CN113964957B - 一种套筒式无线能量信号传输耦合机构及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线能量信号传输技术领域，具体公开了一种套筒式无线能量信号传输耦合机构及系统，耦合机构包括内筒(10)和缠绕在内筒(10)外表面上的第一能量信号传输线圈，还包括套设在内筒(10)外的外筒(20)和缠绕在外筒(20)内表面上与第一能量信号传输线圈相对的第二能量信号传输线圈。本发明将能量收发线圈对应缠绕在内筒(10)外表面和外筒(20)内表面上，将信号收发线圈缠绕在能量收发线圈上，不论内筒(10)、外筒(20)是否转动、如何转动，能量收发线圈之间能够实现稳定的能量传输、信号收发线圈之间能够实现稳定的信号传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量信号传输技术领域，尤其涉及一种套筒式无线能量信号传输耦合机构及一种套筒式无线能量信号传输系统。
背景技术
在一些特殊的套筒式设备比如石油钻井、风电滑环中，由于其工作特殊性，内筒与外筒之间需要进行信息交互，用于读取状态或者指令控制，基于这种套筒式设备在工作时并非全然静止，无法在内筒与外筒之间进行物理布线，需要采用无线供电及无线通讯的方式。而套筒式设备结构特殊，在拾取恒定电压、稳定输出功率、能量与信号的传输互不干扰的要求下，如何在套筒式设备中布置能量收发线圈、信号收发线圈成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种套筒式无线能量信号传输耦合机构及系统，解决的技术问题在于，如何在套筒式设备中布置能量收发线圈和信号收发线圈，使能量与信号的传输稳定且互不干扰。
为解决以上技术问题，本发明提供一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，包括内筒(10)和缠绕在所述内筒(10)外表面上的第一能量信号传输线圈，还包括套设在所述内筒(10)外的外筒(20)和缠绕在所述外筒(20)内表面上与所述第一能量信号传输线圈相对的第二能量信号传输线圈；
所述第一能量信号传输线圈包括第一能量传输线圈(11)和设置于所述第一能量传输线圈(11)外表面上的第一信号收发线圈(12)，所述第二能量信号传输线圈包括第二能量传输线圈(21)和设置于所述第二能量传输线圈(21)外表面上的第二信号收发线圈(22)，所述第一能量传输线圈(11)与所述第二能量传输线圈(21)互为能量收发线圈，所述第一信号收发线圈(12)与所述第二信号收发线圈(22)互为信号收发线圈。
优选的，所述第一能量传输线圈(11)沿着顺时针或逆时针周向地缠绕在所述内筒(10)的外表面上，所述第二能量传输线圈(21)沿着顺时针或逆时针周向地缠绕在所述外筒(20)的内表面上。
优选的，所述第一信号收发线圈(12)首尾贴合地缠绕在所述内筒(10)的外表面上，平展开后包括一上一下、方向相反、同为矩形线圈的第一信号收发上线圈和第一信号收发下线圈；
所述第二信号收发线圈(22)首尾贴合地缠绕在所述外筒(20)的内表面上，平展开后包括一上一下、方向相反、同为矩形线圈的第二信号收发上线圈和第二信号收发下线圈；
所述第一信号收发上线圈与所述第二信号收发上线圈相对，所述第一信号收发下线圈与所述第二信号收发下线圈相对。
优选的，所述第一信号收发线圈(12)由一根导线绕制，绕制方式为：
先从下至上绕制成所述第一信号收发下线圈，再从上至下绕制成所述第一信号收发上线圈；或者，
先从下至上绕制成所述第一信号收发上线圈，再从上至下绕制成所述第一信号收发下线圈。
优选的，所述第二信号收发线圈(22)的绕制方式与所述第一信号收发线圈(12)相同。
优选的，所述第一信号收发线圈(12)的高度至少能够覆盖所述第一能量传输线圈(11)，所述第二信号收发线圈(22)的高度至少能够覆盖所述第二能量传输线圈(21)。
优选的，所述第一能量传输线圈(11)为能量发射线圈，所述第二能量传输线圈(21)为能量接收线圈。
优选的，所述第一能量传输线圈(11)为能量接收线圈，所述第二能量传输线圈(21)为能量发射线圈。
本发明提供的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其效果在于：
1、将能量收发线圈对应缠绕在内筒(10)外表面和外筒(20)内表面上，将信号收发线圈缠绕在能量收发线圈上，不论内筒(10)、外筒(20)是否转动、如何转动，能量收发线圈之间能够实现稳定的能量传输、信号收发线圈之间能够实现稳定的信号传输；
2、将能量收发线圈顺时针或逆时针周向缠绕在内筒(10)及外筒(20)上，使得能量收发线圈之间形成套筒式结构，能量传输稳定，且具有较高的传输效率；使得信号收发线圈之间也形成套筒式结构，信号传输稳定，且具有较高的信号强度；
3、将信号收发线圈缠绕成方向相反的上下矩形线圈的形式，使得能量发射线圈对本侧及对侧的信号收发线圈的干扰为零，使得能量接收线圈对本侧及对侧的信号收发线圈的干扰为零，使得信号收发线圈对本侧及对侧的能量发射线圈及能量接收线圈的干扰为零，实现了能量传输与信号传输之间的互不干扰。
本发明还提供一种套筒式无线能量信号传输系统，包括上述套筒式无线能量信号传输耦合机构，还包括能量发射电路、能量接收电路，第一信号收发电路和第二信号收发电路；
所述能量发射电路连接作为能量发射线圈的所述第一能量传输线圈(11)或所述第二能量传输线圈(21)，所述能量接收电路连接作为能量接收线圈的所述第二能量传输线圈(21)或所述第一能量传输线圈(11)；
所述第一信号收发电路连接所述第一信号收发线圈(12)，所述第二信号收发电路连接所述第二信号收发线圈(22)。
优选的，所述第一信号收发电路包括并联连接所述第一信号收发线圈(12)的第一信号发射电路和第一信号接收电路；所述第二信号收发电路包括并联连接所述第二信号收发线圈(22)的第二信号发射电路和第二信号接收电路；
所述第一信号发射电路、所述第一信号收发线圈(12)、所述第二信号收发线圈(22)、所述第二信号接收电路构成第一信号传输通道；
所述第二信号发射电路、所述第二信号收发线圈(22)、所述第一信号收发线圈(12)、所述第一信号接收电路构成传输方向与所述第一信号传输通道相反的第二信号传输通道；
所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道同频，所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道之间为半双工通信；或者，
所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道不同频，所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道之间为全双工通信。
本发明提供的一种套筒式无线能量信号传输系统，其效果在于：
为能量收发线圈和信号收发线圈搭建了独立的能量传输通道和信号传输通道，可实现稳定的能量传输和信号的全双工或半双工通信，且能量传输与信号传输之间互不干扰。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构的部分剖视图；
图2是本发明实施例1提供的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构的磁感应示意图；
图3是本发明实施例1提供的第一信号收发线圈或第二信号收发线圈的平铺图；
图4是本发明实施例1提供的发射端能量线圈对发射端信号线圈的干扰示意图；
图5是本发明实施例1提供的发射端信号线圈对发射端能量线圈的干扰示意图的干扰示意图；
图6是本发明实施例1提供的信号收发线圈间感应电流示意图；
图7是本发明实施例2提供的一种套筒式无线能量信号传输系统的电路结构图。
附图标记包括：内筒10，第一能量传输线圈11，第一信号收发线圈12，外筒20，第二能量传输线圈21，第二信号收发线圈22。
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。
实施例1
为了在套筒式设备中布置能量收发线圈和信号收发线圈，使能量与信号的传输稳定且互不干扰，本实施例提供一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，如图1所示，包括内筒10和缠绕在内筒10外表面上的第一能量信号传输线圈，还包括套设在内筒10外的外筒20和缠绕在外筒20内表面上与第一能量信号传输线圈相对的第二能量信号传输线圈。
第一能量信号传输线圈包括第一能量传输线圈11和设置于第一能量传输线圈11外表面上的第一信号收发线圈12，第二能量信号传输线圈包括第二能量传输线圈21和设置于第二能量传输线圈21外表面上的第二信号收发线圈22。
其中，第一能量传输线圈11与第二能量传输线圈21互为能量收发线圈，解释为：第一能量传输线圈11为能量发射线圈时第二能量传输线圈21为能量接收线圈(适用于内筒10作为定子，外筒20作为转子的情形)，第一能量传输线圈11为能量接收线圈时第二能量传输线圈21为能量发射线圈(适用于内筒10作为转子，外筒20作为定子的情形)，具体如何设置与内筒10与外筒20的具体应用相适配。本例将第二能量传输线圈21作为能量发射线圈，其对应的磁感应线如图2所示。向能量发射线圈施加电流时，产生一个强度不变的交变磁场，该磁场穿过能量接收线圈，能量接收线圈将产生一个感应电动势U，由式(1)得，当谐振角频率ω，能量发射线圈电流IP固定的情况下，该感应电动势与互感M成正比，互感M由两个能量线圈的特性决定，即两个能量线圈的中心距离不变的情况下，即使接收线圈任意角度转动，互感M值仍然不变，即感应电动势不变，可实现任意角度拾取到稳定的能量。
U＝jωMIp (1)
其中，第一信号收发线圈12与第二信号收发线圈22互为信号收发线圈，解释为：第一信号收发线圈12作为信号发射线圈时第二信号收发线圈22作为信号接收线圈，而第一信号收发线圈12作为信号接收线圈时第二信号收发线圈22作为信号发射线圈。
本例将能量收发线圈对应缠绕在内筒10外表面和外筒20内表面上，将信号收发线圈缠绕在能量收发线圈上，不论内筒10、外筒20是否转动、如何转动，能量收发线圈之间能够实现稳定的能量传输、信号收发线圈之间能够实现稳定的信号传输。
从图1可以看到，第一能量传输线圈11沿着顺时针或逆时针(即沿同一个方向)周向地缠绕在内筒10的外表面上，第二能量传输线圈21沿着顺时针或逆时针(即沿同一个方向)周向地缠绕在外筒20的内表面上。这使得能量收发线圈之间形成套筒式结构，能量传输稳定，且具有较高的传输效率。
从图1还可以看出，第一信号收发线圈12首尾贴合地缠绕在内筒10的外表面上，第二信号收发线圈22首尾贴合地缠绕在外筒20的内表面，使得信号收发线圈之间也形成套筒式结构，信号传输稳定，且具有较高的信号强度。具体如何缠绕则更清晰地展现在图3中。从图3可以看出，第一信号收发线圈12平展开后包括一上一下、方向相反、同为矩形线圈的第一信号收发上线圈和第一信号收发下线圈。第一信号收发线圈12由一根导线绕制，绕制方式为：先从下至上绕制成第一信号收发下线圈，再从上至下绕制成第一信号收发上线圈；或者，先从下至上绕制成第一信号收发上线圈，再从上至下绕制成第一信号收发下线圈。
第二信号收发线圈22的绕线方式与第一信号收发线圈12相同，平展开后包括一上一下、方向相反、同为矩形线圈的第二信号收发上线圈和第二信号收发下线圈。第一信号收发上线圈与第二信号收发上线圈相对，第一信号收发下线圈与第二信号收发下线圈相对。
接下来分析能量传输与信号传输之间的干扰情况。
如图4所示的发射端能量线圈(即能量发射线圈)对发射端信号线圈(即信号发射线圈)的干扰示意图，信号线圈受同侧能量线圈的磁场影响，根据楞次定律，信号线圈下半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流I1；同理，信号线圈上半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流I2，两部分感应电流大小相等。由于信号线圈是反向绕制，因此顺着信号线圈绕制的方向看，I1与I2方向相反，即总的感应电动势为0，由此可认为发射端能量线圈对发射端信号线圈的干扰电压为0。同理分析，发射端能量线圈对接收端信号线圈、接收端能量线圈对发射端信号线圈的干扰同样为0。
如图5所示的发射端信号线圈对发射端能量线圈的干扰示意图，信号线圈流入此方向电流时，由于绕制方向相反，上半部分与下半部分产生不同方向的磁场，发射端能量线圈受到该磁场影响，根据楞次定律可知，能量线圈将感应到反方向的电流I3与I4，由于能量线圈中每匝线圈方向一致，而感应电流方向相反，最终表现为感应电压为0。同理分析，接收端信号线圈对发射端能量线圈、发射端信号线圈对接收端能量线圈的干扰同样为0。
本例将信号收发线圈缠绕成方向相反的上下矩形线圈的形式，使得能量发射线圈对本侧及对侧的信号收发线圈的干扰为零，使得能量接收线圈对本侧及对侧的信号收发线圈的干扰为零，使得信号收发线圈对本侧及对侧的能量发射线圈及能量接收线圈的干扰为零，实现了能量传输与信号传输之间的互不干扰。
图6为信号收发线圈间感应电流示意图，当向发射端信号线圈(即信号发射线圈)施加电流时，信号发射线圈产生不同方向的磁场，磁场与图5情况一致，此时，接收端信号线圈(即信号接收线圈)上下两部分受到感应，产生两个大小一致电流I5和I6，由于信号线圈绕制方向相反，感应电压不为0，因此从接收端信号线圈的绕制方向看，两个感应电流为同一个方向，感应电压不为0；同理，当向信号接收线圈施加电流时，信号发射线圈的感应电压同样不为0；因此信号线圈之间可以通信。由于信号线圈是整体缠绕在内筒10和外筒20上，首尾贴合，当转子转动任意角度时，相当于图6中两个信号线圈无限长，随时能互相产生感应，因此，当转子转动任意角度时，信号传输都能双向保持稳定的传输速率。
为了保证传输质量，第一信号收发线圈12的高度至少能够覆盖第一能量传输线圈11，第二信号收发线圈22的高度至少能够覆盖第二能量传输线圈21。
综上，本例提供的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，采用设计的线圈结构，实现了：
1)内筒10与外筒20转动任意相对角度时，能量传输稳定；
2)内筒10与外筒20转动任意相对角度时，信号传输稳定。
3)能量线圈之间与信号线圈之间可同时进行传输，两对线圈之间互不干扰.
实施例2
本实施例提供一种套筒式无线能量信号传输系统，包括实施例1所示的套筒式无线能量信号传输耦合机构，如图7所示，还包括能量发射电路、能量接收电路，第一信号收发电路和第二信号收发电路。
具体的，能量发射电路连接作为能量发射线圈的第一能量传输线圈11或第二能量传输线圈21，能量接收电路连接作为能量接收线圈的第二能量传输线圈21或第一能量传输线圈11。能量发射电路一般包括顺序连接的直流电压源、逆变器、发射端补偿网络(连接能量发射线圈)，能量接收电路一般包括接收端补偿网络(连接能量接收线圈)、整流滤波电路、负载。
具体的，第一信号收发电路连接第一信号收发线圈12，第二信号收发电路连接第二信号收发线圈22。第一信号收发电路包括并联连接第一信号收发线圈12的第一信号发射电路和第一信号接收电路；第二信号收发电路包括并联连接第二信号收发线圈22的第二信号发射电路和第二信号接收电路；
第一信号发射电路、第一信号收发线圈12、第二信号收发线圈22、第二信号接收电路构成第一信号传输通道；
第二信号发射电路、第二信号收发线圈22、第一信号收发线圈12、第一信号接收电路构成传输方向与第一信号传输通道相反的第二信号传输通道。
第一信号传输通道与第二信号传输通道同频，第一信号传输通道与第二信号传输通道之间为半双工通信；或者，
第一信号传输通道与第二信号传输通道不同频，第一信号传输通道与第二信号传输通道之间为全双工通信。
本实施例提供的一种套筒式无线能量信号传输系统，其效果在于：
为能量收发线圈和信号收发线圈搭建了独立的能量传输通道和信号传输通道，可实现稳定的能量传输和信号的全双工或半双工通信，且能量传输与信号传输之间互不干扰。
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 (8)
1.一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其特征在于，包括内筒(10)和缠绕在所述内筒(10)外表面上的第一能量信号传输线圈，还包括套设在所述内筒(10)外的外筒(20)和缠绕在所述外筒(20)内表面上与所述第一能量信号传输线圈相对的第二能量信号传输线圈；
所述第一能量信号传输线圈包括第一能量传输线圈(11)和设置于所述第一能量传输线圈(11)外表面上的第一信号收发线圈(12)，所述第二能量信号传输线圈包括第二能量传输线圈(21)和设置于所述第二能量传输线圈(21)外表面上的第二信号收发线圈(22)，所述第一能量传输线圈(11)与所述第二能量传输线圈(21)互为能量收发线圈，所述第一信号收发线圈(12)与所述第二信号收发线圈(22)互为信号收发线圈；
所述第一能量传输线圈(11)沿着顺时针或逆时针周向地缠绕在所述内筒(10)的外表面上，所述第二能量传输线圈(21)沿着顺时针或逆时针周向地缠绕在所述外筒(20)的内表面上；
所述第一信号收发线圈(12)首尾贴合地缠绕在所述内筒(10)的外表面上，平展开后包括一上一下、方向相反、同为矩形线圈的第一信号收发上线圈和第一信号收发下线圈；
所述第二信号收发线圈(22)首尾贴合地缠绕在所述外筒(20)的内表面上，平展开后包括一上一下、方向相反、同为矩形线圈的第二信号收发上线圈和第二信号收发下线圈；
所述第一信号收发上线圈与所述第二信号收发上线圈相对，所述第一信号收发下线圈与所述第二信号收发下线圈相对。
2.根据权利要求1所述的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其特征在于，所述第一信号收发线圈(12)由一根导线绕制，绕制方式为：
先从下至上绕制成所述第一信号收发下线圈，再从上至下绕制成所述第一信号收发上线圈；或者，
先从下至上绕制成所述第一信号收发上线圈，再从上至下绕制成所述第一信号收发下线圈。
3.根据权利要求2所述的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其特征在于，所述第二信号收发线圈(22)的绕制方式与所述第一信号收发线圈(12)相同。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其特征在于：所述第一信号收发线圈(12)的高度至少能够覆盖所述第一能量传输线圈(11)，所述第二信号收发线圈(22)的高度至少能够覆盖所述第二能量传输线圈(21)。
5.根据权利要求4所述的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其特征在于：所述第一能量传输线圈(11)为能量发射线圈，所述第二能量传输线圈(21)为能量接收线圈。
6.根据权利要求4所述的一种套筒式无线能量信号传输耦合机构，其特征在于：所述第一能量传输线圈(11)为能量接收线圈，所述第二能量传输线圈(21)为能量发射线圈。
7.一种套筒式无线能量信号传输系统，其特征在于：包括权利要求1～6任意一项所述的套筒式无线能量信号传输耦合机构，还包括能量发射电路、能量接收电路，第一信号收发电路和第二信号收发电路；
所述能量发射电路连接作为能量发射线圈的所述第一能量传输线圈(11)或所述第二能量传输线圈(21)，所述能量接收电路连接作为能量接收线圈的所述第二能量传输线圈(21)或所述第一能量传输线圈(11)；
所述第一信号收发电路连接所述第一信号收发线圈(12)，所述第二信号收发电路连接所述第二信号收发线圈(22)。
8.根据权利要求7所述的一种套筒式无线能量信号传输系统，其特征在于：所述第一信号收发电路包括并联连接所述第一信号收发线圈(12)的第一信号发射电路和第一信号接收电路；所述第二信号收发电路包括并联连接所述第二信号收发线圈(22)的第二信号发射电路和第二信号接收电路；
所述第一信号发射电路、所述第一信号收发线圈(12)、所述第二信号收发线圈(22)、所述第二信号接收电路构成第一信号传输通道；
所述第二信号发射电路、所述第二信号收发线圈(22)、所述第一信号收发线圈(12)、所述第一信号接收电路构成传输方向与所述第一信号传输通道相反的第二信号传输通道；
所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道同频，所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道之间为半双工通信；或者，
所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道不同频，所述第一信号传输通道与所述第二信号传输通道之间为全双工通信。
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