装甲车辆动态扭矩测试系统的无线供电装置研究

马凌芝，潘宏侠

(中北大学机械与动力工程学院，太原 030051)

作为一种机械传动轴的基本载荷形式，扭矩是机械试验中必须检测的一项基本参数［1］.装甲车辆作为一种典型的动力机械传动系统，其动态扭矩测试环境空间狭小，温度较高，且发射装置高速旋转，接收装置静止不动.这种情况下，传统的电池供电方式因供电寿命短、不耐高温、占用空间大，且电能传输稳定性差而被淘汰.所以，文中设计了一种无线供电方式应用于发射装置.无线供电装置设计完成后，对其进行了温度标定，验证了设计的无线供电装置具有良好的温度特性，可以用在现场实测环境中.

1 扭矩测试系统供电装置设计

1.1 无线供电装置

该无线供电装置是基于电磁感应与电磁谐振原理设计的，通过相互耦合的发射线圈与接收线圈之间产生的交变磁场，在接收线圈内感应出一交流电动势，此电动势再经过整流稳压后为负载提供电能［2］.

文中扭矩测试发射装置需要5 V和3.3 V两种供电电压.其中，应变桥路和扭矩测试发射电路需要3.3 V电压，信号放大与滤波电路和A/D转换电路需要5 V电压.所以，无线供电部分主要设计两大模块:5 V电压模块、3.3 V电压模块，其整体设计框图如下图1所示.

图1 无线供电装置整体设计框图

1.2 无线供电发射电路

无线供电发射电路包括电源管理、高频逆变与功率放大3部分.电源管理部分直接采用车载12 V直流电源.为了提高电能在发射环节与接收环节之间的传递效率，12 V直流电要经过高频逆变与功率放大进行信号频率与能量幅值的增大.

高频逆变电路采用深圳芯科泰公司研发的XKT－408 A作为核心芯片，此芯片外围器件少(只需一个电容与一个电阻)，工作电流小 (输出电流200 mA左右)，且能实现自动频率锁定，无需外加晶振便可产生一个稳定的频率为100 kHz的正弦交流信号.

高频逆变电路输出的能量极小，需要进行功率放大.采用功率放大芯片T5336来实现交流电幅值的放大，该芯片无需加外围器件，工作电压范围宽(DC3 V～15 V)，工作温度高 (－55℃ ～+125℃).

设计的无线供电发射电路如下图2所示.

图2 无线供电发射电路

1.3 电磁耦合

在无线供电装置设计中，电磁耦合环节是其设计的关键，因为此环节中发射线圈与接收线圈是完全分离的，耦合系数很小，使得两线圈间的电能传输效率不高.所以，要从提高电能传输效率上对电磁耦合环节展开设计.

通过阅读相关的参考文献，总结出影响两线圈间电能传输效率的因素主要有:线圈间耦合系数、线圈间距及线圈直径比.即:耦合系数随着线圈垂直间距与水平间距的增大而降低;耦合系数随着两线圈半径差的增大而降低;线圈间距D与线圈直径比D1/D2对电能传输效率的影响利用HFSS12电磁仿真软件仿真示意图如下图3所示［3］.

图3中，D1、D2分别为发射线圈与接收线圈的直径，D为两线圈垂直间距.仿真之后，得到以下两个结论:

图3 发射线圈与接收线圈电磁传输示意图

由以上两个结论可以看出，若发射线圈与接收线圈距离太远，电能传输过程中无功损耗会很严重，发射线圈与接收线圈间距越近，电能传输效率会越高;发射线圈与接收线圈尺寸越接近，电能传输效率也会越高.

为了保证线圈缠绕的紧密性与规范性，用专用绕线机将接收线圈缠绕在一尼龙套筒上，并与套筒一起套在转轴上随轴一起转动，将发射线圈缠绕在另一相同材质的尼龙套筒上，二者一起固定套在接收线圈外并与之同心平行放置［4］.现场实测时装甲车辆转轴直径为125 mm，所以无线供电装置接收线圈尼龙套筒直径定为128 mm.根据线圈直径比=0.5…1且﹤0.1的设计原则，将发射线圈尼龙套筒直径定为138 mm.另外，两线圈选择0.5 mm线径，两线圈缠绕匝数同为10匝，绕制方式采用单层绕制.

线圈设计好后，要确定其自感值和与之并联的电容值.假定发射线圈与接收线圈的自感分别为L1和L2，与发射线圈、接收线圈并联的电容分别为C1和C2.设计时C1、L1和C2、L2分别组成两个并联谐振电路以产生一个最大的交变磁场，进而在接收端产生一个最大的感应电动势，以最大程度地提高电能传输效率［5］.电磁耦合硬件电路的如图4

图4 电磁耦合硬件电路图

1.4 无线供电接收电路

采用肖特基整流二极管2A/60V SR260对接收线圈接收到的交流电压信号进行整流，整流后通过5 V稳压芯片T3168(承受电流值可达2 A，耐压值可达28 V)和贴片功率电感SP31－220K将电压稳定到5 V，再通过LM1117－3.3稳压电路将5 V电压转换为稳定的3.3 V直流电压.

设计的无线供电接收电路如下图5所示.

图5 无线供电接收电路图

2 无线供电装置的动态实验分析

在12V电源电压下做了相关实验，分析转速大小与转速方向对供电装置接收端输出电压的影响，具体实验数据如下表1所示.

表1 不同转速时的接收端输出电压

由表1看出，不同转速下，无线供电装置接收端输出电压的大小几乎不变，说明无线供电装置接收端输出电压不受转速大小和方向的影响.

根据表1得出的结论，在240 r/min的车床转速下，分析了不同电源电压与线圈间距对供电装置接收端输出电压的影响，具体实验数据如下表2所示.

表2 不同电源电压与不同线圈间距时接收端输出电压

由表2看出，在一定的线圈间距D(D＜0.1D1)内，不同的电源电压对无线供电装置接收端输出电压的影响很小，且输出电压保持稳定;电源电压一定时，在一定的线圈间距D(D＜0.1D1)内，无线供电装置接收端输出电压稳定在某一数值，当D＞0.1D1时，无线供电装置接收端输出电压随着间距D的增大逐步减小直至为0.

同时，为了分析线圈间距对电能传输效率的影响，以12 V电源电压为例，在静止的车床上做了相关实验，具体的实验数据如下表3所示.

表3 供电装置电能传输效率在不同线圈间距时的实验数据 (车床静止)

表3中实验数据表明，无线供电装置电能传输效率与线圈间距D有关.在电源电压一定的情况下，线圈间距越大，电能传输效率越低;线圈间距越小，电能传输效率越高;而且当两线圈完全重合放置时，电能传输效率最高.

根据以上结论，现场实测时，无线供电装置发射电路采用车载12 V直流电源供电即可，但要求发射线圈与接收线圈完全重合放置.

3 温度标定

试验现场对扭矩测试系统温度要求较高，所以在现场实测前要用GZX-9070MBE电热恒温鼓风干燥箱对扭矩测试发射与接收装置、无线供电装置进行温度标定.

标定过程:

⑴将发射/接收线圈固定在恒温箱中，保持两线圈平行同心放置;

⑵将发射装置与接收装置接入电路，发射装置采用外部电源供电;

⑶合上恒温箱后，以20℃为起始温度记录输出电压值，每隔10℃记录一次数据;

⑷当温度上升到90℃和100℃时，在这两个温度点上分别保持20分钟，并且每隔5分钟记录一次数据，观察输出电压变化情况.

实验结果:无线供电装置温度标定实验数据见下表4.

由表4数据算出，温度变化的最大偏差分别为e1=3.3－3.25=0.05，e2=5.05－5=0.05，因此温度变化的误差分别为η1=1.5%，η2=1%.这一结果说明无线供电装置受温度变化影响很小，输出电压基本稳定.

表4 无线供电装置温度标定实验数据

由表4充分说明无线供电装置可以较长时间承受100℃左右的高温，且输出电压和理论值相差很小，完全可以达到系统测试对温度的要求.

4 结论

围绕着扭矩测试系统所处的特殊的工作环境，基于电磁感应原理设计了一套无线供电收发装置，为扭矩测试发射装置提供电能，不仅克服了锂电池供电寿命短且不耐高温的缺陷，还大大降低了传输过程中的电能消耗，实现了电能的高效可靠传输.通过系统标定试验，从理论上验证了此无线供电装置可以应用到装甲车辆传动轴扭矩测试装置上，同时也验证了此无线供电收发装置输出电压稳定性高、温度特性好.

［1］张有颐.转矩测量技术 ［M］.北京:计量出版社，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］刘浩然.轧机接轴扭矩传感器数据测量与无线传输的研究［D］.秦皇岛:燕山大学，2004

［4］李松林.基于电磁感应耦合的无线电能传输研究［D］.成都:电子科技大学，2012

［5］柏杨.基于超声波的无线电能传输的研究 ［J］.压电与声光，2011，33(2):324-327