谐振电路。
总之，知道谐振频率FR或影响谐振条件实现(例如参考初级谐振电路的总电感或总电容)的另一电气变量的值，可以确定定子14和转子15(即在两个线圈20和21之间)之间的距离d。
根据优选实施例，谐振条件的实现以及定子14和转子15之间的距离的测量优选地基于频率进行，因为就必要的电路的应用的简单性及其尺寸和成本而言这是最有利的解决方案。电容和电感也可以用于实现谐振条件，从而确定定子14和转子15之间的距离，即使在系统运行时作用于这些电气变量之一更复杂，并且需要更大的尺寸和更高的成本。
也可以同时作用于几个电气变量，即使这个解决方案更复杂。
根据优选实施例，使用实验定律(例如在图5和图6中示出)，其将定子14和转子15之间的距离d与影响谐振条件的实现的电变量所取的值联系起来。换言之，它将距离d表示为频率F(图6)或总电感L1(图5)或初级谐振电路总电容(图5)的函数。例如，从先前进行的适当测试中获得实验定律。
谐振频率FR(及/或其他电气变量)的信息在控制器27中。控制器27可以通过缓存器使其可用，该缓存器可以被机床1的控制单元13的逻辑电路读取，控制单元13处理相应的信令。
由于用于电感组件和电容的公差设置，该技术可能需要校准阶段以提供绝对距离测量。然而，该校准应仅关于定子14，其优点是如果现场更换转子15，则无需重复校准。这适用于新转子15的电感值L2和电容值C2与标称预期没有很大差异的情况。
该技术的一个可能限制关于文献中称为“频率分裂”的现象，该现象包括在“过耦接”系统条件下的共振频率分裂。当负载的电阻(即平衡头7的等效电阻)变得特别小而互感值相对较高时，达到“过耦接”条件。为了避免这个问题，控制器27被设计成在谐振频率分裂的情况下，即在“过耦接”条件下操作时，保持锁定到具有较低频率的谐振峰值，以避免频率跳跃。
因此，给定所执行的控制类型，如果出现“过耦接”条件，系统选择的谐振频率将低于仅由电感L1和电容C1的值确定的标称值。
一般而言，为了使频率偏移对距离d的确定的影响最小化，较佳在轻负载条件(即高负载电阻的条件)下进行评估。事实上，在这种情况下，谐振频率仅取决于如前所述的空气耦接变压器19的磁阻换言之，距离d的测量优选地在平衡头7不操作时进行(即，它在待机状态下被打开)并且因此提供适度的电负载。
如果距离d的测量是在重负载条件下(即低负载电阻的条件)和高互感值下进行的，在距离d很小的情况下可以得到，距离的测量d可能被低估了。然而，当定子14和转子15之间的距离d很小时，那将是最安全的情况。
图5显示了通过实验获得的图表，显示距离d和在达到谐振条件后参考初级谐振电路的总电感(用ΔL表示)之间的相关性。
图6显示通过实验获得的图，显示距离d和初级电压V1的频率F之间的相关性。
图2示出电力供应电路17的优选实施例。该电路可以根据所使用的电子设备的类型以不同的方式制成，例如可以省略整流器装置24和转换器25。
在已经进行的实验测试中，即使在重载的情况下，也很少出现“过耦接”现象。当转子和定子非常接近时，它的存在开始出现。实际上，在这种情况下，测量的频率F与预期的相比略有下降，但如前所述，所犯的错误将是估计距离d小于实际频率。因此，这将提供更加预防的结果，以避免定子14和转子15之间不希望的接触。
在附图所示的实施例中，上述用于非接触式电力传输的方法在非接触式连接系统12中实施，该非接触式连接系统12在机床1中将控制单元13连接到旋转主轴3的平衡头7，后者支撑(至少)一砂轮5。根据未示出的其他实施例，上述方法可以在安装在不同类型的应用上的非接触式连接系统中实施。
到目前为止，参考用于控制包括平衡头的机床中的机械部件的加工的系统来描述和说明用于非接触式电力传输的方法和供电电路。它们还可以应用于控制系统，没有平衡头并且包括振动传感器(例如声学传感器)及/或需要被供电的可移动/旋转部分中的其他本身已知的传感器或装置。
在不脱离本发明的保护范围的情况下，此处所描述的实施例可以相互组合。
上述方法和电路提供几个优点。
首先，上述方法和电路允许以足够的精度测量距离d(即，定子14和转子15之间的距离d的测量对于这种类型的应用的特定要求来说是足够准确的)。特别地，当需要高精度时，即当距离d较小并且定子14和转子15之间的意外和潜在破坏性接触的风险较大时，上述方法和电路特别准确。
此外，上述方法和电路不会导致成本和空间的显著增加，因为可以确定距离d的实际值而不需要除已经存在的硬件组件之外的任何硬件组件并且不涉及转子15或通信设备18在测量中使用的通信协议。
此外，上述方法和电路非常有弹性，因为它们可以根据应用要求容易地客制化和适应转子15和定子14的几何形状的变化。
最后，由于上述方法和电路，可以在不影响转子15和定子14的整体尺寸的情况下引入重要的诊断功能。
Claims (15)
1.一种用于在固定部件(14)和可移动部件(15)之间进行非接触式电力传输方法，具有电力供应电路(17)包括空气耦接变压器(19)，其具有由所述固定部件(14)支持的初级线圈(20)的初级谐振电路和，以及面向所述初级谐振电路并由所述可移动部件(15)支持的次级线圈(21)的次级谐振电路；
所述方法包括以下步骤：
以初级交流电压(V1)馈送所述初级谐振电路，使初级电流(I1)环流，所述初级电流在所述次级谐振电路中感应出次级交流电压(V2)，其导致次级电流(I2)环流；
调整影响谐振条件的实现的至少一电变量，其中，所述初级电压(V1)与所述初级电流(I1)同相；以及
监测所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的距离(d)，
所述方法的特征在于，监测所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的所述距离(d)的步骤包括：
检测影响实现所述谐振条件的所述至少一电变量的值；以及
确定所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的所述距离(d)为所述至少一电变量的值的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，确定所述距离(d)的所述步骤包括使用实验定律为所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的所述距离(d)及影响所述谐振条件的所述实现的至少一电变量的值建立连接。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，所述至少一电变量是所述初级电压(V1)的频率(F)，在谐振频率(FR)处实现所述谐振条件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中：
传感器装置(26)，检测连接到所述初级谐振电路的所述初级电压(V1)和所述初级电流(I1)之间的相位移(Δφ)；以及
提供控制器(27)，所述控制器(27)接收所述初级电压(V1)和所述初级电流(I1)之间的所述相位移(Δφ)作为输入且控制逆变器(22)以调整所述初级电压(V1)的所述频率(F)以在所述初级电压(V1)与所述初级电流(I1)同相的谐振条件下操作。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的方法，其特征在于，其中，在谐振频率分裂的情况下，所述初级电压(V1)的所述频率(F)被调整以检测并跟随具有较低频率的谐振峰值。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，所述至少一电变量是参考所述初级谐振电路的总电感。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，其中，当电负载(7)耦接到所述电力供应电路(17)具有最小的电力消耗时，所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的所述距离(d)被确定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，用于供电至平衡头(7)，其与机床(1)的旋转主轴(3)连接并随其旋转，其中，所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)适于分别安装在所述机床(1)的机架(2)和所述旋转主轴(3)上。
9.一种电力供应电路(17)，其特征在于，用于在固定部件(14)和可移动部件(15)之间非接触地传输电力，包括：
空气耦接变压器(19)，具有由所述固定部件(14)支持的初级线圈(20)的初级谐振电路，以及具有面向所述初级谐振电路并由所述可移动部件(15)支持的次级线圈(21)的次级谐振电路，所述初级谐振电路被馈送以初级交流电压(V1)，使初级电流(I1)环流，所述初级电流在所述次级谐振电路中感应出次级交流电压(V2)，其导致次级电流(I2)环流；以及
控制器(27)，被配置为调整影响谐振条件的实现的至少一电变量，其中，所述初级电压(V1)与所述初级电流(I1)同相；
所述电力供应电路的特征在于，其包括测量系统，用于测量所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的距离(d)，其中，所述测量系统具有处理单元，配置以检测影响所述谐振条件的所述实现的所述至少一电变量的值；及确定所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的所述距离(d)为所述至少一电变量的值的函数。
10.根据权利要求9所述的电力供应电路(17)，其特征在于，还包括：
传感器装置(26)，连接到所述初级谐振电路并适于检测所述初级电压(V1)和所述初级电流(I1)之间的相位移(Δφ)，以及
逆变器(22)，接收直流电流的电力并将所述初级交流电压(V1)施加到所述初级谐振电路，
所述控制器(27)适于接收所述初级电压(V1)和所述初级电流(I1)之间的所述相位移(Δφ)作为输入，并控制所述逆变器(22)以调整所述初级电压(V1)的频率(F)以在所述初级电压(V1)与所述初级电流(I1)同相的谐振条件下操作。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的电力供应电路(17)，其特征在于，还包括：
整流器装置(24)，将所述次级交流电压(V2)转换为相应的电压(VOUT)，以及
电子直流-直流功率转换器(25)，其一侧连接到所述整流器装置(24)且在另一侧为电负载(7)供电。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电力供应电路(17)，其特征在于，其中，所述初级谐振电路包括串联连接到所述初级线圈(20)的第一电容。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的电力供应电路(17)，其中，所述次级谐振电路包括串联连接到所述次级线圈(21)的第二电容。
14.一种非接触式连接系统(12)，其特征在于，用于机床(1)，包括根据权利要求9至13中任一项所述的电力供应电路(17)，且包括所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)，适于分别安装在所述机床的机架(2)和旋转主轴(3)上。
15.根据权利要求14所述的非接触式连接系统(12)，其特征在于，还包括在所述固定部件(14)和所述可移动部件(15)之间的通信装置(18)。
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