非接触式扭矩仪中的感应供电技术

　　0 引言

　　扭矩测量是检验各类动力机械功率输出是否达到设计指标的必备手段，也是各类动力机械运行状态监测和故障识别预报的主要信息源。作为测量扭矩的工具，扭矩仪的研发有着重要的意义^[1]。非接触式扭矩仪采用应变片电测的方法进行扭矩测量，是当前国内外应用最广泛，技术最成熟的方法。非接触式扭矩仪的结构分为转子和定子 2 部分: 转子上的电路接收定子传输的电能，稳压后供给转子上的电路工作，同时将扭矩应变信号进行放大和滤波，通过射频方式发送到定子上; 定子接收并处理转子发射过来的扭矩信号，同时利用直流电源为转子电路提供电能。

　　如何将定子上的电能可靠地输送到转子上，为转子上电路正常工作提供电能，是非接触式扭矩仪开发面临的关键问题之一^[2]。传统的解决方法是采用电刷、滑环和水银等引电装置的有线传输方式。电刷和滑环引电的方式存在机械摩擦和磨损，所以不适合转速很高或者振动较大的场合。水银电刷装置复杂，安装不便，容易污染环境，故应用不广。另外，在矿井中钻具的扭矩测量，车辆旋转轴的扭矩测量等场合，由于受测量环境约束，往往不适合采用有线传输的方式。在测试时间不长而且转速不高的场合，也可采用电池供电，但是由于电池供电寿命有限，且容易引起高速时带来的动平衡问题，所以也不适合用在需要进行长时间测量的实时状态监测系统中^{[3 -5]。}

　　由于感应耦合供电 ( Inductively Coupled Power Transfer，ICPT) 系统中变压器的原边线圈和副边线圈具有可分离和无接触的特点，所以可采用 ICPT 技术，设计非接触式扭矩仪中的供电方案，实现电能从定子到转子的无线传输^{[6 -7].}

　　1 ICPT 系统的基本结构

　　非接触式的电能传输可通过感应耦合、电容耦合和电磁波等方式实现。由于电容耦合传输的功率有限，而通过电磁波传输需要极高的工作频率，故应用场合很有限，不适合为非接触式扭矩仪中的转子电路供电。在感应耦合的方式中，能量通过电磁场进行传递，与传统的变压器原副边紧密耦合在一起。不同的是，用于非接触电能传输中的变压器原副边相互分离，有一定的距离，是松散耦合的。

　　一个典型的 ICPT 系统由相互分离的发送端和接收端 2 部分组成，如图 1 所示。

　　发送端连接电源，通过逆变电路产生 1 个适当频率和幅值的交流信号，接收端把经由松耦合变压器接收到的信号通过整流和稳压后提供给负载。同时，为了减小对直流电源功率的要求，保护逆变电路，提高功率传输能力，需要对变压器的原边和副边进行谐振补偿。在对输出稳定性要求比较高的情况下，还要包括能使输出稳定的控制部分^[8]。