一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構，包括設置在電機外部的高頻勵磁電源和輔助勵磁發(fā)射線圈，以及設置在電機內部的輔助勵磁接收線圈、旋轉整流橋、軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層，通過軟磁材料與金屬材料對勵磁系統(tǒng)電磁場進行優(yōu)化和屏蔽，通過無線電能傳輸對交流電機轉子勵磁線圈供電，避免了轉子和外部端子的機械連接，實現(xiàn)電機的無刷勵磁。
【專利說明】一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明專利涉及一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構。
[0003]【背景技術】
[0004]傳統(tǒng)的無刷直流電動機，通過電力電子器件構成的逆變器實現(xiàn)逆變作用，即通過電子換向取代換向器和電刷。定子上布置三相繞組，轉子上布置永磁體磁極。根據(jù)轉子位置的變化，控制逆變器中相應器件的通斷，讓定子繞組按一定次序輪流通電，這樣就可是轉子在電磁轉矩的驅動下連續(xù)轉動。而同步電機無刷勵磁采用旋轉電樞的交流勵磁機，其轉子上布置電樞繞組，定子上放置勵磁繞組，當勵磁機隨同步發(fā)電機一同旋轉時，勵磁機轉子電樞繞組切割定子勵磁磁場而產生感應電動勢，經過與轉子電樞同步旋轉的整流器整流后，直接接入同步發(fā)電機轉子繞組勵磁，不用集電環(huán)和電刷等部件。還有的無刷電機利用旋轉變壓器原副邊之間的感應耦合進行電能傳輸，達到無刷勵磁的目的。然而，對于無刷直流電機，由于依靠傳感器對位置的判斷，其控制系統(tǒng)也變得更為復雜，對控制系統(tǒng)工作可靠性的要求很高。交流電機的旋轉整流器勵磁方式由交流勵磁機及其自身定子勵磁的系統(tǒng)組成，結構復雜，成本較高。旋轉變壓器的磁芯設計和制造的工藝、繞組的繞制方式等對勵磁系統(tǒng)的影響很大，由于副邊工作在旋轉狀態(tài)，需要必要的間隙保證其安全性，而電能傳輸?shù)男蕰虼讼陆?，而且變壓器磁芯的存在也增加了電機的重量和體積。利用電能無線傳輸對勵磁繞組供電可以有效解決上述問題。
[0005]
【發(fā)明內容】
[0006]技術問題:本發(fā)明提供一種實現(xiàn)電機動、靜機構之間的電能傳輸，可減小電機重量，提高工作可靠性的基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構。
技術方案:本發(fā)明的基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構，包括設置在電機外部的高頻勵磁電源和輔助勵磁發(fā)射線圈，以及設置在電機內部的輔助勵磁接收線圈、旋轉整流橋、軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層，軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層將勵磁系統(tǒng)與電機內部其他部分隔離開，電機轉子的轉軸穿過軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層上的開孔后與輔助勵磁接收線圈和旋轉整流橋安裝連接，輔助勵磁發(fā)射線圈串接電容后連接在高頻勵磁電源上，構成LC諧振電路，輔助勵磁接收線圈串接電容后連接在旋轉整流橋的交流端子上，也構成一個LC諧振電路，旋轉整流橋的直流端子出線依次穿過軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層后與電機轉子的轉軸上設置的勵磁繞組連接。
[0007]本發(fā)明中，輔助勵磁發(fā)射線圈串接電容構成LC諧振電路的諧振頻率與高頻電源頻率相同，輔助勵磁接收線圈串接電容構成LC諧振電路的諧振頻率與高頻電源頻率相同。[0008]本發(fā)明中，高頻勵磁電源和勵磁發(fā)射線圈設置于電機端蓋的外側，輔助勵磁接收線圈、旋轉整流橋、軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層設置于端蓋的內側，勵磁發(fā)射線圈正對端蓋設置，兩者間距可調，輔助勵磁接收線圈也正對端蓋設置，端蓋為非金屬材料制成。
[0009]本發(fā)明中，高頻勵磁電源和輔助勵磁發(fā)射線圈在電機外部，輔助勵磁接收線圈在電機內部，通過磁共振耦合實現(xiàn)電能的傳輸，對電機勵磁繞組供電。輔助勵磁接收線圈、旋轉整流橋，通過軟磁優(yōu)化層與金屬屏蔽層上的開孔，與轉子勵磁繞組同軸串聯(lián)，跟隨轉子同步旋轉，對勵磁繞組供電。軟磁優(yōu)化層與金屬屏蔽層為圓形片狀，固定在電機內部，緊貼電機外殼，且與電機側端面平行。二者均開有圓孔，供轉子轉軸和直流導線穿過。軟磁優(yōu)化層和金屬屏蔽層用于優(yōu)化電機的磁場。
[0010]本發(fā)明將工頻電整流逆變得到高頻交流電，送入電機外部的輔助勵磁發(fā)射線圈，利用磁共振耦合的電能無線傳輸技術，電機內的輔助勵磁接收線圈得電，經整流后供給轉子勵磁，接收線圈和整流裝置與轉子同軸串聯(lián)，實現(xiàn)交流電機轉子的無線勵磁，有控制方便，結構簡單的優(yōu)勢。
[0011]本發(fā)明中，電機側端蓋采用電磁影響小、機械強度高的模塑料；接收線圈與定轉子間加入金屬屏蔽，確保勵磁系統(tǒng)與原先電機內部系統(tǒng)互不電磁干擾。為了彌補金屬片對勵磁系統(tǒng)產生不良影響，優(yōu)化勵磁系統(tǒng)電磁場，提高收發(fā)線圈的耦合效率，在輔助勵磁接收線圈與金屬層之間加入軟磁層。
[0012]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術對電機勵磁繞組供電，輔助勵磁接收線圈與勵磁繞組同軸旋轉，通過輔助勵磁發(fā)射線圈和輔助勵磁接收線圈之間的磁耦合諧振，實現(xiàn)動、靜機構之間的電能傳輸。在電機內部只需要安裝輔助勵磁接收線圈、旋轉整流橋、優(yōu)化屏蔽介質，避免了電刷、傳感器或者是變壓器磁芯等復雜機構，可有效減小電機的重量，提高其工作可靠性。
[0013]
`【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構的結構示意圖。
圖中有:高頻勵磁電源1、輔助勵磁發(fā)射線圈2、端蓋3、輔助勵磁接收線圈4、旋轉整流橋5、軟磁優(yōu)化層6、金屬屏蔽層7、勵磁繞組8、轉軸9、轉子10。
[0015]
【具體實施方式】
[0016]參閱圖1，本發(fā)明一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構，包括高頻勵磁電源1、輔助勵磁發(fā)射線圈2、端蓋3、輔助勵磁接收線圈4、旋轉整流橋5、軟磁優(yōu)化層6、金屬屏蔽層7。
[0017]高頻勵磁電源I使用移相全橋零電壓開關PWM電路，輸出高頻交流電IOOkHz^lOMHz0通過調節(jié)驅動脈沖的相差改變功率源輸出功率，即改變電機勵磁電流值。
[0018]輔助勵磁發(fā)射線圈2使用線徑0.2mnT2mm的銅線(線徑大小滿足電機勵磁電流長期安全通過)，緊密繞成空心螺線柱狀，線圈直徑IOcmlOcm (根據(jù)安裝需要，約為電機尺寸一半)，線圈為10匝左右(線圈高度不超過2cm，改變匝數(shù)調整電感量)，線圈繞制完成后測量電感。線圈抽頭兩端接高頻電源1，并且串接合適電容(其值通過參數(shù)的匹配計算求的)，構成LC諧振電路，且諧振頻率等于高頻電源頻率。輔助勵磁發(fā)射線圈2使用支架固定在電機外側，正對電機端蓋3，與其距離可調，達到最大耦合效率。
[0019]端蓋3為對電磁波影響較小的非金屬材料如BMC、SMC等。
[0020]輔助勵磁接收線圈4與輔助勵磁發(fā)射線圈2采用同樣材料，繞成同樣的柱狀，抽頭兩端接旋轉整流橋5的交流端子，同樣串接電容，其諧振頻率與輔助勵磁發(fā)射線圈2以及高頻電源頻率I相同，這樣輔助勵磁發(fā)射線圈2與輔助勵磁接收線圈4共振，系統(tǒng)傳輸效率最高。輔助勵磁接收線圈4以及旋轉整流橋5通過支架固定在轉軸9上，能跟隨轉子10同步旋轉，且二者與靜止的軟磁優(yōu)化層6以及端蓋3保持一定間隙，防止接觸摩擦。
[0021]旋轉整流橋5的直流端子連接勵磁繞組8，勵磁繞組8安裝在轉子10的轉軸9上，實現(xiàn)從電機外部的勵磁電源到勵磁繞組的無線供電。
[0022]軟磁優(yōu)化層6和金屬屏蔽層7緊貼電機外殼，固定在電機內部，起到隔離勵磁系統(tǒng)與電機原先內部環(huán)境、優(yōu)化勵磁系統(tǒng)耦合效率的作用。軟磁優(yōu)化層6和金屬屏蔽層7上面均有開孔，供轉子轉軸9和旋轉整流橋5的直流出線穿過。軟磁優(yōu)化層6使用厚度5mm的MnZn鐵氧體，金屬屏蔽層7使用厚度2mm的薄鐵片。
[0023]上述安置在電機內部的機構，包括輔助勵磁接收線圈4、旋轉整流橋5、軟磁優(yōu)化層6、金屬屏蔽層7，大約占電機內部軸向長度7cm。在去掉普通有刷電機的電刷、刷架等部件的同時，可視電機內部空間大小，適當增加電機外殼的軸向長度，以便無刷勵磁系統(tǒng)的安置。
【權利要求】
1.一種基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構，其特征在于，該機構包括設置在電機外部的高頻勵磁電源(I)和輔助勵磁發(fā)射線圈(2)，以及設置在電機內部的輔助勵磁接收線圈(4)、旋轉整流橋(5)、軟磁優(yōu)化層(6)和金屬屏蔽層(7)，軟磁優(yōu)化層(6)和金屬屏蔽層(7)將勵磁系統(tǒng)與電機內部其他部分隔離開，電機轉子(10)的轉軸(9)穿過軟磁優(yōu)化層(6)和金屬屏蔽層(7)上的開孔后與輔助勵磁接收線圈(4)和旋轉整流橋(5)安裝連接，所述輔助勵磁發(fā)射線圈(2)串接電容后連接在高頻勵磁電源(I)上，構成LC諧振電路，所述的輔助勵磁接收線圈(4)串接電容后連接在旋轉整流橋(5)的交流端子上，也構成一個LC諧振電路，所述旋轉整流橋(5)的直流端子出線依次穿過軟磁優(yōu)化層(6)和金屬屏蔽層(7)后與電機轉子(10 )的轉軸(9 )上設置的勵磁繞組(8 )連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構，其特征在于，所述輔助勵磁發(fā)射線圈(2)串接電容構成LC諧振電路的諧振頻率與高頻電源頻率相同，輔助勵磁接收線圈(4)串接電容構成LC諧振電路的諧振頻率與高頻電源頻率相同。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于電能無線傳輸?shù)臒o刷勵磁機構，其特征在于，所述的高頻勵磁電源(I)和勵磁發(fā)射線圈(2)設置于電機端蓋(3)的外側，輔助勵磁接收線圈(4)、旋轉整流橋(5)、軟磁優(yōu)化層(6)和金屬屏蔽層(7)設置于端蓋(3)的內側，勵磁發(fā)射線圈(2)正對端蓋(3)設置，兩者間距可調，輔助勵磁接收線圈(4)也正對端蓋(3)設置，所述端蓋(3)為非金屬材料制成。
【文檔編號】H02K19/38GK103560632SQ201310536641
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】聞楓, 時斌, 洪天琪 申請人:東南大學