旋转部件测量系统无线供电技术研究与实现

作     者：李晓军 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任获荣;韩博文

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电磁感应耦合 无线供电 耦合线圈 旋转部件 

摘      要：随着现代科技与工业的发展,旋转部件的转速不断提高,为旋转部件上的电路供电成为了难题。传统接触式汇流环等有线供电方式,普遍存在易磨损、有接触火花等问题,已无法满足高速旋转部件工作场景的要求。现阶段无线传能技术发展迅速,可以弥补传统有线供电方式的各种不足,具有智能便捷、可靠安全、维护成本低等优点,相关技术产品也成功得到应用,展示了其广阔的应用前景。本文从无线传能技术基础理论出发,针对旋转部件测量系统供电问题展开研究。因设计指标要求耦合机构小型化,电磁感应耦合式无线供电技术满足在占据较小空间的条件下为旋转部件短距离输电的要求,且在工程上较易实现和安全,所以本文设计并实现了一种基于电磁感应耦合的无线供电方案。主要工作内容和创新点如下:1.设计一种针对旋转部件的电磁感应耦合线圈结构。该结构由发射侧线圈和接收侧线圈组成,其中将发射侧线圈设计成弧心在旋转轴线上的、类似月牙状的弧形线圈,外弧侧固定在旋转部件的保护壳体上;接收侧线圈与旋转部件旋转轴同轴并缠绕在旋转部件上。2.为了验证该设计的可行性并求解最优设计频率,使用COMSOL对旋转部件耦合线圈结构建模,设置模型参数并仿真优化。根据仿真结果分析,最优工作频率为50k Hz,此时电能传输效率可达70%。同时,分析互感和负载对系统效率的影响,结果显示在合理设计互感的情况下,使无线供电系统负载阻抗与最佳阻抗相匹配,可以提升系统工作效率。3.设计了旋转部件测量系统无线供电的硬件电路。发射侧单元主要包括逆变模块和无线功率发射模块的电路,接收侧单元主要包括无线功率接收模块、供电电源模块和A/D采集模块的电路。4.根据无线供电系统的硬件电路完成PCB设计,搭建旋转部件无线供电系统实验平台,并且进行了测试验证。实验结果表明系统工作正常,满足系统设计指标要求,系统实测效率达到60%。本文方案可为大多数旋转用电设备供电提供参考,相比传统接触式汇流环等有线供电方式,该无线供电方案更加可靠且安全。