CN114122846B - 一种无线电能数据混合传输旋转连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线电能数据混合传输旋转连接器，包括转子部件和定子部件，转子部件包括转子端接口连接器、旋转轴、转子端电路板、电能发射线圈及转子端天线模块，定子部件包括定子端接口连接器、外壳体、轴承、定子端电路板、电能接收线圈及定子端天线模块；转子端接口连接器与转子端电路板电性连接；定子端接口连接器与定子端电路板电性连接，外壳体前端通过轴承与旋转轴转动连接；转子端电路板与电能发射线圈电性连接，定子端电路板与电能接收线圈电性连接，电能接收线圈与发射线圈相对设置从而实现无线电能传输；定子端天线模块与转子端天线模块相对设置从而实现双向无线数据传输。本发明能实现电能数据的无线混传的同时提高连接器寿命。

Description

一种无线电能数据混合传输旋转连接器

技术领域

本发明属于旋转连接器技术领域，特别涉及一种无线电能数据混合传输旋转连接器。

背景技术

随着5G时代的来临，现有的旋转连接器已经越来越跟不上日益增长的需求。现代工业场景要求在旋转部件之间提供更快、更可靠的电能及数据传输，随着此需求日益增长，对旋转接头中使用的数据接口的带宽、串扰和EMI性能的要求也日益严格。满足这些要求对于保证相应工业设备的实时运行、连续正常运行和最大效率至关重要。在军事上，随着设备更新换代，要求旋转连接器的转速越来越高，寿命更加高，传输速率也逐渐上升到Gbps。目前，传统旋转连接器均有较明显的不足：1、单纯的无线数据传输和单纯的无线电能传输使用场景均受到一定程度的限制，目前市面上还不存在无线电能数据混合传输旋转连接器。例如工业机械臂的使用，在旋转状态下不仅需要电能的传输，还需要传感数据进行交换；2、体积大、重量高。因为旋转连接器内部结构的影响，使得其体积大、重量高，限制了众多使用场景；3、数据传输速率低。刷丝和滑环高速旋转时，接触点阻抗不连续问题导致数据损失；4、寿命低。刷丝和滑环接触摩擦，造成接触磨损；5、可靠性较差。刷丝和滑环接触摩擦，造成接触火花，影响传输可靠性；6、无法高转速旋转传输。高速旋转时，电能传输会出现不断的接触火花，及其不安全；数据传输高速旋转时，接触阻抗不连续，无法传输高速信号。

发明内容

为解决现有技术问题，本发明提出一种无线电能数据混合传输旋转连接器，能实现连接器高速旋转过程中的电能和数据的稳定无线传输。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，包括转子部件和定子部件，转子部件包括转子端接口连接器、法兰盘、旋转轴、转子端电路板、电能发射线圈及转子端天线模块，定子部件包括定子端接口连接器、尾部端盖、外壳体、轴承、定子端电路板、电能接收线圈及定子端天线模块；

转子端接口连接器固定于法兰盘上并与转子端电路板电性连接，法兰盘固定于旋转轴一端，转子端电路板通过第一绝缘体安装于旋转轴另一端；定子端接口连接器固定于尾部端盖上并与定子端电路板电性连接，尾部端盖固定于外壳体后端，外壳体前端通过轴承与旋转轴转动连接从而使转子部件能够相对于定子部件转动；定子端电路板通过第二绝缘体安装在尾部端盖前端，转子端电路板位于外壳体内并与电能发射线圈电性连接，电能发射线圈安装在第一绝缘体前端；定子端电路板与电能接收线圈电性连接，电能接收线圈安装在第二绝缘体前端并与电能发射线圈相对设置，从而实现无线电能传输；转子端天线模块安装于第一绝缘体前端，定子端天线模块安装于第二绝缘体前端并与转子端天线模块相对设置，从而实现双向无线数据传输。

进一步的，转子端电路板上集成有与电能发射线圈的电能输入端相连的逆变电路，定子端电路板上集成有与电能接收线圈的电能输出端相连的整流电路。

进一步的，转子端电路板上还设有电连接于逆变电路与电能发射线圈之间的第一补偿电路，定子端电路板上还设有电连接于电能接收线圈与整流电路之间的第二补偿电路。

进一步的，电能发射线圈和电能接收线圈均为罐式磁芯线圈，转子端天线模块和定子端天线模块各自穿过相应的罐式磁芯线圈中心且在向前方向上不高于罐式磁芯线圈；电能发射线圈的中心处于转子部件中心轴线上，电能接收线圈的中心处于定子部件的中心轴线上，转子端天线模块和定子端天线模块的中心均处于对应的转子部件和定子部件中心轴线上，从而确保连接器运转时，各线圈正对的同时，各天线模块也能正对。

进一步的，转子端天线模块和定子端天线模块均采用全双工喇叭口天线。

进一步的，转子端电路板上设有相连的第一网络变压器、第一PHY以太网交换芯片，其中第一网络变压器与转子端接口连接器相连，第一PHY以太网交换芯片与转子端天线模块相连；定子端电路板上设有相连的第二网络变压器、第二PHY以太网交换芯片，其中第二网络变压器与定子端接口连接器相连，第二PHY以太网交换芯片与定子端天线模块相连。

进一步的，外壳体的前端面上固设有金属端盖，旋转轴外套装有固定环，固定环上套装有V型密封圈，V型密封圈具有用于与金属端盖弹性贴合的活动端，以实现旋转过程中旋转轴与定子部件之间的密封。

进一步的，旋转轴为中空的变径轴结构，以便于供连接转子端接口连接器与转子端电路板的线缆穿过，旋转轴包括相连的小径端和大径端，其中大径端设于外壳体内部并用于安装转子端电路板。

进一步的，法兰盘与旋转轴之间设置第一O型圈；定子端印制板部件固定于尾部端盖伸入外壳体内部的印制板安装部前端，该印制板安装部与外壳体内壁之间设有第二0型圈；金属端盖与外壳体之间还设有第三O型圈。

进一步的，转子端接口连接器和定子端接口连接器均采用HD接口连接器。

借由上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明内部采用电能发射/接收线圈进行无线电能传输，采全双工天线模块进行双向数据无线传输，从而替代传统电旋转连接器内部的刷丝滑环结构，在连接器高速旋转时不存在接触、无磨损；由于采用滚动轴承结构进行支撑，不存在刷丝、滑环的接触磨损，保证稳定电能及数据传输的同时，还极大地提高连接器寿命。

2、本发明采用无线传输方案，从而简化连接器内部结构，保证大功率电能、数据传输的同时，缩短连接器轴向尺寸，保证产品小体积、小重量。

3、本发明采用60GHz印制板天线模块进行数据发射和接受，支持3.25Gbps高速差分信号传输，连接器高速旋转时不存在接触点阻抗不连续问题，高速传输数据稳定无丢失。

4、本发明通过采用罐式磁芯线圈结构，全双工喇叭口天线穿过罐式磁芯中心，且不高于磁芯，通过仿真演算，不会破坏磁芯线圈耦合磁场，通过合理的结构部件实现不影响电能及数据传输的前提下使连接器的尺寸更小。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一种无线电能数据混合传输旋转连接器的剖面结构示意图。

图2是本发明一种无线电能数据混合传输旋转连接器的侧视图。

图3是本发明的电能传输原理框图。

图4是本发明一种无线电能数据混合传输旋转连接器中天线模块与磁芯线圈的安装方式仿真图。

图5是本发明的电能数据混合传输原理框图。

【附图标记说明】

1-转子端接口连接器 2-法兰盘

3-旋转轴 4-转子端电路板

5-电能发射线圈 6-转子端天线模块

7-定子端接口连接器 8-尾部端盖

9-外壳体 10-轴承

11-定子端电路板 12-电能接收线圈

13-定子端天线模块 14-橡胶垫

15-第一O型圈 16-第一绝缘体

17-第二绝缘体 18-第二0型圈

19-金属端盖 20-固定环

21-V型密封圈 211-活动端

22-第三O型圈

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

请参阅图1至图5，一种无线电能数据混合传输旋转连接器，包括转子部件和定子部件，转子部件包括转子端接口连接器1、法兰盘2、旋转轴3、转子端电路板4、电能发射线圈5及转子端天线模块6，定子部件包括定子端接口连接器7、尾部端盖8、外壳体9、轴承10、定子端电路板11、电能接收线圈12及定子端天线模块13。为便于描述，定义转子端接口连接器的安装位置为转子部件的后端，定子端接口连接器安装位置为定子部件的后端。

转子端接口连接器1通过螺钉固定于法兰盘2后端，法兰盘2再通过螺钉套装在旋转轴3后端上；为了提高连接器各端面密封性能，在转子端接口连接器1与法兰盘2之间设置有橡胶垫14，法兰盘2与旋转轴3之间设置第一O型圈15。旋转轴另一端通过第一绝缘体16安装转子端电路板4，第一绝缘体通过螺钉与旋转轴固接，从而实现对转子端电路板4的压装固定，转子端电路板4处于第一绝缘体与旋转轴前端面之间。电能发射线圈12安装于第一绝缘体16前端，电能发射线圈的固定方式不限于通过螺钉连接、卡扣连接或粘接等。转子端天线模块6与转子端电路板电性连接从而获取数据信号，转子端天线模块集成固定于转子端电路板上从而形成印制板天线。

定子端接口连接器7通过螺钉固定到尾部端盖8后端，尾部端盖通过螺钉与外壳体9形成一个整体，尾部端盖具有位于外壳体内部的印制板安装部81，印制板安装部81通过与第二绝缘体17连接实现对定子端电路板的安装固定，定子端电路板11被压装于第二绝缘体和尾部端盖之间；印制板安装部与外壳体之间设有第二0型圈18进行密封，而且定子端接口连接器与尾部端盖之间也设有用于端面密封的橡胶垫。轴承10嵌装在外壳体前端内壁，外壳体通过轴承实现与旋转轴的转动相连；具体而言，轴承的外圈与外壳体固定相连，内圈与旋转轴固定相连，从而使旋转轴能够相对于外壳体进行转动，进而使转子部件相对于定子部件能自由旋转。

电能接收线圈12固定在第二绝缘体17前端面上，其固定方式不限于通过螺钉连接、卡扣连接或粘接等。电能接收线圈与电能发射线圈相对设置，以实现无线电能传输；并且电能接收线圈和电能发射线圈的中心处于旋转连接器的中心轴线上，从而在连接器高速转动时保证双端线圈正对，确保无线电能电能的稳定传输。

定子端天线模块与定子端电路板电性连接从而获取数据信号，且转子端天线模块集成固定于定子端电路板上从而形成印制板天线。本实施例中，转子端天线模块和定子端天线模块均为全双工喇叭口天线，能实现数据双向无线传输。电能发射线圈和电能接收线圈均为罐式磁芯线圈，且两个罐式磁芯线圈的中心处于连接器中心轴线上，转子端天线模块和定子端天线模块各自穿过相应的罐式磁芯线圈中心且不高于罐式磁芯线圈；如图4，通过仿真演算，此种线圈与天线模块的结构布置方式不会破坏线圈耦合磁场，不影响无线电能传输。

本实施例中，外壳体前端面上固设有金属端盖19，旋转轴3外套装有固定环20，固定环上套装有V型密封圈21，V型密封圈具有一个活动端211，活动端具有弹性变形能力，活动端211与金属端盖为相互弹性贴合或挤压接触，旋转轴3和定子部件之间采用V型密封圈能进行旋转过程的持续稳定密封；金属端盖配合V型密封圈能够罩盖轴承以起密封防护作用，金属端盖与外壳体之间还设有用于端面密封的第三O型圈22。

作为优选，旋转轴3为中空的变径轴结构，其与法兰盘2固定相连的一端为小径端，而另一端为大径端，大径端设于外壳体内部，转子端电路板、第一绝缘体均安装在大径端上。中空轴可供连接转子端接口连接器与转子端电路板的线缆穿过；类似的，尾部端盖中心也具有供连接定子端接口连接器与定子端电路板的线缆穿过的通孔或通道。

结合图3，转子端电路板上集成有相连的逆变电路、第一补偿电路，逆变电路输入端经线缆与转子端接口连接器相连用于获取外部电能，第一补偿电路输出端电连接至电能发射线圈。定子端电路板上集成有相连的第二补偿电路和整流电路，第二补偿电路输入端与电能接收线圈相连，整流电路输出端电连接至定子端接口连接器。

无线电能传输时，转子端作为电能发射端，定子端作为电能接收端，电源接入转子端接口连接器，电能通过转子端接口连接器进入连接器内，经高频逆变电路、第一补偿电路处理后传递至电能发射线圈，电能发射线圈发射磁场，电能接收线圈通过磁场耦合得到稳定电压，通过第二补偿电路、整流电路处理后转化为直流输出，得到稳态输出额定电压。发射线圈与接收线圈相对间隔分布组成耦合机构，其电能传输工作原理为电能发射线圈在高频交流电的作用下会产生电磁场，电磁场又能够作用在电能接收线圈上，从而使电能接收线圈接收到电能，其中高频交流电是通过系统中的逆变电路产生的，通过补偿电路提高系统电能传输稳定性，最后通过整流电路可以将接收到的电能转化为直流并从连接器输出，给负载供电。本实施例中，转子端电路板及定子端电路板上各自集成一控制电路，在转子端，控制电路用于和逆变电路、第一补偿电路等连接实现对其通断控制等；在定子端，控制电路与第二补偿电路、整流电路等连接实现通断控制、电能传输监控等功能。优选的，还可在定子端电路板上集成与整流电路输出端连接的滤波电路、DC-DC电路等，进行滤波变压等处理，提高电压质量并适应不同负载。在转子端电路板上，还可在逆变电路的前端集成驱动电路及DC-DC电路，实现直流变压、驱动等功能。逆变电路采用全桥逆变电路，整流电路采用全桥整流电路。

结合图5，转子端电路板上设有相连的第一网络变压器、第一PHY以太网交换芯片，其中第一网络变压器与转子端接口连接器相连用于获取数据信号，第一PHY以太网交换芯片与转子端天线模块相连；定子端电路板上设有相连的第二网络变压器、第二PHY以太网交换芯片，其中第二网络变压器与定子端接口连接器相连，第二PHY以太网交换芯片与定子端天线模块相连。本实施例中，数据传输基于60GHz毫米波进行无线传输，传输一路千兆以太网，通过以太网信号电路进行传输。以太网信号处理电路包括依次连接的网络变压器、PHY以太网交换芯片和全双工喇叭口天线组成，实现的功能是：将网口传输的以太网信号进行物理层处理，并进行无线数据信号传输。该以太网处理电路高度集成化，能够保证千兆以太网信号丢包率等指标要求。

无线电能传输时，以转子部件向定子部件传输数据为例，输入旋转连接器内的数据信号依次经过第一网络变压器和第一PHY以太网交换芯片处理，形成高速差分信号，再经过转子端天线模块发射，对端的定子端天线模块收到该数据信号后送至第二PHY以太网交换芯片，经过第二网络变压器的处理输出，最终经过定子端接口连接器向外输出。同时，数据也可以同时从定子端接口连接器输入并向转子端无线传输，以实现数据信号的双向无线传输。本实施例中选用的全双工天线模块传输频段为60GHz，传输速率可达3.25Gbps，各天线模块采用意法半导体公司的ST60芯片，其芯片功耗更低，仅40mW，速度更快，最高可达6Gbps，可以安全、简便地提供低功耗的高速数据传输。本发明是以低速差分信号和千兆网信号为实例，但不局限于这两种信号，还可无线传输RS422信号、RS485信号等。此外本发明的电能传输和数据传输并不一定要求同时进行，也可以仅进行无线电能传输。

本实施例中，轴承为滚动轴承，其它实施例中，也可以采用其它类型的轴承，本发明对轴承种类不作限制。

本实施例中，转子部件和定子部件为一体化结构，但本发明不局限于一体化结构，转子部件和定子部件可分为两部分，采用两体式结构。

本实施例中，转子端和定子端的两端接口连接器采用HD接口连接器，但不局限于该种接口形式，还可采用弹簧针接触式连接器、毛纽扣连接器、磁吸式连接器等。此外，在双端HD接口连接器上还可以套置防尘帽进行未使用状态下的密封防护。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于，包括转子部件和定子部件，转子部件包括转子端接口连接器、法兰盘、旋转轴、转子端电路板、电能发射线圈及转子端天线模块，定子部件包括定子端接口连接器、尾部端盖、外壳体、轴承、定子端电路板、电能接收线圈及定子端天线模块；

转子端接口连接器固定于法兰盘上并与转子端电路板电性连接，法兰盘固定于旋转轴一端，转子端电路板通过第一绝缘体安装于旋转轴另一端；定子端接口连接器固定于尾部端盖上并与定子端电路板电性连接，尾部端盖固定于外壳体后端，外壳体前端通过轴承与旋转轴转动连接从而使转子部件能够相对于定子部件转动；定子端电路板通过第二绝缘体安装在尾部端盖前端，转子端电路板位于外壳体内并与电能发射线圈电性连接，电能发射线圈安装在第一绝缘体前端；定子端电路板与电能接收线圈电性连接，电能接收线圈安装在第二绝缘体前端并与电能发射线圈相对设置，从而实现无线电能传输；转子端天线模块安装于第一绝缘体前端，定子端天线模块安装于第二绝缘体前端并与转子端天线模块相对设置，从而实现双向无线数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：转子端电路板上集成有与电能发射线圈的电能输入端相连的逆变电路，定子端电路板上集成有与电能接收线圈的电能输出端相连的整流电路。

3.根据权利要求2所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：转子端电路板上还设有电连接于逆变电路与电能发射线圈之间的第一补偿电路，定子端电路板上还设有电连接于电能接收线圈与整流电路之间的第二补偿电路。

4.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：电能发射线圈和电能接收线圈均为罐式磁芯线圈，转子端天线模块和定子端天线模块各自穿过相应的罐式磁芯线圈中心且不高于罐式磁芯线圈。

5.根据权利要求4所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：转子端天线模块和定子端天线模块均采用全双工喇叭口天线。

6.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：转子端电路板上设有相连的第一网络变压器、第一PHY以太网交换芯片，其中第一网络变压器与转子端接口连接器相连，第一PHY以太网交换芯片与转子端天线模块相连；定子端电路板上设有相连的第二网络变压器、第二PHY以太网交换芯片，其中第二网络变压器与定子端接口连接器相连，第二PHY以太网交换芯片与定子端天线模块相连。

7.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：外壳体的前端面上固设有金属端盖，旋转轴外套装有固定环，固定环上套装有V型密封圈，V型密封圈具有用于与金属端盖弹性贴合的活动端，以实现旋转过程中旋转轴与定子部件之间的密封。

8.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：旋转轴为中空的变径轴结构，以便于供连接转子端接口连接器与转子端电路板的线缆穿过，旋转轴包括相连的小径端和大径端，其中大径端设于外壳体内部并用于安装转子端电路板。

9.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：法兰盘与旋转轴之间设置第一O型圈；定子端印制板部件固定于尾部端盖伸入外壳体内部的印制板安装部前端，该印制板安装部与外壳体内壁之间设有第二0型圈；金属端盖与外壳体之间还设有第三O型圈。

10.根据权利要求1所述的一种无线电能数据混合传输旋转连接器，其特征在于：转子端接口连接器和定子端接口连接器均采用HD接口连接器。