CN111292932B - 一种用于非接触信号耦合的可旋转传输机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于非接触信号耦合的可旋转传输机构，包括原边线包、副边线包和可旋转安装结构，原边线包、副边线包均安装在可旋转安装结构上，原边线包、副边线包之间形成信号耦合路径。所述原边线包和副边线包为至少一组导线或者至少一组印制铜线组，所述可旋转安装结构为一组上下独立驱动的旋转轴，原边线包或副边线包分别固定在上、下旋转轴上。本发明提供的非接触信号耦合的可旋转传输机构具有成本低、抗振性强、安装方式灵活、能宽温应用等特点，并且适用于需要原边、副边相对旋转运动的信号传输系统。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及信号传输，具体涉及一种非接触信号耦合的可旋转传输机构。
背景技术
近几年，在电动汽车充电桩、石油旋转导向、智能家居、医疗、轨道交通、物联网等领域中，开展了大量非接触信号传输技术的研究。显而易见，采用非接触信号耦合技术替代原来的物理接触，具有供电灵活，安装方便，信号品质高等特点。
在非接触信号耦合传输的双向通信系统中，传输机构是一种能形成电磁耦合的介质。互相通信的双方称作原边和副边，传输机构与原/副边电路参数配合组成耦合谐振电路，实现双边的模拟信号传输。通常，组成非接触信号耦合的传输机构是由能形成一定磁路互传的两组绕制在铁磁材料的线包组成，由于作为重要组成部分的铁磁材料的存在，此类介质存在以下诸多缺陷：
(1)当温度变化范围比较大时，铁磁材料的磁导率会发生较大变化，相应的，传输机构上所测得的电感量也会发生较大变化，影响到耦合谐振电路的耦合参数，从而形成一些潜在的不稳定性因素，影响到非接触通信系统的可靠性。
(2)由于铁磁材料的易碎性，传统的信号传输机构在诸多振动量级较大的场合应用受限。
(3)由于磁芯材料无韧性，成型后的磁材都有一定的厚度，传统的传输机构不能实现软接触安装和超薄安装。
(4)在实际生产中，特殊定制的磁芯加工存在着开模费价格高，废品率高的问题，这就决定了应用者即使付出高昂代价，也不一定能够得到一致性非常好的磁芯。
(5)由于每一种磁材只能在一定的信号频率范围内适用，如果实际应用中需要低、中、高频量级跨度大的多组频率信号同时传输，这种以磁芯为基材的非接触信号耦合传输机构是不能替代传统的物理连接传输机构应用的。
(6)在很多实际应用中，信号传输机构需要单端或双端进行旋转运动，传统的方法是采用滑环作为连接介质，这种物理连接方式在使用初期阶段具有可靠性高、电气性能稳定的特点，但是随着时间推移,这种传统的物理连接方式一定会出现由机械损耗带来的干扰脉冲或者连接不可靠或是连接失效等问题，影响到信号传输的质量，所以需要定期维护或更换。如果采用以磁芯材料为基材的非接触传输机构替代传统的物理连接，虽然解决了传统连接方式的使用寿命问题，但是成本并不能大幅缩减，而且由于其安装形式只能局限于是端面粘接形式，对旋转轴的端面平整度有一定的要求，不是所有应用环境都适用。
发明内容
本发明针对上述非接触传输机构的成本高，感量宽温易变性、大量级振动应用和旋转端面安装受限性，以及无法实现软接触安装、超薄安装和多组频率信号同时传输等诸多问题，提供一种低成本，强抗振，具有多种安装方式且能宽温应用于多组频率信号同时传输的可旋转传输机构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于非接触信号耦合的可旋转传输机构，包括原边线包、副边线包和可旋转安装结构，原边线包、副边线包均安装在可旋转安装结构上，原边线包、副边线包之间形成信号耦合路径。
进一步的，所述原边线包和副边线包为至少一组导线或者至少一组印制铜线组，所述一组导线为一根导线绕制成有两个出线端的一组螺旋盘状线束，所述一组印制铜线组为印制板上铺设一根铜线绕制成有两个出线端的一组非闭合环形铜线。
进一步的，所述螺旋盘状线束为一层或多层，所述印制板为一层或多层。
进一步的，所述螺旋盘状线束采用灌胶成型或是将螺旋盘状线束粘合在非磁性材料上成型。
进一步的，所述印制板是刚性印制板、或者柔性印制板、或者刚柔结合印制板。
进一步的，所述一组螺旋盘状线束包括N匝导线，所述印制铜线组包括N匝环形铜线圈，1<N<100。
进一步的，所述螺线盘线束或印制铜线组中心为实心或者空心。
进一步的，所述可旋转安装结构为一组上下独立驱动的旋转轴，原边线包或副边线包分别固定在上、下旋转轴上。
进一步的，所述原边线包、副边线包两端同时静止；或是原边线包、副边线包一端静止，另一端旋转；或是原边线包、副边线包两端同时同向旋转；或是原边线包、副边线包两端同时反向旋转。
进一步的，所述原边线包或副边线包采用粘胶粘合或螺钉紧固或卡槽镶嵌方式固定在上、下旋转轴上。
本发明的有益效果：
本发明原/副边线包采用螺旋盘状线束的多组导线或印制铜线组，均不存在易碎性的问题，且制作成本低。由于印制板的制造工艺越来越先进，刚性印制板目前最高可达40层以上的铜线铺叠，温度适应范围在-70℃～200℃之间。对于印制铜线组实现的原/副边线包，其相对距离确定后，各自的电感量和互感在印制板可适应的温度范围内一致性非常好，完美的解决了传统信号传输机构的感量宽温易变性、大量级振动应用受限性。
本发明中对于采用螺旋盘状线束的多组导线结构安装形式，由于线体本身是柔性的，灌胶成型工装外形曲度可控，实际应用中可以根据需要选择张力、硬度适合的胶成型超薄且张力适度的线束体，实现超薄安装和软接触安装；对于印制板铜线组的实现方式，其厚度可以轻松控制在1mm以内，尤其是柔性印制板的实现方式，其生产工艺可以纤薄如纸片，弯曲度大，轻松实现超薄安装和软接触安装。
本发明因为不存在磁材的采用，对于通信信号的频率没有一定范围的限制，所以实际应用中可以采用多组导线绕制成型或多组印制铜线组实现多组跨量级低、中、高频率信号同时传输。
本发明用于非接触信号耦合的可旋转传输机构具有结构简单、安装方式灵活，尤其对于印制铜线组的实现方式，可以采用螺钉紧固或卡槽镶嵌等多种简单可靠的安装形式，适用于多种旋转运动应用场合。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的导线绕制成型的螺旋盘状线束示意图；
图2是本发明实施例中螺线盘通电产生的磁场磁力线分布的示意图；
图3是本发明实施例中用于非接触信号耦合的可旋转传输机构示意图；
图4是本发明实施例中可旋转传输机构安装方式示意图；
图5是本发明实施例中用于非接触信号耦合的可旋转传输机构在信号耦合谐振电路中的等效示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供的用于非接触信号耦合的可旋转传输机构，包括原边线包、副边线包和可旋转安装结构，原边线包、副边线包均安装在可旋转安装结构上，原边线包、副边线包之间形成信号耦合路径。
上述原边线包和副边线包实际是一组或多组导线，或是一组或多组印制铜线组；信号耦合路径是指能够在两组线包间形成信号耦合的路径；可旋转安装结构为一组上下独立驱动的旋转轴，原边线包或副边线包分别固定在上、下旋转轴上，原边线包或副边线包可以采用粘胶粘合或螺钉紧固或卡槽镶嵌方式分别固定在上、下旋转轴上。
本发明中可旋转安装结构运动形态多样，或是原、副边两端同时静止；或是原、副边一端静止，另一端旋转；或是原、副边两端同时进行顺或逆时针同向旋转；或是原、副边两端同时进行反向旋转。采用该方式的可旋转传输机构可以完全替代目前滑环结构的物理连接，而且对旋转轴本身没有过多的要求，这是有磁芯材料存在的非接触信号传输机构不能实现的。
本发明中原边线包和副边线包可以是一组导线，一组导线是指用一根导线绕制成有两个出线端的一组螺旋盘状线束，螺旋盘可以为一层或多层。由于导线本体是柔性，无法自成型固定成螺旋盘状，一般采用灌胶成型或是将螺旋盘状线束粘合在非磁性材料上成型的方式，成型后的线束外形根据实体安装空间的需要是多变的，或是对称形状或是不对称形状。螺旋盘状线束匝数N，1<N<100。螺旋盘状线束的中心可以为空心或实心，图1所示为空心螺旋盘状线束，内半径为R内、外半径为R外。
本发明中原边线包和副边线包也可以是一组印制铜线组，一组印制铜线组是指在印制板上铺设一根铜线绕制成有两个出线端的一组非闭合环形铜线，印制板可以有一层或多层，多层间铜线通过过孔连接。印制板或是刚性印制板，或是柔性印制板，或是刚柔结合印制板，根据实际结构的安装空间选择，形状多变。上述一组非闭合环形铜线，包括N匝环形铜线圈和两个出线端,1<N<100，N是正实数。上述两个出线端是指印制铜线组的起点和终点，位置根据实际结构需要任意可定。
本发明中原边线包和副边线包可以采用多组导线和多组印制铜线组，多组导线和多组印制铜线组就是指多个一组导线和多个一组印制铜线组，用于不同频率信号同时传输。鉴于后端信号处理的问题，在多组导线和多组印制铜线组传输的信号频率必须是跨量级出现，最多只能是超高频、高频、中频、低频四组同时传输。
上述两组线包间形成信号耦合的路径，具体指电生磁、磁生电的传导路径。不论是一根导线灌胶成型或是粘合成型的螺旋盘状线束，还是在刚性或是柔性或是刚柔结合的印制板上排布一组环形铜线，都相当于将一条长长的金属导线沿顺时针或逆时针一个方向缠绕，形成一个扁平的螺线盘A。当螺线盘A通电以后，螺线盘的每一匝都会产生磁场，对于每一匝相邻的铜线之间电流方向属同相关系，它们产生的磁场形成叠加关系，利用右手螺旋定则可以得到如图2的磁场H分布图。当另一螺线盘B置于螺线盘A产生的磁场中且做切割磁场的运动时，必生感应电动势。实际应用环境中，螺线盘B的安装一般不会相对磁力线做来回切割运动，而成静止态或者旋转运动；只要对螺线盘A加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘B无论静止或是旋转同样能产生感应电动势；反之，对螺线盘B加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘A也能产生感应电动势。
上述螺线盘A或螺线盘B产生的感应电动势的幅值与两螺线盘的距离相关。距离越近，耦合信号越强，幅值越大；距离越远，耦合信号越弱，幅值越低。当螺线盘A和螺线盘B之间的距离超过一定的磁场宽度时，信号无法进行耦合谐振，耦合路径不复存在。
上述用粘胶粘合的方式将原边线包或副边线包固定在旋转轴的情况主要针对导线灌胶成型螺旋盘状线束和柔性印制板铜线组。这种灌胶成型后螺线盘线束合或柔性印制板铜线组中心位置均可以是实心或是空心，根据实际安装空间外形多变。原、副边两组线束在中心相对轴向偏差不大的前提下可以找任一点粘合在上、下旋转轴上实现。上述两组线束中心不是指导线灌胶成型外形或是柔性印制板外围的中心，而是指导线绕制的螺线盘中心或是柔性印制板中铜线组的中心。
上述用螺钉紧固的方式将原边线包或副边线包固定在旋转轴的情况适用于能在非磁材料和印制板上留出安装孔位的原、副边线包。实际应用中，根据上、下旋转轴的安装孔位，在原、副边两组线束中心相对轴向偏差不大的前提下留出需要的安装孔位，然后用螺钉将两者固定，此种安装方式牢固且易维修。
上述用卡槽镶嵌的方式将原边线包或副边线包固定在旋转轴的情况，适用于本发明所有形式的原/副边线包，此种安装方式牢固且易维修。
下面通过一个具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
如图3所示，本发明提供的一种用于非接触信号耦合的可旋转传输机构的一个具体实施例，实现了原、副边信号的双向通讯。本实施例中，原边进行顺时针旋转运动，副边进行逆时针旋转运动。
本实施例中用于非接触信号耦合的可旋转传输机构，包括原边线包A、副边线包B和可旋转安装结构，原边线包A、副边线包B分别安装在可旋转安装结构的上、下旋转轴上，原边线包A、副边线包B之间形成信号耦合路径。本实施例中原边线包A和副边线包B均是一组单层的印制铜线组，信号耦合路径是指两印制铜线组间形成的信号耦合路径。本实施例中可旋转安装结构是用卡槽镶嵌的方式将原边线包A安装在原边旋转轴上，如图4(a)；用螺钉紧固印制板的方式将副边线包B安装在副边旋转轴上，如图4(b)。
本实施例中印制铜线组是在刚性印制板上铺设一层非闭合环形铜线，刚性印制板为中心为空心的环形板。其中一组非闭合环形铜线包括10匝环形铜线圈和两个出线端，两个出线端是印制板铜线组的起点和终点，其位置根据走线槽的位置需要任意可定。
本实施例涉及的可旋转传输机构与原/副边电路参数配合组成耦合谐振电路，其电路等效示意图如图5所示。从原边出线端X1，X2等效的电路参数是线匝内阻R1和电感L1串联，从副边出线端Y1，Y2等效的电路参数是线匝内阻R2和电感L2串联，原、副边电感之间的互感系数为M。
为了提高信号双向通信的可靠性，双边电路参数保持一致。当原、副边的印制铜线组的内径和匝数取值相同时，得到R1＝R2＝R，L1＝L2＝L；相应的，原、副边激励电源设置亦相同,
外围串、并联电容取值亦相同，C1串＝C2串＝C串，C1并＝C2并＝C并。当外围电路接电容C1串和电容C2串时，原、副边组成串联耦合谐振电路，如图5(a)所示；当外围电路接电容C1并和电容C2并时，原、副边组成并联耦合谐振电路，如图5(b)所示。本实施例以串联耦合谐振电路为例，简要阐述可旋转传输机构的电路耦合原理。
如图5(a)所示，当原边信号作为激励时，对串联耦合谐振电路列KVL方程式得到：
其中，R为原边线包内阻，L为原边线包电感量，C串为原边外围串联电容，M为原、副边线包电感之间的互感系数，ω＝2πf1，f1是原边信号频率，
为原边电流，
为副边电流,
为激励电压。
由于本实施例实现的是信号传输，不需要能量传输，可以看作副边电流
谐振频率
当原边的激励信号
的频率f1＝f0，原边发生串联谐振，副边线包得到频率为f0的耦合信号；同理，当副边信号作为激励时，如果取副边信号频率f2＝f0时，副边发生串联谐振，原边线包也能得到频率为f0的耦合信号。
本实施例中信号耦合路径是指印制铜线组间形成的信号耦合谐振路径，具体指电生磁、磁生电的传导路径，如图2所示。当印制板上排布一组环形铜线时，相当于将一条长长的金属导线沿顺时针或逆时针一个方向缠绕，形成一个扁平的螺线盘A。当螺线盘A通电以后，螺线盘的每一匝都会产生磁场，对于每一匝相邻的铜线之间电流方向属同相关系，它们产生的磁场形成叠加关系，最终形成如图2的磁场H分布。当另一块印制铜线组形成的螺线盘B置于螺线盘A产生的磁场中且做切割磁场的运动时，必生感应电动势。实际应用环境中，螺线盘B的安装一般不会相对磁力线做来回切割运动，而成静止态或者旋转运动；只要对螺线盘A加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘B无论静止或是旋转同样能产生感应电动势；反之，对螺线盘B加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘A也能产生感应电动势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (8)
1.一种用于非接触信号耦合的可旋转传输机构，其特征在于，由原边线包、副边线包和可旋转安装结构构成，原边线包、副边线包均安装在可旋转安装结构上，原边线包、副边线包之间形成信号耦合路径；所述可旋转安装结构为一组上下独立驱动的旋转轴，原边线包或副边线包分别固定在上、下旋转轴上；所述原边线包和副边线包为至少一组导线或者至少一组印制铜线组，所述一组导线为一根导线绕制成有两个出线端的一组螺旋盘状线束，所述一组印制铜线组为印制板上铺设一根铜线绕制成有两个出线端的一组非闭合环形铜线。
2.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述螺旋盘状线束为一层或多层，所述印制板为一层或多层。
3.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述螺旋盘状线束采用灌胶成型或是将螺旋盘状线束粘合在非磁性材料上成型。
4.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述印制板是刚性印制板、或者柔性印制板、或者刚柔结合印制板。
5.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述一组螺旋盘状线束包括N匝导线，所述印制铜线组包括N匝环形铜线圈，1<N<100。
6.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述螺旋盘状线束或印制铜线组中心为实心或者空心。
7.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述原边线包、副边线包两端同时静止；或是原边线包、副边线包一端静止，另一端旋转；或是原边线包、副边线包两端同时同向旋转；或是原边线包、副边线包两端同时反向旋转。
8.如权利要求1所述的可旋转传输机构，其特征在于，所述原边线包或副边线包采用粘胶粘合或螺钉紧固或卡槽镶嵌方式固定在上、下旋转轴上。
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