專利名稱：一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸式供電裝置，特別涉及一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的接觸式供電方式如采用電刷的供電方式，有兩大缺陷一是滑環(huán)與供電電 刷始終接觸導(dǎo)致磨損或損傷嚴(yán)重，因供電電刷的更換變得頻繁而不能確保穩(wěn)定且可靠性高 的加工作業(yè)；二是為了減輕滑環(huán)的磨損或損傷，對其轉(zhuǎn)速有限制，因此無法響應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的 要求。專利申請?zhí)枮?00680024192. 3 (公開號為CN101213042A)，
公開日為2008年7月2
日的中國專利申請公開了一種《超聲波加工主軸裝置》，其中采用單一的兩個線圈感應(yīng)的非 接觸供電方式為旋轉(zhuǎn)超聲波加工主軸的換能器非接觸式地傳遞超聲電信號；發(fā)表于2010 年6期的《世界電子元器件》期刊上的文獻“基于ANSYS的松耦合變壓器三維仿真研究”中 提供了一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器上非接觸式能量傳遞裝置， 即上下罐狀磁環(huán)非接觸式變壓器，主邊與副邊線圈分別纏繞于上下兩個罐狀磁芯中。上述 的兩種非接觸供電方式均可應(yīng)用于其他旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸供電，但感應(yīng)效率較低，能量損 耗大，不適用于大功率、高效的工作場合。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，本發(fā) 明可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)能量的高效傳遞，減少能量損耗，適用于大功率、高效、高 轉(zhuǎn)速的場合。本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是包括主 邊和副邊，所述主邊由主邊線圈構(gòu)成，所述副邊由副邊磁芯和纏繞于副邊磁芯上的副邊線 圈構(gòu)成；所述主邊線圈相對于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機座靜止設(shè)置，所述副邊磁芯固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機 構(gòu)的轉(zhuǎn)動體上并隨轉(zhuǎn)動體一同旋轉(zhuǎn)；所述主邊線圈與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)外部的電源相連，將 電能傳輸給非接觸式供電裝置的主邊線圈，所述主邊線圈通過電磁感應(yīng)將電能非接觸的傳 遞給非接觸式供電裝置的副邊線圈，非接觸式供電裝置的副邊線圈與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體上 的需要供電的部件相連，最終將電能傳遞給轉(zhuǎn)動體上的需電部件。本發(fā)明一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，其中，所述副邊設(shè)置在所述主邊 的心部，所述主邊和所述副邊設(shè)置在同一條軸線上，在徑向上，所述主邊的內(nèi)徑略大于所述 副邊的外徑，使兩者在徑向具有間隙。所述副邊磁芯的外周面為圓柱面，所述副邊線圈纏繞 于所述副邊磁芯的外周面上。所述副邊磁芯的外圓柱面上沿周向設(shè)有一個環(huán)形槽，所述副 邊線圈纏繞于所述環(huán)形槽內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的非接觸式供電裝置的獨特結(jié)構(gòu)，使得非接觸式能量傳輸?shù)母袘?yīng)效率明顯提高，不但可以應(yīng)用于小功率作業(yè)的場合，更能滿足大功率、高效作業(yè)的需要，凡是機構(gòu)中 具有需要供電的旋轉(zhuǎn)部件且采用非接觸式供電方式時，均可采用本發(fā)明的非接觸式供電裝 置為所述的旋轉(zhuǎn)部件非接觸式地供電，例如本發(fā)明可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)超聲波加工主軸為換能 器供電；可應(yīng)用于發(fā)表于2010年6期的《世界電子元器件》期刊上的文獻“基于ANSYS的松 耦合變壓器三維仿真研究”中的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器；可應(yīng)用于 旋轉(zhuǎn)部件信號傳遞等。


圖1是本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的第一種結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是圖1所示的非接觸式供電裝置的俯視圖；圖3是本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的第二種結(jié)構(gòu)主視圖；圖4是圖3所示的非接觸式供電裝置的俯視圖；圖5是本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的第三種結(jié)構(gòu)主視圖；圖6是圖5所示的非接觸式供電裝置的俯視圖；圖7是本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的第四種結(jié)構(gòu)主視圖；圖8是圖7所示的非接觸式供電裝置的俯視圖；圖9是本發(fā)明中的第一種非接觸式供電裝置的有限元模型；圖10是本發(fā)明中的第二種非接觸式供電裝置的有限元模型；圖11是本發(fā)明中的第三種非接觸式供電裝置的有限元模型；圖12是本發(fā)明中的第四種非接觸式供電裝置的有限元模型；圖13是現(xiàn)有技術(shù)中一種只有兩個獨立線圈感應(yīng)無磁芯的有限元模型；圖14是現(xiàn)有技術(shù)中一種上下罐狀環(huán)形磁芯，主副線圈分別繞于上下兩個磁罐中 感應(yīng)的有限元模型；圖15是本發(fā)明中的主邊電路模型原理圖；圖16是本發(fā)明中的副邊電路模型原理圖。圖17是本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的一種實施例；圖18是本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置的另一種實施例。圖中1——有限元主邊線圈區(qū)域3——有限元磁芯區(qū)域5——有限元遠場區(qū)域7——副邊線圈9——主邊絕緣保持架11——旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地描述。本發(fā)明的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置包括主邊和副邊，所述主邊由主 邊線圈8構(gòu)成，所述副邊由副邊磁芯6和纏繞于副邊磁芯6上的副邊線圈7構(gòu)成；所述副邊
2——有限元副邊線圈區(qū)域 4——有限元空氣區(qū)域 6——副邊磁芯 8——主邊線圈 10——副邊絕緣保持架設(shè)置在所述主邊的心部，所述主邊與所述副邊設(shè)置在同一根軸線上；在徑向上，所述主邊的 內(nèi)徑略大于所述副邊的外徑，使兩者在徑向具有間隙，在不影響所述副邊和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn) 的情況下應(yīng)盡量使間隙最小。所述主邊(定環(huán))靜止，所述副邊(動環(huán))設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體上并隨轉(zhuǎn)動 體同速旋轉(zhuǎn)；所述主邊線圈8與外部的電源相連，將電信號傳遞給主邊線圈8，所述主邊線 圈8通過電磁感應(yīng)將電信號非接觸的傳遞給副邊線圈7，副邊線圈與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相連，最終將 電信號非接觸的傳遞給所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。所述副邊磁芯6應(yīng)選用導(dǎo)磁材料，如錳鋅鐵氧體等，但并不局限于此也可采用其 他導(dǎo)磁材料。所述副邊磁芯6有四種可以采用的形式第一種形式的副邊磁芯6是外周面為圓 柱面且內(nèi)部具有中心通孔的空心環(huán)狀，副邊線圈7纏繞于該副邊磁芯6的外周面上，如圖1 和圖2所示；第二種形式的副邊磁芯6是在上述第一種形狀的基礎(chǔ)上，在其外圓柱面上沿周 向具有一個環(huán)形槽，副邊線圈7纏繞于環(huán)形槽中，如圖3和圖4所示；第三種形式的副邊磁 芯6是上述第一種形式的基礎(chǔ)上無中心通孔的實心圓狀，如圖5和圖6所示；第四種形式的 副邊磁芯6是上述第二種形式的基礎(chǔ)上無中心通孔的實心圓且外周面具有環(huán)形槽，如圖7 和圖8所示。下面運用有限元仿真來對比以下六種非接觸能量傳遞裝置的感應(yīng)能力，以充分說 明本發(fā)明中采用的非接觸式非接觸式供電裝置的優(yōu)勢所在。(1)本發(fā)明的采用第一種形式磁芯(即空心圓環(huán)狀的磁芯)的非接觸式供電裝置， 如圖1圖2所示；(2)本發(fā)明的采用第二種形式磁芯(即空心圓環(huán)狀且外周面帶槽的磁芯)的非接 觸式供電裝置，如圖3和圖4所示結(jié)構(gòu)；(3)本發(fā)明的采用第三種形式磁芯(即實心圓狀的磁芯)的非接觸式供電裝置，如 圖5和圖6所示；(4)本發(fā)明的采用第四種形式磁芯(即實心圓狀且外周面帶槽的磁芯)的非接觸 式供電裝置，如圖7和圖8所示結(jié)構(gòu)；(5)專利申請?zhí)枮?00680024192. 3 (公開號為CN101213042A)，
公開日為2008年 7月2日的中國專利申請《超聲波加工主軸裝置》，只有兩個獨立線圈感應(yīng)，沒有磁芯；(6)發(fā)表于2010年第6期的《世界電子元器件》期刊上的文獻“基于ANSYS的松耦 合變壓器三維仿真研究”中的磁芯為上下罐狀磁環(huán)，主副線圈分別纏繞于上下兩個磁罐中。為了簡化計算只進行2D有限元仿真，利用有限元軟件ANSYS11.0，采用磁矢量位 方法，進行二維磁場-電路耦合分析，由于上述六種結(jié)構(gòu)均是軸對稱的，產(chǎn)生的電磁場在任 一豎直截面(如圖1圖3圖5圖7所示的截面)上是相同的，而對于截面上的電磁場是軸 對稱的，因此只計算截面的1/2區(qū)域即可。有限元模型如圖9至圖14所示，圖9至圖14中相同的字母代表相同的尺寸值，六 個模型之間的尺寸關(guān)系僅是為了進行有限元對比分析而設(shè)定，并非實際值。假設(shè)大圓外的 區(qū)域(r>6XRl，r是圓半徑)已經(jīng)幾乎沒有電磁場，可忽略不計，把大圓與小圓之間的區(qū) 域5(R1 < r < 6XR1)看成是遠場區(qū)域，小圓內(nèi)區(qū)域4(0 < r < 6XR1)是空氣，圖9為上 述的第(1)種非接觸能量傳遞裝置(也即本發(fā)明中的第一種非接觸式供電裝置)的有限元模型；圖10為上述第( 種非接觸能量傳遞裝置(也即本發(fā)明中的第二種非接觸式供電裝 置)的有限元模型；圖11為上述的第C3)種非接觸能量傳遞裝置(也即本發(fā)明中的第三種 非接觸式供電裝置)的有限元模型；圖12為上述第(4)種非接觸能量傳遞裝置(也即本發(fā) 明中的第四種非接觸式供電裝置)的有限元模型；圖13為上述第( 種非接觸能量傳遞裝 置(也即現(xiàn)有技術(shù)中只有兩個獨立線圈感應(yīng)，沒有磁芯)的限元模型；圖14為上述第(6) 種非接觸能量傳遞裝置(也即現(xiàn)有技術(shù)中一種上下罐狀環(huán)形磁芯，主副線圈分別繞于上下 兩個磁罐中感應(yīng))的有限元模型；特別強調(diào)的是圖10、圖11、圖12、圖13和圖14中的五 個模型也具有與圖9相同的遠場和空氣區(qū)域，圖中未畫出。圖9至圖14中的附圖標(biāo)記1是 有限元主邊線圈區(qū)域，附圖標(biāo)記2是有限元副邊線圈區(qū)域，附圖標(biāo)記3是有限元磁芯區(qū)域， 附圖標(biāo)記4是有限元空氣區(qū)域、附圖標(biāo)記5是有限元遠場區(qū)域。單元類型見表1，材料屬性 見表2，線圈實常數(shù)見表3，特別注意的是表3與表4中的參數(shù)僅是為了進行有限元仿真分 析而設(shè)定，不代表實際數(shù)值。(1)單元類型表權(quán)利要求
1.一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，包括主邊和副邊，其特征在于所述主邊由主邊線圈(8)構(gòu)成，所述副邊由副邊磁芯(6)和纏繞于副邊磁芯(6)上的 副邊線圈(7)構(gòu)成；所述主邊線圈(8)相對于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機座靜止設(shè)置，所述副邊磁芯(6)固定設(shè)置在旋 轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體(U)上并隨轉(zhuǎn)動體一同旋轉(zhuǎn)；所述主邊線圈(8)與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)外部的電源相連，將電能傳輸給非接觸式供電裝 置的主邊線圈(8)，所述主邊線圈(8)通過電磁感應(yīng)將電能非接觸的傳遞給非接觸式供電 裝置的副邊線圈(7)，非接觸式供電裝置的副邊線圈(7)與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體(11)上的需 要供電的部件相連，最終將電能傳遞給轉(zhuǎn)動體(11)上的需電部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，其特征在于所述 副邊設(shè)置在所述主邊的心部，所述主邊和所述副邊設(shè)置在同一條軸線上，在徑向上，所述主 邊的內(nèi)徑略大于所述副邊的外徑，使兩者在徑向具有間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，其特征在于所述 副邊磁芯(6)的外周面為圓柱面，所述副邊線圈(7)纏繞于所述副邊磁芯(6)的外周面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，其特征在于所述 副邊磁芯(6)的外圓柱面上沿周向設(shè)有一個環(huán)形槽，所述副邊線圈(7)纏繞于所述環(huán)形槽 內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，其特征在于所述 副邊磁芯(6)采用導(dǎo)磁材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的非接觸式供電裝置，包括主邊和副邊，所述主邊由主邊線圈構(gòu)成，所述副邊由副邊磁芯和纏繞于副邊磁芯上的副邊線圈構(gòu)成；所述主邊線圈相對于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機座靜止設(shè)置，所述副邊磁芯固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體上并隨轉(zhuǎn)動體一同旋轉(zhuǎn)；所述主邊線圈與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)外部的電源相連，將電能傳輸給非接觸式供電裝置的主邊線圈，所述主邊線圈通過電磁感應(yīng)將電能非接觸的傳遞給非接觸式供電裝置的副邊線圈，非接觸式供電裝置的副邊線圈與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動體上的需要供電的部件相連，最終將電能傳遞給轉(zhuǎn)動體上的需電部件。本發(fā)明非接觸式供電裝置實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)非接觸式供電裝置的能量高效傳遞，減少能量損耗，對轉(zhuǎn)速沒有限制。
文檔編號H02J17/00GK102148539SQ20111006075
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者劉禮平, 朱學(xué)明, 林彬 申請人:天津大學(xué)