CN101000709A - 回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法及装置。利用微波、红外线、可见光、紫外线辐射，合理的划分回转体与其邻近体之间的空间及路径，通过两次换能，将电能送达回转体上；同样利用辐射传递信息。专利中采用模块化技术，设计了能源模块、信息接收、发送和收发模块，供挑选使用。这些模块可和各种敏感组件配合，形成许多新的传感器。该技术方法和装置可大量运用在具备旋转运动的物体上，例如：扭距测量、车轮胎压监控、直升机螺旋桨相关参数测试等项目和领域中。

Description

回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法及装置，尤其涉及一种在近距离空间利用辐射来传递电能和信息的方法及装置。

背景技术：

在工业领域，旋转部件上有许多信息要返回到它们的支撑体上，供人们采集应用。例如：飞驰的汽车的轮胎压力、快速运转的机器主轴的扭矩、高速运转的直升机螺旋浆上叶片的形变等等。

无疑，所有这些信息，都必须依靠空间，用非接触的方法来传递。在解决该类问题时出现过几种思路：

方法一：利用集流环，直接将电能传入回转体，将信息从回转体传出；

方法二：利用旋转变压器，非接触的将电能传入回转体，将信息从回转体传出；

方法三：将信息进行变换，根本不传入电能给回转体，而直接获取信息；

方法四：在回转体上放置电池，通过电磁波将信息从回转体传出；

上述的几种思路都能在一定程度上解决问题，但都有缺陷。方法一在高速回转下会带来火花，导致不可靠，现在几乎不用；方法二体积庞大，不总能找到合适的位置，效果也不大如意；方法三适应范围太窄，主要是在扭矩、转速测量中应用，成本较高；方法四电池要定期更换。

发明内容：

技术问题：如技术背景中所述，真是欲取先予，欲从旋转的回转体中获取信息，必先给予其电能。如果回转体上有了足够的电能，问题就解决了。

本发明目的之一就在于此，解决将能量从相对静止的邻近体上非接触的传送到回转体上；本发明目的之二是方便的把回转体上的信息方便、可靠、低成本的送到其邻近体上；本发明目的之三是要找到解决这类问题的方法；本发明目的之四要将工程师从能量和信息的传输通道中解放出来，而只专注信息的产生、处理和使用，后两项这也是本发明的最大目的。

技术方案：基于上述分析，注意到这种回转结构中，回转体与其邻近体之间的距离一般都很小，也就是说，它们之间的空间很小，因此，为用辐射传递能量提供了有利途径。

本发明总结了用辐射解决上述问题的步骤：

第一步：在邻近体上固定一个或多个最好持续发射的辐射功率源将电能转换为辐射能，同时固定至少一个辐射信号接收器或者还包含至少一个辐射信号发射器；

第二步：在回转体上固定一个或多个换能器，将辐射能变为电能暂存或(和)输出，同时固定最好一个辐射信号发射器或者还包含最好一个辐射信号接收器，该辐射信号发射器或者存在的辐射信号接收器的电源来源于换能器的输出；

第三步：在回转体与其相邻体之间的空间设置辐射的直达或(和)反射路径族，在回转体与其邻近体处于任意相对位置，该路径族中都有路径达到目的，这些路径族包括：A邻近体的辐射功率源的辐射有效达到回转体的换能装置上的路径族，B回转体上发射的辐射信号有效达到邻近体的辐射信号接收器上的路径族，C或者邻近体上的发射的辐射信号有效达到回转体上的辐射信号接收器上的路径族，A、B和C路径族空间一般是封闭的，最好是各自封闭的。

通过上述步骤，不管回转体与其邻近体之间处于何种位置，以及是否转动，转动的快慢，电能都会源源不断的送入回转体，只要回转体有充足电能，一切问题就解决了。

利用上述方法，制作模块完成相对独立的功能，并形成系列，就可以将工程师从信息通道中解放出来。

有益效果：采用这样的技术方案，大大简化了回转体中信息传递的装置，缩减了成本，该装置和扭矩敏感元件结合，就是新的扭矩传感器；和压力传感器结合，就是新的胎压解决方案；和振动传感器结合，就是新型的振动传感器。由于回转体旋转是非常常见的机械现象，该专利方法的实施，其影响深远；该方法制造的模块的使用，大大的节约了人力，将广大工程师从信息和能源的通道设计中解脱出来，专注于信息本身的研究，社会劳动力得到有效提高。

附图说明：

图1是运用回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法的一个示例。

其中：1、邻近体；2、回转体；3、反射材料；4、换能器；5、功率源；6、反射材料；7、接口；8、电路板；9、位于回转体上的信号发射器；10、位于邻近体上的信号接收器；11、位于邻近体上的信号发射器；12、位于回转体上的信号接收器；13、轴承；14、螺钉；15、挡套；16、挡环；31、邻近体1的辐射功率源的辐射有效达到回转体2的换能装置上的路径族形成的空间；32、回转体2上发射的辐射信号有效达到邻近体1的辐射信号接收器上的路径族所形成的空间；33、邻近体1上的发射的辐射信号有效达到回转体2上的辐射信号接收器上的路径族所形成的空间(该示例的32/33是重叠的)。

图2是图1的A-A剖面。

其中：部件号名称和图1是一致的。

图3是辐射源直射路径族。

其中：A1是一个辐射源，A2是一个辐射源。

图4是运用回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法的另一个示例。

其中：部件号名称和图1是一致的。

图5是运用回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法的再一个示例。

其中：17、主动轴；18、支撑座；其他部件号名称和图1是一致的。

图6是PM(能源模块)结构示意图。

其中：部件号名称和图1是一致的。

图7是IMTR(信息收发模块)结构示意图。

其中：部件号名称和图1是一致的。

图8是利用该发明，设计的一个新型扭矩仪的结构示意图。

其中：19、联轴器；20、应变片；其他部件号名称和图1是一致的。

具体实施方式：

依照上述的分析，技术方案，很容易找到具体的实施方式。

为叙述上的方便，先将功率源及对应换能器，信号发射器及接收器做如下预先说明：

能量传递：能量传递的频段可以是微波、可见光和紫外等，由于各种波长的波特性不一致，需要根据物理学原理和现有的技术合理选择，下面是一些示范，值得注意的是，一般该能量传递总体效率较低。

可见光源：采用钨灯、卤钨灯，或者使用LED光源，通过调节电压适当控制其辐射强度，不要求定频工作，一般波长在400nm-1000nm。

紫外光源：使用石英窗的气体放电氢灯、氘灯，或者使用紫外LED，通过调节电压适当控制其辐射强度，不要求定频工作，一般工作在200-400nm。

可见光和紫外光的换能器：上述可见光和紫外光的换能器设计原理是一致的：根据功率源中心波长，选择与之对应的光电池进行换能，将换能得来的电力通过串、并连，通常再经过开关电源变压输出符合要求的电源，关于电源变换的器件和电路模块非常多，可以参考美国国家半导体公司(National Semiconductor)的相关电源芯片资料、广州金升阳科技有限公司(MORNSUN)的微功率电源模块资料。

光电池选择可以有：晶体硅光电池、非晶体硅光电池、多晶体硅光电池、碲化镉光电池和砷化镓光电池等。

微波功率源及其换能器：微波功率源通常由电源和微波管组成，电源的目的是给微波管提供电能，微波管通常有微波晶体管和微波电子管(其中磁控管用得最多，如微波炉)，可根据需要选择；其换能器是电感线圈(可以直接做在印制电路板上)，线圈感应出的电流经过整流、滤波，经过上文所述的开关电源变换，输出符合要求的电源。

信息传递：无线信息传递是目前通信的热门领域，具有许多的现成技术，包括各种频段、模拟和数字、调制方式、各种速率等等，特别在微波段和红外段，许多的芯片厂商有直接提供的通信解决方案，可以酌情选用，例如：在微波段可参考挪威诺递可(Nordic)的单芯片RF收发机nRF401进行设计，在红外段可参考美国安捷伦(Agilent)的HSDL-3211模块进行设计。

应该注意到的是，如果回转体的转速太高，尺寸太大或过小，都会对能量传递和信息传递产生影响，但通过有限次的试验和结构方面的改进，都能达到目的。

下面例举几个有限的例子，主要从结构上说明，关于具体的电路，可以借鉴上面的相关描述。通过对发明方法的掌握，结合这几个例子，即便是该领域内非常普通的工程师，都可以变化出无数的实施例。

实施例一：

结合图1及剖面图2所示：回转体2与其邻近体1都是筒状的，它们通过轴承13、螺钉14、挡套15、挡环16连接在一起，2与1之间可以沿它们的共同轴线任意转动或相对静止。

功率源5，位于邻近体上的信号接收器10，位于邻近体上的信号发射器11的电能通过接口7直接从外部电源获得。

示例中1上有四个均布的功率辐射源，2上有四个均布的换能器，从功率辐射源发射的辐射能量直接或者经过一次(或多次)反射后进入换能器，图3示意了直接辐射形成的众多路径中的一些。通过换能，2上得到了电能。为下面的叙述方便，将换能器分布的面称为换能面，上述的换能面是一个柱面。

通过换能后，位于回转体上的电路板8、信号发射器9以及信号接收器12也得到电能，可以工作。

该电能传输部分之所以能够工作，主要原因是1和2之间的距离很近，辐射能空间传播的损失可以接受，同时，由于它们之间的腔体可以做成封闭的，不用担心辐射伤害的问题。

该电能传输部分按照以下步骤设计：

A1：确定需要传递电能的功率，一般包括该电能传输部分自耗部分，加上该装置中回转体的发射器和接收器及支持系统消耗，再加上位于该回转体上，需要靠此电能工作的其他部分消耗，加和之后，再乘上一个富余量系数Kf；

A2：依据能量的需求，综合考虑其他如体积、价格等因素，确定辐射源的工作频段(通常可以是微波、可见光或紫外线)；

A3：分析路径，一般以功率辐射源为出发点，并假设其是固定不动的，辐射直线的从该源出发，遇到阻挡时以镜面的规则反射，先无视换能器的存在，当确知这些路径后，将换能器沿回转体外圆周“摆放”，观察或计算到达其表面的路径。

A4：确定辐射源和换能器分别的方向、个数、分布位置，设计位于邻近体内表面和回转体外表面上反射面形状和涂层；

A5：做出一个装置验证设计，必要时再回到A2步骤，通过有限的实验改进设计。

在上述A1步骤中：Kf取值大于1，一般取1.2到1.5；

在上述A3步骤中：

当装置工作在转动时，着重分析其统计规律；

当装置可能或更多的工作在静止时，应考虑最差的“摆放”位置；

通过A1到A5设计的成果，可以直接成型到邻近体1和回转体2上，同时也可以做成独立的部件，分别固定装配到邻近体1和回转体2上，形成功能模块，为下文叙述方便，把这种独立部件叫做PM(能源模块)。

该回转体2和邻近体1之间的信息传递，由于它们之间的距离很近，同时它们位于一个封闭的空间中，干扰可以控制到很小。

该信息传递装置设计步骤如下：

B1：确定传递的信号的速率、类型，选择是采用模拟还是数字方式；

B2：确定载波的频段，一个或多个频点(跳频)，调制的方式，编码的方案，确定对应的解调、解码对应方案；

B3：分析传播路径，通过添加反射路径或反射路径组合，或者调整发射器、接收器的位置、方向，消除盲点；

B4：实验验证，验证静止时各种相对位置的信息传递情况，从静止到最高设计转速之间的任意速度下信息传递情况，必要时返回B1重新设计。

通过B1到B4设计的成果，可以直接成型到邻近体1和回转体2上，同时也可以做成独立的部件，分别固定装配到邻近体1和回转体2上，形成模块，为下文叙述方便，把这种独立部件分别叫做IMT(信息传送模块，将2的信息传送到1)、IMR(信息接收模块，将1的信息传送到2)、IMTR(信息收发模块，1和2之间双向传送)。

需要说明的是，受目前技术条件的限制，通过上述步骤A或(和)B，不一定能得到结果，例如，设计一个PM，可以供一个2kW的电机转动，设计一个IMTR，速率要求在10Tbps。但可以确定的是，通过设计，或者有限个PM组合，传递供传感器消耗的能量是没有任何问题的，同理，当一个IMTR不能满足传输速度时，可以用多个IMTR，当然，此时可能会追加多个PM。

实施例二：

图4是运用回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法的另一个示例。它与图1的区别在于：图1的回转体在内部，即位于里面的回转体是转动件，图2的回转体在外部，即位于外面的回转体是转动件；图1的功率辐射是在径向上，图2的辐射是在轴向上，换能面是一个平面，该平面垂直于1和2的轴线，更具体的说，该换能面是一个环，一个特例是当它们在端面时，该换能面是一个圆面。

这种结构，基本上不用考虑反射路径族的效果，设计时除考虑轴向窜动和装配误差外，应尽量将辐射源和换能器靠近。

这种结构有其特殊点：可以方便的将器件集成在沿回转体径向布置的印制电路板上，安装上非常方便，可以做得很薄，适合轴向空间受限的应用，例如车轮一类的信息传递。

在该实施例描述的功率辐射源，最好是沿回转体圆周密集分布辐射源和换能器，一个极端的例子是在1的圆环平面全部布置辐射源(例如激光源)，2的对应部位全部布置换能器(例如光电池)，这样，无论1与2之间转动与否，都是一样实现最大换能。

实施例一和实施例二的换能面是两个典型，它们之间还有许多位置可用，例如：辐射方向如果与轴向成一个夹角，会得到一个锥形的换能面，该种形式在面积上有优势。

显然，信息传递也可以用与电能传递类似的结构。在下面的几个实施例中，除非特殊情况，一般不单独说明信息传递，因为有了实施例一的方法，结合目前的无线通信技术，很容易就可以得到解决方案。

实施例三：

图5中展示了一个实际应用，主动轴17转动，回转体2与其一起转动，邻近体1借助主动轴17的支撑体固定，和2形成回转运动。

结合实施例一的说明，很容易清楚其工作过程。

这个实施例展示了该专利方法在设备改造中的应用，没有改变原有系统的任何传动关系，将电能传递到了主动轴上，与主动轴上的原有设备进行信息互递。

作为一种最佳选择，将该装置内部的换能和信息传递空间与外界隔离是必要的，这样可以保证内部免受外部干扰，内部的干扰源不致外泻，干扰周围设备。

通常做法是用一个良导体将内部屏蔽起来。

实施例四：

按实施例1，做出一系列PM、IMT、IMR、IMTR模块，标注出各种性能参数，供设计人员自由选择，组合，例如：

PM模块标注(例举部分主要的)：

辐射频段(或波长范围)；

中心频点(或波长)；

适用转速：rpm到rpm；

传递功率：mW；

安装关系，尺寸等。

IMTR模块标注(IMT/IMR可参考，例举部分主要的)：

发射中心频点(或波长范围)；

发射速率：bps；

接收中心频点(或波长范围)；

接收速率：bps；

适用转速：rpm到rpm；

平均功耗：mW；

当然，这些模块可能涉及各种组合的形式。

PM模块：图6展示了该模块可能的一种结构，在1上安装有辐射功率源及支持电路和接口形成一个相对独立的整体，应用时将该部分固定在相对不可动的支撑体上；在2上安装有换能器及支持电路和接口而形成一个相对独立的整体，应用时固定安装在转动体上，1和2的相对位置要保持图6示状态；PM模块制作：1或2用金属车削，或者ABS塑料模具压铸成型1和2，如果1和2用ABS铸造，最好在其外表面做导电处理，在2上安装换能器及支持电路和接口，涂敷反射层，在1上安装功率源及支持电路和接口，涂敷反射层，用切削的办法调节2的动平衡。

IMT、IMR、IMTR模块：图7展示了IMTR模块可能的一种结构，IMT、IMR模块可以参照，只是在电路上相应减少一对信号发射和接收器，其应用安装和制作，参照PM模块。

需要指出的是：PM模块效率很低，在1上特别注意散热处理。

实施例五：

该方法直接和一些敏感元件和实体结合，形成新的传感器，例如扭矩传感器、轮胎压力传感器等等。

从上面各实施例可以看到该发明方法的应用，也可以看到用该方法做出的装置，即便如此，上面的示例远远没有穷尽该发明的可能情况，只需要该行业内的一般专业人员有限试验，就可以制造出多种形式不同的产品。

Claims (10)

1、一种在回转体与其邻近体间非接触传递电能和信息的方法，该回转体与其邻近体的组合中，回转体是绕其轴线可旋转的，其邻近体一般但不仅限于作为该旋转体的支撑体，该方法的特征是包括下列步骤：

1.1在邻近体上固定一个或多个最好持续发射的辐射功率源将电能转换为辐射能，同时固定至少一个辐射信号接收器或者还包含至少一个辐射信号发射器，所有以上装置的电源来自外部电源适配器；

1.2在回转体上固定一个或多个换能器，将辐射能变为电能储存或(和)输出，同时固定最好一个辐射信号发射器或者还包含最好一个辐射信号接收器，该辐射信号发射器或者存在的辐射信号接收器的电源来源于换能器的输出；

1.3在回转体与其邻近体之间的空间设置辐射的直达或(和)反射路径族，在回转体与其邻近体处于任意相对位置，该路径族中都有路径达到目的，这些路径族包括：A邻近体的辐射功率源的辐射有效达到回转体的换能装置上的路径族，B回转体上发射的辐射信号有效达到邻近体的辐射信号接收器上的路径族，C邻近体上的发射的辐射信号有效达到回转体上的辐射信号接收器上的路径族，A、B或C路径族空间一般是封闭的，最好是各自封闭的。

2、根据权利要求1所述的方法，功率源和换能器之间的组合设计，其特征在于可以进一步归纳为下述步骤：

2.1确定需要传递电能的功率，一般包括该电能传输部分自耗部分，加上该装置中回转体的发射器和接收器及支持系统消耗，再加上位于该回转体上，需要靠此电能工作的其他部分消耗，加和之后，再乘上一个富余量系数Kf；

2.2依据能量的需求，综合考虑其他如体积、价格等因素，确定辐射源的工作频段(通常可以是微波、可见光或紫外线)；

2.3分析路径，一般以功率辐射源为出发点，并假设其是固定不动的，辐射直线的从该源出发，遇到阻挡时以镜面的规则反射，先无视换能器的存在，当确知这些路径后，将换能器沿回转体外圆周“摆放”，观察或计算到达其表面的路径；

2.4确定辐射源和换能器分别的方向、个数、分布位置，设计位于邻近体内表面和回转体外表面上反射面形状和涂层；

2.5做出装置验证设计，必要时再回到A2步骤，通过有限的实验改进设计；在上述A1步骤中：Kf取值大于1，一般取1.2到1.5；

在上述A3步骤中：

当装置工作在转动时，着重分析其统计规律；

当装置可能或更多的工作在静止时，应考虑最差的“摆放”位置。

3、根据权利要求1所述的方法，信号发射器和接收器之间的组合设计，其特征在于可以进一步归纳为下述步骤：

3.1确定传递的信号的速率、类型，选择是采用模拟还是数字方式；

3.2确定载波的频段，一个或多个频点(跳频)，调制的方式，编码的方案，确定对应的解调、解码对应方案；

3.3分析传播路径，通过添加反射路径或反射路径组合，或者调整发射器、接收器的位置、方向，消除盲点；

3.4实验验证，验证静止时各种相对位置的信息传递情况，从静止到最高设计转速之间的任意速度下信息传递情况，必要时返回B1重新设计。

4、根据权利要求1、2或3所述中方法，其特征是：通常应该设置一个电磁屏蔽装置，使得外部电磁辐射无法干扰所述的功率源、发射器和接收器工作，或者当功率源或发射器工作时，不致对其他周围设备形成干扰。

5、根据权利要求1、2或3所述中方法中涉及的路径族，是一组辐射传播的通道的集合，这些路径族中有无数个路径通道，路径族之间可能有交叉、重叠，其特征是：通过仔细的分割回转体与其邻近体之间或附近的空间，将功率源的路径族分割得尽可能宽、大。

6、根据权利要求1、2或3所述的方法设计制作的装置，其特征是：用辐射传递能源的一组能源模块和发射、接收或者收发一体的一组传输模块。

7、根据权利要求6所述的装置，其中的模块，其特征是它们能提供频段、功率或速率上的不同选择。

8、根据权利要求6或7所述的装置，其中的一些模块，其特征是，模块可以自由的选择、组合，其中至少有一个能源模块和一个发射、接收或者收发模块。

9、根据权利要求6或7所述的装置，其特征是包含了一个轴、套和一个扭矩组件。

10、根据权利要求6或7所述的装置，其特征是包含了一个压力组件。

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