馬凌芝，潘宏俠

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051)

作為一種機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，扭矩是機(jī)械試驗(yàn)中必須檢測(cè)的一項(xiàng)基本參數(shù)［1］.裝甲車輛作為一種典型的動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試環(huán)境空間狹小，溫度較高，且發(fā)射裝置高速旋轉(zhuǎn)，接收裝置靜止不動(dòng).這種情況下，傳統(tǒng)的電池供電方式因供電壽命短、不耐高溫、占用空間大，且電能傳輸穩(wěn)定性差而被淘汰.所以，文中設(shè)計(jì)了一種無線供電方式應(yīng)用于發(fā)射裝置.無線供電裝置設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行了溫度標(biāo)定，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的無線供電裝置具有良好的溫度特性，可以用在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境中.

1 扭矩測(cè)試系統(tǒng)供電裝置設(shè)計(jì)

1.1 無線供電裝置

該無線供電裝置是基于電磁感應(yīng)與電磁諧振原理設(shè)計(jì)的，通過相互耦合的發(fā)射線圈與接收線圈之間產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，在接收線圈內(nèi)感應(yīng)出一交流電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后為負(fù)載提供電能［2］.

文中扭矩測(cè)試發(fā)射裝置需要5 V和3.3 V兩種供電電壓.其中，應(yīng)變橋路和扭矩測(cè)試發(fā)射電路需要3.3 V電壓，信號(hào)放大與濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路需要5 V電壓.所以，無線供電部分主要設(shè)計(jì)兩大模塊:5 V電壓模塊、3.3 V電壓模塊，其整體設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示.

圖1 無線供電裝置整體設(shè)計(jì)框圖

1.2 無線供電發(fā)射電路

無線供電發(fā)射電路包括電源管理、高頻逆變與功率放大3部分.電源管理部分直接采用車載12 V直流電源.為了提高電能在發(fā)射環(huán)節(jié)與接收環(huán)節(jié)之間的傳遞效率，12 V直流電要經(jīng)過高頻逆變與功率放大進(jìn)行信號(hào)頻率與能量幅值的增大.

高頻逆變電路采用深圳芯科泰公司研發(fā)的XKT－408 A作為核心芯片，此芯片外圍器件少(只需一個(gè)電容與一個(gè)電阻)，工作電流小 (輸出電流200 mA左右)，且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率鎖定，無需外加晶振便可產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的頻率為100 kHz的正弦交流信號(hào).

高頻逆變電路輸出的能量極小，需要進(jìn)行功率放大.采用功率放大芯片T5336來實(shí)現(xiàn)交流電幅值的放大，該芯片無需加外圍器件，工作電壓范圍寬(DC3 V～15 V)，工作溫度高 (－55℃ ～+125℃).

設(shè)計(jì)的無線供電發(fā)射電路如下圖2所示.

圖2 無線供電發(fā)射電路

1.3 電磁耦合

在無線供電裝置設(shè)計(jì)中，電磁耦合環(huán)節(jié)是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)榇谁h(huán)節(jié)中發(fā)射線圈與接收線圈是完全分離的，耦合系數(shù)很小，使得兩線圈間的電能傳輸效率不高.所以，要從提高電能傳輸效率上對(duì)電磁耦合環(huán)節(jié)展開設(shè)計(jì).

通過閱讀相關(guān)的參考文獻(xiàn)，總結(jié)出影響兩線圈間電能傳輸效率的因素主要有:線圈間耦合系數(shù)、線圈間距及線圈直徑比.即:耦合系數(shù)隨著線圈垂直間距與水平間距的增大而降低;耦合系數(shù)隨著兩線圈半徑差的增大而降低;線圈間距D與線圈直徑比D1/D2對(duì)電能傳輸效率的影響利用HFSS12電磁仿真軟件仿真示意圖如下圖3所示［3］.

圖3中，D1、D2分別為發(fā)射線圈與接收線圈的直徑，D為兩線圈垂直間距.仿真之后，得到以下兩個(gè)結(jié)論:

圖3 發(fā)射線圈與接收線圈電磁傳輸示意圖

由以上兩個(gè)結(jié)論可以看出，若發(fā)射線圈與接收線圈距離太遠(yuǎn)，電能傳輸過程中無功損耗會(huì)很嚴(yán)重，發(fā)射線圈與接收線圈間距越近，電能傳輸效率會(huì)越高;發(fā)射線圈與接收線圈尺寸越接近，電能傳輸效率也會(huì)越高.

為了保證線圈纏繞的緊密性與規(guī)范性，用專用繞線機(jī)將接收線圈纏繞在一尼龍?zhí)淄采?，并與套筒一起套在轉(zhuǎn)軸上隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將發(fā)射線圈纏繞在另一相同材質(zhì)的尼龍?zhí)淄采?，二者一起固定套在接收線圈外并與之同心平行放置［4］.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)裝甲車輛轉(zhuǎn)軸直徑為125 mm，所以無線供電裝置接收線圈尼龍?zhí)淄仓睆蕉?28 mm.根據(jù)線圈直徑比=0.5…1且﹤0.1的設(shè)計(jì)原則，將發(fā)射線圈尼龍?zhí)淄仓睆蕉?38 mm.另外，兩線圈選擇0.5 mm線徑，兩線圈纏繞匝數(shù)同為10匝，繞制方式采用單層繞制.

線圈設(shè)計(jì)好后，要確定其自感值和與之并聯(lián)的電容值.假定發(fā)射線圈與接收線圈的自感分別為L1和L2，與發(fā)射線圈、接收線圈并聯(lián)的電容分別為C1和C2.設(shè)計(jì)時(shí)C1、L1和C2、L2分別組成兩個(gè)并聯(lián)諧振電路以產(chǎn)生一個(gè)最大的交變磁場(chǎng)，進(jìn)而在接收端產(chǎn)生一個(gè)最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以最大程度地提高電能傳輸效率［5］.電磁耦合硬件電路的如圖4

圖4 電磁耦合硬件電路圖

1.4 無線供電接收電路

采用肖特基整流二極管2A/60V SR260對(duì)接收線圈接收到的交流電壓信號(hào)進(jìn)行整流，整流后通過5 V穩(wěn)壓芯片T3168(承受電流值可達(dá)2 A，耐壓值可達(dá)28 V)和貼片功率電感SP31－220K將電壓穩(wěn)定到5 V，再通過LM1117－3.3穩(wěn)壓電路將5 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V直流電壓.

設(shè)計(jì)的無線供電接收電路如下圖5所示.

圖5 無線供電接收電路圖

2 無線供電裝置的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

在12V電源電壓下做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析轉(zhuǎn)速大小與轉(zhuǎn)速方向?qū)╇娧b置接收端輸出電壓的影響，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示.

表1 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的接收端輸出電壓

由表1看出，不同轉(zhuǎn)速下，無線供電裝置接收端輸出電壓的大小幾乎不變，說明無線供電裝置接收端輸出電壓不受轉(zhuǎn)速大小和方向的影響.

根據(jù)表1得出的結(jié)論，在240 r/min的車床轉(zhuǎn)速下，分析了不同電源電壓與線圈間距對(duì)供電裝置接收端輸出電壓的影響，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2所示.

表2 不同電源電壓與不同線圈間距時(shí)接收端輸出電壓

由表2看出，在一定的線圈間距D(D＜0.1D1)內(nèi)，不同的電源電壓對(duì)無線供電裝置接收端輸出電壓的影響很小，且輸出電壓保持穩(wěn)定;電源電壓一定時(shí)，在一定的線圈間距D(D＜0.1D1)內(nèi)，無線供電裝置接收端輸出電壓穩(wěn)定在某一數(shù)值，當(dāng)D＞0.1D1時(shí)，無線供電裝置接收端輸出電壓隨著間距D的增大逐步減小直至為0.

同時(shí)，為了分析線圈間距對(duì)電能傳輸效率的影響，以12 V電源電壓為例，在靜止的車床上做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3所示.

表3 供電裝置電能傳輸效率在不同線圈間距時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (車床靜止)

表3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無線供電裝置電能傳輸效率與線圈間距D有關(guān).在電源電壓一定的情況下，線圈間距越大，電能傳輸效率越低;線圈間距越小，電能傳輸效率越高;而且當(dāng)兩線圈完全重合放置時(shí)，電能傳輸效率最高.

根據(jù)以上結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，無線供電裝置發(fā)射電路采用車載12 V直流電源供電即可，但要求發(fā)射線圈與接收線圈完全重合放置.

3 溫度標(biāo)定

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)扭矩測(cè)試系統(tǒng)溫度要求較高，所以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)前要用GZX-9070MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)扭矩測(cè)試發(fā)射與接收裝置、無線供電裝置進(jìn)行溫度標(biāo)定.

標(biāo)定過程:

⑴將發(fā)射/接收線圈固定在恒溫箱中，保持兩線圈平行同心放置;

⑵將發(fā)射裝置與接收裝置接入電路，發(fā)射裝置采用外部電源供電;

⑶合上恒溫箱后，以20℃為起始溫度記錄輸出電壓值，每隔10℃記錄一次數(shù)據(jù);

⑷當(dāng)溫度上升到90℃和100℃時(shí)，在這兩個(gè)溫度點(diǎn)上分別保持20分鐘，并且每隔5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，觀察輸出電壓變化情況.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:無線供電裝置溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表4.

由表4數(shù)據(jù)算出，溫度變化的最大偏差分別為e1=3.3－3.25=0.05，e2=5.05－5=0.05，因此溫度變化的誤差分別為η1=1.5%，η2=1%.這一結(jié)果說明無線供電裝置受溫度變化影響很小，輸出電壓基本穩(wěn)定.

表4 無線供電裝置溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4充分說明無線供電裝置可以較長時(shí)間承受100℃左右的高溫，且輸出電壓和理論值相差很小，完全可以達(dá)到系統(tǒng)測(cè)試對(duì)溫度的要求.

4 結(jié)論

圍繞著扭矩測(cè)試系統(tǒng)所處的特殊的工作環(huán)境，基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一套無線供電收發(fā)裝置，為扭矩測(cè)試發(fā)射裝置提供電能，不僅克服了鋰電池供電壽命短且不耐高溫的缺陷，還大大降低了傳輸過程中的電能消耗，實(shí)現(xiàn)了電能的高效可靠傳輸.通過系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)，從理論上驗(yàn)證了此無線供電裝置可以應(yīng)用到裝甲車輛傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試裝置上，同時(shí)也驗(yàn)證了此無線供電收發(fā)裝置輸出電壓穩(wěn)定性高、溫度特性好.

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