CN112653250A - 一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输系统技术领域，具体公开了一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法，采用无线能量发射端和无线能量接收端以无线能量传输的方式向第二通信模块供电，致使第二通信模块开始工作，从而可检测风力发电机桨叶的相关信息并反馈至所述第一通信模块，第一通信模块生成对应的控制信号并传输至所述第二通信模块，并通过所述电刷结构和所述滑环结构向所述无线能量接收端传递调整对应风力发电机桨叶的能量，实现了风力发电机桨叶的实时检测和调整(电刷结构和滑环结构的设计可提供调整所需能量)，有助于提高风力发电量。

Description

一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法。

背景技术

传统的电能传输方式已经不能满足某些特殊应用场合的需要。例如风力发电系统中，通过风力带动风机旋转时，其桨叶常常需要调整姿态，带动桨叶旋转所需的能量往往是通过导电滑环传输。然而，导电滑环存在诸多不足：一是导电环存在磨损，如果润滑剂含量高，磨损量少，但导电性变差；反之，润滑剂含量少，导电性能好，但磨损量增大。二是滑环与电刷接触部位发热较大，由于导电环通道与通道之间是必须绝缘的，而绝缘材料通常导热性较差，因此导电环的散热难以通过传导实现。

为此，也有人尝试了一些新方法向旋转部件传输电能，例如采用滚环技术，将滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了磨损量，但仍存在滚动体应力不均，磨削无法排出等问题；采用水银汇流环技术，利用液态金属替代滑动摩擦，无摩损，但密封困难；采用光汇流环技术，以非接触式光纤作为传输介质，但能够传递的功率较小。因此，这些技术都不能完全满足活动部件旋转界面间的长寿命电能传输的需求。

此外，现有的能量传输机构，要想实现控制信号的传输和传感器信号的采集，往往还需要增加额外的通信模块，安装结构复杂。

发明内容

本发明提供一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法，解决的技术问题在于：如何通过无线传输的方式调整调整风力发电机桨叶。

为解决以上技术问题，本发明提供一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括第一通信模块、无线能量发射端和电刷结构，所述接收端包括第二通信模块、无线能量接收端和滑环结构，所述第一通信模块包括顺序连接的发射端MCU、调制电路、发射端通信线圈；所述第二通信模块包括顺序连接的接收端通信线圈、解调电路、接收端MCU、信号采集电路；所述发射端通信线圈与所述接收端通信线圈电磁耦合；

所述无线能量发射端和所述无线能量接收端通过无线能量传输向所述第二通信模块供电，所述第二通信模块检测风力发电机桨叶的相关信息并反馈至所述第一通信模块；所述第一通信模块生成对应的控制信号并传输至所述第二通信模块，并通过所述电刷结构和所述滑环结构向所述无线能量接收端传递调整对应风力发电机桨叶的能量。

优选的，所述第一通信模块包括顺序连接的发射端MCU、调制电路、发射端通信线圈，分别用于生成对应的控制信号、对所述控制信号进行调制、对调制后的控制信号进行无线发射；

所述第二通信模块包括顺序连接的接收端通信模块、解调电路、接收端MCU，分别用于对所述发射端通信线圈发射的调制后的控制信号进行接收、解调及处理后发送；

所述第二通信模块还包括连接所述接收端MCU的信号采集电路，用于通过所述接收端通信线圈和所述发射端通信线圈向所述发射端MCU发送风力发电机桨叶的相关信息。

优选的，所述调制电路包括连接在所述发射端MCU与所述发射端通信线圈之间的加载模块和第一脉冲变压器，所述解调电路包括连接在所述接收端MCU与所述接收端通信线圈之间的卸载模块和第二脉冲变压器；

所述加载模块采用OFDM调制方式对多个通道的控制信号进行调制，每一个载频对应一个通道的控制信号；所述卸载模块采用OFDM解调方式，对多个通道的控制信号进行解调，每一个载频对应一个通道的控制信号。

优选的，所述第一通信模块还包括连接所述发射端MCU、调制电路为其供电的发射端电源；所述第二通信模块还包括连接所述解调电路、所述接收端MCU、所述信号采集电路为其供电的接收端电源。

优选的，所述能量发射端包括发射端谐振线圈以及顺序连接在所述发射端电源与所述发射端谐振线圈之间的逆变电路和发射端谐振电路；所述能量接收端包括顺序连接的接收端谐振线圈、接收端谐振电路、整流变换电路；所述发射端谐振线圈与所述接收端谐振线圈无线磁耦合。

优选的，当所述接收端电源不稳定或低于第一预设电压阈值时，所述第二通信模块断电停止工作。

本发明还保护一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输方法，基于上述系统，包括步骤：

S1：所述无线能量发射端通过无线能量传输方式向所述无线能量接收端传递能量信号；

S2：当所述无线能量接收端收到的能量促使接收端电源达到第一预设电压阈值时，所述第二通信模块工作，向所述第一通信模块反馈接收端的检测信号；

S3：发射端通过第一通信模块接收到接收端反馈的检测信号后，生成相应的桨叶调整信号并发送至接收端，同时控制对应的电刷结构传输调整对应风力发电机桨叶的能量。

进一步地，在所述步骤S1中，采用OFDM调制方式对多个通道的控制信号进行调制，每一个载频对应一个通道的控制信号。

进一步地，在所述步骤S2中，采用OFDM调制方式对接收的多个通道的控制信号进行解调，每一个载频对应一个通道的控制信号。

进一步地，当所述第一通信模块判断到接收端电源不稳定或低于第一预设电压阈值时，断开第二通信模块的电源。

本发明提供的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法，采用无线能量发射端和无线能量接收端以无线能量传输的方式向第二通信模块供电，致使第二通信模块开始工作，从而可检测风力发电机桨叶的相关信息并反馈至所述第一通信模块，第一通信模块生成对应的控制信号并传输至所述第二通信模块，并通过所述电刷结构和所述滑环结构向所述无线能量接收端传递调整对应风力发电机桨叶的能量，实现了风力发电机桨叶的实时检测和调整(电刷结构和滑环结构的设计可提供调整所需能量)，有助于提高风力发电量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统的模块结构图；

图2是本发明实施例提供的图1所示系统中发射端MCU的电路图；

图3是本发明实施例提供的图1所示系统中接收端MCU的电路图；

图4是本发明实施例提供的图1所示系统中第一脉冲变压器的电路图；

图5是本发明实施例提供的图1所示系统中第二脉冲变压器的电路图；

图6是本发明实施例提供的图1所示系统中加载模块的电路图；

图7是本发明实施例提供的图1所示系统中卸载模块的电路图；

图8是本发明实施例提供的图1所示系统中无线能量发射端的电路图；

图9是本发明实施例提供的图1所示系统中无线能量接收端的电路图；

图10为本发明实施例提供的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输装置的整体结构示意图；

图11为本发明实施例提供的图10的安装结构爆炸图；

图12为本发明实施例提供的图10中不带电刷组件发射线圈组件的爆炸示意图；

图13为本发明实施例提供的图10中不带滑环组件的接收线圈组件的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的图10中不带滑环组件的接收线圈组件的爆炸示意图；

图15为本发明实施例提供的图10中带电刷组件的发射线圈组件的结构示意图；

图16为本发明实施例提供的图10中带滑环组件的接收线圈组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

如图1所示的模块结构图，本发明实施例提供的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，包括发射端和接收端；发射端包括第一通信模块、无线能量发射端和电刷结构，接收端包括第二通信模块、无线能量接收端和滑环结构，第一通信模块包括顺序连接的发射端MCU、调制电路、发射端通信线圈；第二通信模块包括顺序连接的接收端通信线圈、解调电路、接收端MCU、信号采集电路；发射端通信线圈与接收端通信线圈电磁耦合；

无线能量发射端和无线能量接收端通过无线能量传输向第二通信模块供电，第二通信模块检测风力发电机桨叶的相关信息并反馈至第一通信模块；第一通信模块生成对应的控制信号并传输至第二通信模块，并通过电刷结构和滑环结构向无线能量接收端传递调整对应风力发电机桨叶的能量。

其中，第一通信模块包括顺序连接的发射端MCU、调制电路、发射端通信线圈，分别用于生成对应的控制信号、对控制信号进行调制、对调制后的控制信号进行无线发射；

第二通信模块包括顺序连接的接收端通信模块、解调电路、接收端MCU，分别用于对发射端通信线圈发射的调制后的控制信号进行接收、解调及处理后发送；

第二通信模块还包括连接接收端MCU的信号采集电路，用于通过接收端通信线圈和发射端通信线圈向发射端MCU发送风力发电机桨叶的相关信息。

其中，调制电路包括连接在发射端MCU与发射端通信线圈之间的加载模块和第一脉冲变压器，解调电路包括连接在接收端MCU与接收端通信线圈之间的卸载模块和第二脉冲变压器；

加载模块采用OFDM调制方式对多个通道的控制信号进行调制，每一个载频对应一个通道的控制信号；卸载模块采用OFDM解调方式，对多个通道的控制信号进行解调，每一个载频对应一个通道的控制信号。通过OFDM调制与解调，可实现单线圈多通道无线信号传输。在其他实施例中，可采用能实现相同功能的调制和解调方式。

其中，第一通信模块还包括连接发射端MCU、调制电路为其供电的发射端电源；第二通信模块还包括连接解调电路、接收端MCU、信号采集电路为其供电的接收端电源。

其中，能量发射端包括发射端谐振线圈以及顺序连接在发射端电源与发射端谐振线圈之间的逆变电路和发射端谐振电路；能量接收端包括顺序连接的接收端谐振线圈、接收端谐振电路、整流变换电路；发射端谐振线圈与接收端谐振线圈无线磁耦合。

当接收端电源不稳定或低于第一预设电压阈值时，第二通信模块断电停止工作。

作为一种举例说明，如图2所示，本实施例的发射端MCU采用芯片GD32F307R。接收端MCU也采用芯片GD32F307R，其具体电路参见图3。如图4所示，本实施例的第一脉冲变压器采用芯片HX0068ANLT。本实施例的第二脉冲变压器也采用芯片HX0068ANLT，其具体电路参见图5。如图6所示，本实施例的加载模块采用芯片EC70。本实施例的卸载模块也采用芯片EC70，其具体电路参见图7。

本实施例无线能量发射端的电路如图8所示，逆变电路采用高频逆变桥，发射端谐振电路采用LCC型谐振网络。无线能量接收端的电路如图9所示，接收端谐振电路采用S型谐振网络，整流变换电路采用整流桥和滤波电路。其他实施例中可采用其他的能量传输线路。

对于其他电路模块，因现有技术多有类似的应用，本实施例未作更深入的说明。

对应于本实施例一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，本实施例提供一种对应的能量信号传输装置，如图10～12所示，包括发射线圈组件和接收线圈组件；

发射线圈组件包括套接在转动轴21上的筒式结构10、固定在筒式结构10上的能量发射线圈18(即为系统中的发射端谐振线圈)和信号发射线圈15(即为系统中的发射端通信线圈)；

接收线圈组件包括固定在转动轴21上的芯体结构20、固定在芯体结构20上的能量接收线圈23(即为系统中的接收端谐振线圈)和信号接收线圈22(即为系统中的接收端通信线圈)，芯体结构20嵌套式配合安装在筒式结构10内；

本实施例中，信号发射线圈15和信号接收线圈22为平面结构，采用平板状绕制，以避免大功率的能量传输中对信号线圈的磁场干扰；能量发射线圈18和能量接收线圈23为螺旋结构，为圆柱状绕制，并在外面包裹软磁片以屏蔽磁场对外界的干扰。

无线传输时，能量发射线圈18与能量接收线圈23里外相对，信号发射线圈15和信号接收线圈22上下相对。相对的信号发射线圈15与信号接收线圈22整体作为信号收发线圈，相对的能量发射线圈18和能量接收线圈23整体作为能量收发线圈。本实施例的信号收发线圈位于能量收发线圈的内部中空区域中。

信号发射线圈15固定在筒式结构10的筒底上，能量发射线圈18固定在筒式结构10的筒壁上；信号接收线圈22径向固定在芯体结构20的端部，能量接收线圈23轴向固定在芯体结构20上。

通过图12可以看出，具体实施时，筒底13上可拆卸式连接有第一内层安装筒16，在第一内层安装筒16的外侧绕制能量发射线圈18，在能量发射线圈18的外侧还套接有第一环形柱状磁芯17，在第一环形柱状磁芯17的外侧还套接有第一外层安装筒19，第一内层安装筒16与第一外层安装筒19均采用法兰连接在筒底13上。在筒底13与平面线圈(信号发射线圈15和信号接收线圈22)之间还设置有环形平面磁芯。

筒式结构10的外层还设置有外保护壳，在外保护壳的底板11和筒式结构10的筒底13之间预留有发射电路安装腔，信号发射电路和能量发射电路均设置在发射电路安装腔中。

实施过程中，信号发射电路可以设置在筒底13的板面上，能量发射电路设置在第一电路安装板12上，利用大部分冗余的空间实现能量发射电路的安装，使其满足电路元器件散热需求。

通过图13和图14可以看出，芯体结构20设有第一法兰盘24，在第一法兰盘24上可拆卸式连接有第二内层安装筒25，平面接收线圈22设置在第一法兰盘24的盘面上，能量接收线圈23设置在第二内层安装筒25的侧壁上，在能量接收线圈23与第二内层安装筒25之间还设置有第二环形柱状磁芯26，在第一法兰盘24与平面接收线圈22之间还设置有第二环形平面磁芯27。

能量接收线圈23的外侧还套设有第二外层安装筒28，该第二外层安装筒28的一端连接在第一法兰盘24上，其另一端还设置有带卡接口29的环面结构，第二内层安装筒25一端抵接在第一法兰盘24的盘面上，其另一端设置有卡脚结构30并与第二外层安装筒28的环面结构上的卡接口29卡接。

在实施过程中，能量发射线圈18、平面发射线圈15、能量接收线圈23和平面接收线圈22均采用励磁线绕制而成。第一内层安装筒16和第二外层安装筒28优选为磁导材料。

芯体结构20还设有第二法兰盘31，第一法兰盘24和第二法兰盘31之间形成接收电路安装腔，信号接收电路和能量接收电路均设置在电路安装腔中，在接收电路安装腔中的中间设置有散热架34，在散热架34的两侧分别固定设置有第二电路安装板32和第三电路安装板33，信号接收电路设置在第二电路安装板32上，能量接收电路设置在第三电路安装板33上。利用大部分冗余的空间实现能量接收电路和能量发射电路的安装，使其满足电路元器件散热需求。

如图15、16所示：

筒体结构10的上方通过安装结构35连接有电刷组件36(即系统中的电刷结构)，转动轴21上还设置有滑环组件37(即系统中的滑环结构)，电刷组件36连接滑环组件37实现滑动接触式电能传输，可传输较大能量，用于调整风力发电机桨叶。

电刷组件36的数量为多个，并围绕转动轴21的轴向均匀分布；电刷组件36包括一段沿转动轴21长度方向延伸的支撑体38，支撑体38上等间距分布有多条刷片39。

滑环组件37包括与转动轴21同轴转动的安装支架40，沿安装支架40的长度方向均匀分布有多个导电滑环41，在安装支架40的一端还设置有连接盘42。

本传输装置的工作原理是：

通过采用嵌套结构，利用筒底13内侧端面设置的平面发射线圈15与芯体结构20上径向布置的平面接收线圈22实现无线信号(传感信号、控制信号)的发射与接收，利用筒壁侧面设置的能量发射线圈18与芯体结构20上轴向布置的能量接收线圈23实现为第二通信模块供电的无线能量传输，设置的电刷组件36和滑环组件37实现用于调整风力发电机桨叶的接触式能量传输。在第一环形平面磁芯14、第一环形柱状磁芯17、第二环形平面磁芯27以及第二环形柱状磁芯26的作用下，能够有效控制能量场和信号场的传播方向，减少二者之间的交叉干涉，整个产品结构紧凑，安装方便，能够有效实现旋转结构的无线能量和信号同步传输。

本发明实施例还提供一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统的传输方法，其步骤包括：

S1：无线能量发射端通过无线能量传输方式向无线能量接收端传递能量信号；

S2：当无线能量接收端收到的能量促使接收端电源达到第一预设电压阈值时，第二通信模块工作，向第一通信模块反馈接收端的检测信号；

S3：发射端通过第一通信模块接收到接收端反馈的检测信号后，生成相应的桨叶调整信号并发送至接收端，同时控制对应的电刷结构传输调整对应风力发电机桨叶的能量。

在步骤S1中，采用OFDM调制方式对多个通道的控制信号进行调制，每一个载频对应一个通道的控制信号。在步骤S2中，采用OFDM调制方式对接收的多个通道的传感信号进行解调，每一个载频对应一个通道的控制信号。在步骤S1中，当第一通信模块判断到接收端电源不稳定或低于第一预设电压阈值时，断开第二通信模块的电源。

关于本传输方法的更多细节，用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统中均有说明各个电路模块相应的处理过程，这里在传输方法中便不再赘述这些处理过程，可以认为，在传输方法中，只针对这些处理过程进行保护，不涉及具体的模块结构和电路装置。

本发明实施例提供的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统及方法，采用无线能量发射端和无线能量接收端以无线能量传输的方式向第二通信模块供电，致使第二通信模块开始工作，从而可检测风力发电机桨叶的相关信息并反馈至第一通信模块，第一通信模块生成对应的控制信号并传输至第二通信模块，并通过电刷结构和滑环结构向无线能量接收端传递调整对应风力发电机桨叶的能量，实现了风力发电机桨叶的实时检测和调整(电刷结构和滑环结构的设计可提供调整所需能量)，有助于提高风力发电量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括第一通信模块、无线能量发射端和电刷结构，所述接收端包括第二通信模块、无线能量接收端和滑环结构，其特征在于：

所述第一通信模块包括顺序连接的发射端MCU、调制电路、发射端通信线圈；所述第二通信模块包括顺序连接的接收端通信线圈、解调电路、接收端MCU、信号采集电路；所述发射端通信线圈与所述接收端通信线圈电磁耦合；

所述无线能量发射端和所述无线能量接收端通过无线能量传输向所述第二通信模块供电，所述第二通信模块检测风力发电机桨叶的相关信息并反馈至所述第一通信模块；所述第一通信模块生成对应的控制信号并传输至所述第二通信模块，并通过所述电刷结构和所述滑环结构向所述无线能量接收端传递调整对应风力发电机桨叶的能量。

2.如权利要求1所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，其特征在于：所述第一通信模块包括顺序连接的发射端MCU、调制电路、发射端通信线圈，分别用于生成对应的控制信号、对所述控制信号进行调制、对调制后的控制信号进行无线发射；

所述第二通信模块包括顺序连接的接收端通信模块、解调电路、接收端MCU，分别用于对所述发射端通信线圈发射的调制后的控制信号进行接收、解调及处理后发送；

所述第二通信模块还包括连接所述接收端MCU的信号采集电路，用于通过所述接收端通信线圈和所述发射端通信线圈向所述发射端MCU发送风力发电机桨叶的相关信息。

3.如权利要求2所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，其特征在于：所述调制电路包括连接在所述发射端MCU与所述发射端通信线圈之间的加载模块和第一脉冲变压器，所述解调电路包括连接在所述接收端MCU与所述接收端通信线圈之间的卸载模块和第二脉冲变压器；

所述加载模块采用OFDM调制方式对多个通道的控制信号进行调制，每一个载频对应一个通道的控制信号；所述卸载模块采用OFDM解调方式，对多个通道的控制信号进行解调，每一个载频对应一个通道的控制信号。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，其特征在于：所述第一通信模块还包括连接所述发射端MCU、调制电路为其供电的发射端电源；所述第二通信模块还包括连接所述解调电路、所述接收端MCU、所述信号采集电路为其供电的接收端电源。

5.如权利要求4所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，其特征在于：所述能量发射端包括发射端谐振线圈以及顺序连接在所述发射端电源与所述发射端谐振线圈之间的逆变电路和发射端谐振电路；所述能量接收端包括顺序连接的接收端谐振线圈、接收端谐振电路、整流变换电路；所述发射端谐振线圈与所述接收端谐振线圈无线磁耦合。

6.如权利要求4所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输系统，其特征在于：当所述接收端电源不稳定或低于第一预设电压阈值时，所述第二通信模块断电停止工作。

7.一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输方法，采用权利要求1-6任一所述系统，其特征在于，包括步骤：

S1：所述无线能量发射端通过无线能量传输方式向所述无线能量接收端传递能量信号；

S2：当所述无线能量接收端收到的能量促使接收端电源达到第一预设电压阈值时，所述第二通信模块工作，向所述第一通信模块反馈接收端的检测信号；

S3：发射端通过第一通信模块接收到接收端反馈的检测信号后，生成相应的桨叶调整信号并发送至接收端，同时控制对应的电刷结构传输调整对应风力发电机桨叶的能量。

8.如权利要求7所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输方法，其特征在于：在所述步骤S1中，采用OFDM调制方式对多个通道的控制信号进行调制，每一个载频对应一个通道的控制信号。

9.如权利要求7所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输方法，其特征在于：在所述步骤S2中，采用OFDM调制方式对接收的多个通道的控制信号进行解调，每一个载频对应一个通道的控制信号。

10.如权利要求7所述的一种用于风力发电机桨叶调整的能量信号传输方法，其特征在于：当所述第一通信模块判断到接收端电源不稳定或低于第一预设电压阈值时，断开第二通信模块的电源。

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