CN103560632B - 一种基于电能无线传输的无刷励磁机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电能无线传输的无刷励磁机构，包括设置在电机外部的高频励磁电源和辅助励磁发射线圈，以及设置在电机内部的辅助励磁接收线圈、旋转整流桥、软磁优化层和金属屏蔽层，通过软磁材料与金属材料对励磁***电磁场进行优化和屏蔽，通过无线电能传输对交流电机转子励磁线圈供电，避免了转子和外部端子的机械连接，实现电机的无刷励磁。

Description

一种基于电能无线传输的无刷励磁机构

技术领域

本发明专利涉及一种基于电能无线传输的无刷励磁机构。

背景技术

传统的无刷直流电动机，通过电力电子器件构成的逆变器实现逆变作用，即通过电子换向取代换向器和电刷。定子上布置三相绕组，转子上布置永磁体磁极。根据转子位置的变化，控制逆变器中相应器件的通断，让定子绕组按一定次序轮流通电，这样就可是转子在电磁转矩的驱动下连续转动。而同步电机无刷励磁采用旋转电枢的交流励磁机，其转子上布置电枢绕组，定子上放置励磁绕组，当励磁机随同步发电机一同旋转时，励磁机转子电枢绕组切割定子励磁磁场而产生感应电动势，经过与转子电枢同步旋转的整流器整流后，直接接入同步发电机转子绕组励磁，不用集电环和电刷等部件。还有的无刷电机利用旋转变压器原副边之间的感应耦合进行电能传输，达到无刷励磁的目的。然而，对于无刷直流电机，由于依靠传感器对位置的判断，其控制***也变得更为复杂，对控制***工作可靠性的要求很高。交流电机的旋转整流器励磁方式由交流励磁机及其自身定子励磁的***组成，结构复杂，成本较高。旋转变压器的磁芯设计和制造的工艺、绕组的绕制方式等对励磁***的影响很大，由于副边工作在旋转状态，需要必要的间隙保证其安全性，而电能传输的效率会因此下降，而且变压器磁芯的存在也增加了电机的重量和体积。利用电能无线传输对励磁绕组供电可以有效解决上述问题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种实现电机动、静机构之间的电能传输，可减小电机重量，提高工作可靠性的基于电能无线传输的无刷励磁机构。

技术方案：本发明的基于电能无线传输的无刷励磁机构，包括设置在电机外部的高频励磁电源和辅助励磁发射线圈，以及设置在电机内部的辅助励磁接收线圈、旋转整流桥、软磁优化层和金属屏蔽层，软磁优化层和金属屏蔽层将励磁***与电机内部其他部分隔离开，电机转子的转轴穿过软磁优化层和金属屏蔽层上的开孔后与辅助励磁接收线圈和旋转整流桥安装连接，辅助励磁发射线圈串接电容后连接在高频励磁电源上，构成LC谐振电路，辅助励磁接收线圈串接电容后连接在旋转整流桥的交流端子上，也构成一个LC谐振电路，旋转整流桥的直流端子出线依次穿过软磁优化层和金属屏蔽层后与电机转子的转轴上设置的励磁绕组连接。

本发明中，辅助励磁发射线圈串接电容构成LC谐振电路的谐振频率与高频电源频率相同，辅助励磁接收线圈串接电容构成LC谐振电路的谐振频率与高频电源频率相同。

本发明中，高频励磁电源和辅助励磁发射线圈设置于电机端盖的外侧，辅助励磁接收线圈、旋转整流桥、软磁优化层和金属屏蔽层设置于端盖的内侧，辅助励磁发射线圈正对端盖设置，两者间距可调，辅助励磁接收线圈也正对端盖设置，端盖为非金属材料制成。

本发明中，高频励磁电源和辅助励磁发射线圈在电机外部，辅助励磁接收线圈在电机内部，通过磁共振耦合实现电能的传输，对电机励磁绕组供电。辅助励磁接收线圈、旋转整流桥，通过软磁优化层与金属屏蔽层上的开孔，与转子励磁绕组同轴串联，跟随转子同步旋转，对励磁绕组供电。软磁优化层与金属屏蔽层为圆形片状，固定在电机内部，紧贴电机外壳，且与电机侧端面平行。二者均开有圆孔，供转子转轴和直流导线穿过。软磁优化层和金属屏蔽层用于优化电机的磁场。

本发明将工频电整流逆变得到高频交流电，送入电机外部的辅助励磁发射线圈，利用磁共振耦合的电能无线传输技术，电机内的辅助励磁接收线圈得电，经整流后供给转子励磁，接收线圈和整流装置与转子同轴串联，实现交流电机转子的无线励磁，有控制方便，结构简单的优势。

本发明中，电机侧端盖采用电磁影响小、机械强度高的模塑料；接收线圈与定转子间加入金属屏蔽，确保励磁***与原先电机内部***互不电磁干扰。为了弥补金属片对励磁***产生不良影响，优化励磁***电磁场，提高收发线圈的耦合效率，在辅助励磁接收线圈与金属层之间加入软磁层。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明利用磁耦合谐振无线电能传输技术对电机励磁绕组供电，辅助励磁接收线圈与励磁绕组同轴旋转，通过辅助励磁发射线圈和辅助励磁接收线圈之间的磁耦合谐振，实现动、静机构之间的电能传输。在电机内部只需要安装辅助励磁接收线圈、旋转整流桥、优化屏蔽介质，避免了电刷、传感器或者是变压器磁芯等复杂机构，可有效减小电机的重量，提高其工作可靠性。

附图说明

图1为本发明一种基于电能无线传输的无刷励磁机构的结构示意图。

图中有：高频励磁电源1、辅助励磁发射线圈2、端盖3、辅助励磁接收线圈4、旋转整流桥5、软磁优化层6、金属屏蔽层7、励磁绕组8、转轴9、转子10。

具体实施方式

参阅图1，本发明一种基于电能无线传输的无刷励磁机构，包括高频励磁电源1、辅助励磁发射线圈2、端盖3、辅助励磁接收线圈4、旋转整流桥5、软磁优化层6、金属屏蔽层7。

高频励磁电源1使用移相全桥零电压开关PWM电路，输出高频交流电100kHz～10MHz。通过调节驱动脉冲的相差改变功率源输出功率，即改变电机励磁电流值。

辅助励磁发射线圈2使用线径0.2mm～2mm的铜线(线径大小满足电机励磁电流长期安全通过)，紧密绕成空心螺线柱状，线圈直径10cm～20cm(根据安装需要，约为电机尺寸一半)，线圈为10匝左右(线圈高度不超过2cm，改变匝数调整电感量)，线圈绕制完成后测量电感。线圈抽头两端接高频励磁电源1，并且串接合适电容(其值通过参数的匹配计算求的)，构成LC谐振电路，且谐振频率等于高频电源频率。辅助励磁发射线圈2使用支架固定在电机外侧，正对电机端盖3，与其距离可调，达到最大耦合效率。

端盖3为对电磁波影响较小的非金属材料如BMC、SMC等。

辅助励磁接收线圈4与辅助励磁发射线圈2采用同样材料，绕成同样的柱状，抽头两端接旋转整流桥5的交流端子，同样串接电容，其谐振频率与辅助励磁发射线圈2以及高频励磁电源1相同，这样辅助励磁发射线圈2与辅助励磁接收线圈4共振，***传输效率最高。辅助励磁接收线圈4以及旋转整流桥5通过支架固定在转轴9上，能跟随转子10同步旋转，且二者与静止的软磁优化层6以及端盖3保持一定间隙，防止接触摩擦。

旋转整流桥5的直流端子连接励磁绕组8，励磁绕组8安装在转子10的转轴9上，实现从电机外部的励磁电源到励磁绕组的无线供电。

软磁优化层6和金属屏蔽层7紧贴电机外壳，固定在电机内部，起到隔离励磁***与电机原先内部环境、优化励磁***耦合效率的作用。软磁优化层6和金属屏蔽层7上面均有开孔，供转子转轴9和旋转整流桥5的直流出线穿过。软磁优化层6使用厚度5mm的MnZn铁氧体，金属屏蔽层7使用厚度2mm的薄铁片。

上述安置在电机内部的机构，包括辅助励磁接收线圈4、旋转整流桥5、软磁优化层6、金属屏蔽层7，大约占电机内部轴向长度7cm。在去掉普通有刷电机的电刷、刷架等部件的同时，可视电机内部空间大小，适当增加电机外壳的轴向长度，以便无刷励磁***的安置。

Claims (3)

1.一种基于电能无线传输的无刷励磁机构，其特征在于，该机构包括设置在电机外部的高频励磁电源（1）和辅助励磁发射线圈（2），以及设置在电机内部的辅助励磁接收线圈（4）、旋转整流桥（5）、软磁优化层（6）和金属屏蔽层（7），软磁优化层（6）和金属屏蔽层（7）将励磁***与电机内部其他部分隔离开，电机转子（10）的转轴（9）穿过软磁优化层（6）和金属屏蔽层（7）上的开孔后与辅助励磁接收线圈（4）和旋转整流桥（5）安装连接，所述辅助励磁发射线圈（2）串接电容后连接在高频励磁电源（1）上，构成LC谐振电路，所述的辅助励磁接收线圈（4）串接电容后连接在旋转整流桥（5）的交流端子上，也构成一个LC谐振电路，所述旋转整流桥（5）的直流端子出线依次穿过软磁优化层（6）和金属屏蔽层（7）后与电机转子（10）的转轴（9）上设置的励磁绕组（8）连接。

2.根据权利要求1所述的基于电能无线传输的无刷励磁机构，其特征在于，所述辅助励磁发射线圈（2）串接电容构成LC谐振电路的谐振频率与高频电源频率相同，辅助励磁接收线圈（4）串接电容构成LC谐振电路的谐振频率与高频电源频率相同。

3.根据权利要求1或2所述的基于电能无线传输的无刷励磁机构，其特征在于，所述的高频励磁电源（1）和辅助励磁发射线圈（2）设置于电机端盖（3）的外侧，辅助励磁接收线圈（4）、旋转整流桥（5）、软磁优化层（6）和金属屏蔽层（7）设置于端盖（3）的内侧，辅助励磁发射线圈（2）正对端盖（3）设置，两者间距可调，辅助励磁接收线圈（4）也正对端盖（3）设置，所述端盖（3）为非金属材料制成。