裝甲車輛動態(tài)扭矩測試系統的無線供電裝置研究

馬凌芝，潘宏俠

(中北大學機械與動力工程學院，太原 030051)

作為一種機械傳動軸的基本載荷形式，扭矩是機械試驗中必須檢測的一項基本參數［1］.裝甲車輛作為一種典型的動力機械傳動系統，其動態(tài)扭矩測試環(huán)境空間狹小，溫度較高，且發(fā)射裝置高速旋轉，接收裝置靜止不動.這種情況下，傳統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，文中設計了一種無線供電方式應用于發(fā)射裝置.無線供電裝置設計完成后，對其進行了溫度標定，驗證了設計的無線供電裝置具有良好的溫度特性，可以用在現場實測環(huán)境中.

1 扭矩測試系統供電裝置設計

1.1 無線供電裝置

該無線供電裝置是基于電磁感應與電磁諧振原理設計的，通過相互耦合的發(fā)射線圈與接收線圈之間產生的交變磁場，在接收線圈內感應出一交流電動勢，此電動勢再經過整流穩(wěn)壓后為負載提供電能［2］.

文中扭矩測試發(fā)射裝置需要5 V和3.3 V兩種供電電壓.其中，應變橋路和扭矩測試發(fā)射電路需要3.3 V電壓，信號放大與濾波電路和A/D轉換電路需要5 V電壓.所以，無線供電部分主要設計兩大模塊:5 V電壓模塊、3.3 V電壓模塊，其整體設計框圖如下圖1所示.

圖1 無線供電裝置整體設計框圖

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直流電要經過高頻逆變與功率放大進行信號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(只需一個電容與一個電阻)，工作電流小 (輸出電流200 mA左右)，且能實現自動頻率鎖定，無需外加晶振便可產生一個穩(wěn)定的頻率為100 kHz的正弦交流信號.

高頻逆變電路輸出的能量極小，需要進行功率放大.采用功率放大芯片T5336來實現交流電幅值的放大，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℃).

設計的無線供電發(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

在無線供電裝置設計中，電磁耦合環(huán)節(jié)是其設計的關鍵，因為此環(huán)節(jié)中發(fā)射線圈與接收線圈是完全分離的，耦合系數很小，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電磁耦合環(huán)節(jié)展開設計.

通過閱讀相關的參考文獻，總結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、線圈間距及線圈直徑比.即:耦合系數隨著線圈垂直間距與水平間距的增大而降低;耦合系數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，得到以下兩個結論:

圖3 發(fā)射線圈與接收線圈電磁傳輸示意圖

由以上兩個結論可以看出，若發(fā)射線圈與接收線圈距離太遠，電能傳輸過程中無功損耗會很嚴重，發(fā)射線圈與接收線圈間距越近，電能傳輸效率會越高;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，用專用繞線機將接收線圈纏繞在一尼龍?zhí)淄采?，并與套筒一起套在轉軸上隨軸一起轉動，將發(fā)射線圈纏繞在另一相同材質的尼龍?zhí)淄采希咭黄鸸潭ㄌ自诮邮站€圈外并與之同心平行放置［4］.現場實測時裝甲車輛轉軸直徑為125 mm，所以無線供電裝置接收線圈尼龍?zhí)淄仓睆蕉?28 mm.根據線圈直徑比=0.5…1且﹤0.1的設計原則，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，兩線圈纏繞匝數同為10匝，繞制方式采用單層繞制.

線圈設計好后，要確定其自感值和與之并聯的電容值.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、接收線圈并聯的電容分別為C1和C2.設計時C1、L1和C2、L2分別組成兩個并聯諧振電路以產生一個最大的交變磁場，進而在接收端產生一個最大的感應電動勢，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對接收線圈接收到的交流電壓信號進行整流，整流后通過5 V穩(wěn)壓芯片T3168(承受電流值可達2 A，耐壓值可達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電壓轉換為穩(wěn)定的3.3 V直流電壓.

設計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 無線供電裝置的動態(tài)實驗分析

在12V電源電壓下做了相關實驗，分析轉速大小與轉速方向對供電裝置接收端輸出電壓的影響，具體實驗數據如下表1所示.

表1 不同轉速時的接收端輸出電壓

由表1看出，不同轉速下，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速大小和方向的影響.

根據表1得出的結論，在240 r/min的車床轉速下，分析了不同電源電壓與線圈間距對供電裝置接收端輸出電壓的影響，具體實驗數據如下表2所示.

表2 不同電源電壓與不同線圈間距時接收端輸出電壓

由表2看出，在一定的線圈間距D(D＜0.1D1)內，不同的電源電壓對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，在一定的線圈間距D(D＜0.1D1)內，無線供電裝置接收端輸出電壓穩(wěn)定在某一數值，當D＞0.1D1時，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，為了分析線圈間距對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實驗，具體的實驗數據如下表3所示.

表3 供電裝置電能傳輸效率在不同線圈間距時的實驗數據 (車床靜止)

表3中實驗數據表明，無線供電裝置電能傳輸效率與線圈間距D有關.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;而且當兩線圈完全重合放置時，電能傳輸效率最高.

根據以上結論，現場實測時，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 溫度標定

試驗現場對扭矩測試系統溫度要求較高，所以在現場實測前要用GZX-9070MBE電熱恒溫鼓風干燥箱對扭矩測試發(fā)射與接收裝置、無線供電裝置進行溫度標定.

標定過程:

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℃記錄一次數據;

⑷當溫度上升到90℃和100℃時，在這兩個溫度點上分別保持20分鐘，并且每隔5分鐘記錄一次數據，觀察輸出電壓變化情況.

實驗結果:無線供電裝置溫度標定實驗數據見下表4.

由表4數據算出，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定實驗數據

由表4充分說明無線供電裝置可以較長時間承受100℃左右的高溫，且輸出電壓和理論值相差很小，完全可以達到系統測試對溫度的要求.

4 結論

圍繞著扭矩測試系統所處的特殊的工作環(huán)境，基于電磁感應原理設計了一套無線供電收發(fā)裝置，為扭矩測試發(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，實現了電能的高效可靠傳輸.通過系統標定試驗，從理論上驗證了此無線供電裝置可以應用到裝甲車輛傳動軸扭矩測試裝置上，同時也驗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.

［1］張有頤.轉矩測量技術 ［M］.北京:計量出版社，1986.

［2］A.W.Green，J.T.Boys.10kHz inductively coupled power transfer－ concept and control［C］.Power Electronics and Variable－ Speed Drives，1994.Fifth International Con ferenceon，London:IET，1994:694-699

［3］劉浩然.軋機接軸扭矩傳感器數據測量與無線傳輸的研究［D］.秦皇島:燕山大學，2004

［4］李松林.基于電磁感應耦合的無線電能傳輸研究［D］.成都:電子科技大學，2012

［5］柏楊.基于超聲波的無線電能傳輸的研究 ［J］.壓電與聲光，2011，33(2):324-327