CN115714472A - 用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括套筒结构，所述接收装置包括芯筒结构，所述芯筒结构嵌套式安装在所述套筒结构中，且二者可相对同轴转动，所述套筒结构包括套筒本体以及凸出形成在所述套筒本体外围的第一环状凸台，所述芯筒结构包括芯筒本体以及凸出形成在所述芯筒本体外围的第二环状凸台。其效果是：本发明通过设置两种不同结构形式的发射线圈和接收线圈来分别实现能量接收和信号接收，减少了能量场和信号场之间的交叉影响，通过嵌套式的结构布局，使得转子和定子相对转动时芯筒结构与套筒结构互不干涉，因此非常适用于旋转结构的能量信号同步传输。

Description

用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置。

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。例如旋转结构中，旋转部件上用电设备的需求能量往往是通过导电滑环供给的。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上的用电设备传输电能，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

基于上述情况，本发明针对耦合机构可旋转的应用场合，提出了一种用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，通过采用内嵌式耦合结构，使其实现无线能量和通信360°同步传输。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其关键在于：包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括套筒结构，所述接收装置包括芯筒结构，所述芯筒结构嵌套式安装在所述套筒结构中，且二者可相对同轴转动；其中：

所述套筒结构包括套筒本体以及凸出形成在所述套筒本体外围的第一环状凸台，在所述套筒本体中设置有第一罐型磁芯，所述第一罐型磁芯的绕线柱和罐壁间按圆形绕制有管状发射线圈，在所述第一环状凸台上按圆形绕制有平面发射线圈；所述管状发射线圈用于连接能量发射电路实现无线能量发射，所述平面发射线圈用于连接信号发射电路实现无线信号发射；

所述芯筒结构包括芯筒本体以及凸出形成在所述芯筒本体外围的第二环状凸台，在所述芯筒本体中设置有第二罐型磁芯，所述第二罐型磁芯的绕线柱和罐壁间按圆形绕制有管状接收线圈，在所述第二环状凸台上按圆形绕制有平面接收线圈；所述管状接收线圈用于连接能量接收电路实现无线能量接收，所述平面接收线圈用于连接信号接收电路实现无线信号接收。

可选地，所述第一罐型磁芯和所述第二罐型磁芯的罐壁上均开设两个沿径向对称的安装口，且所述第一罐型磁芯和所述第二罐型磁芯的绕线柱均为中空绕线柱。

可选地，所述套筒本体的筒腔由第一腔体和第二腔体组成，所述第一腔体的直径大于第二腔体，且二者的腔壁间通过一环形平面过渡，在所述第一腔体中嵌套有所述芯筒本体，在所述第二腔体中设置有所述第一罐型磁芯。

可选地，在所述第二腔体中还设置有第一电路板，所述第一电路板上集成有能量发射电路和信号发射电路，在所述第一电路板与所述第一罐型磁芯间还设置有第一磁屏蔽面板。

可选地，所述套筒结构还包括第一转筒，所述第一转筒的筒底设置有供所述套筒本体贯穿的第一中心孔，所述第一中心孔外围的筒底上圆周均匀分布有若干第一装配孔，在所述环形平面上开设有与所述第一装配孔一一对应的第一固定孔，且所述套筒本体通过第一螺栓与所述第一转筒连接固定。

可选地，所述第一环状凸台抵靠在所述第一转筒的筒顶，且在所述第一环状凸台的上环面开设有用于卡接所述平面发射线圈的第一线圈卡槽。

可选地，所述芯筒本体的筒腔中还设置有第二电路板，所述第二电路板上集成有能量接收电路和信号接收电路，在所述第二电路板与所述第二罐型磁芯间还设置有第二磁屏蔽面板。

可选地，所述芯筒结构还包括第二转筒，所述第二转筒的筒顶设置有供所述芯筒本体贯穿的第二中心孔，所述第二中心孔外围的筒顶上圆周均匀分布有若干第二装配孔，在所述第二环状凸台上还开设有与所述第二装配孔一一对应的第二固定孔，且所述第二环状凸台通过第二螺栓与所述第二转筒连接固定。

可选地，在所述第二环状凸台的下环面开设有用于卡接所述平面发射线圈的第二线圈卡槽。

可选地，所述套筒本体、所述第一环状凸台、所述芯筒本体以及所述第二环状凸台均由铝合金材质制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明能够用于旋转结构无线能量信号同步传输系统中，产品结构紧凑，安装方便；

2、本发明通过设置两种不同结构形式的发射线圈和接收线圈来分别实现能量接收和信号接收，减少了能量场和信号场之间的交叉影响，通过嵌套式的结构布局，使得转子和定子相对转动时芯筒结构与套筒结构互不干涉，因此非常适用于旋转结构的能量信号同步传输；

3、本发明采用圆形方式绕制线圈，满足了旋转部件旋转任何角度时，能量或信号均能稳定传输的功能；针对能量磁场干扰信号传输的问题，将能量线圈放置在罐型磁芯里，约束了绝大部分能量磁场外泄；进一步采用分频的方法，加大两种线圈的工作频率等级，使得在信号线圈的工作频率范围内，能量线圈的磁场强度远小于信号线圈的磁场强度，解决了能量磁场干扰信号传输的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例一在一种视角下的立体图；

图2为实施例一在另一种视角下的立体图；

图3为实例一中发射装置和接收装置在一种视角下的位置对应图；

图4为实例一中发射装置和接收装置在另一种视角下的位置对应图；

图5为实施例一整体结构的爆炸示意图；

图6为实施例一中发射装置的爆炸示意图；

图7为实施例一中接收装置的爆炸示意图；

图中标记：100-套筒结构、101-套筒本体、102-第一环状凸台、103-第一罐型磁芯、104-管状发射线圈、105-平面发射线圈、106-环形平面、107-第一电路板、108-第一磁屏蔽面板、109-第一转筒、110-第一中心孔、111-第一装配孔、112-第一固定孔、113-第一螺栓、114-第一线圈卡槽；

200-芯筒结构、201-芯筒本体、202-第二环状凸台、203-第二罐型磁芯、 204-管状接收线圈、205-平面接收线圈、206-第二电路板、207-第二磁屏蔽面板、208-第二转筒、209-第二中心孔、210-第二装配孔、211-第二固定孔、212- 第二螺栓、213-第二线圈卡槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1至图5示出了本发明的第一种实施例：一种用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括套筒结构100，所述接收装置包括芯筒结构200，所述芯筒结构200嵌套式安装在所述套筒结构100中，且二者可相对同轴转动；其中：

所述套筒结构100包括套筒本体101以及凸出形成在所述套筒本体101 外围的第一环状凸台102，在所述套筒本体101中设置有第一罐型磁芯103，所述第一罐型磁芯103的绕线柱和罐壁间按圆形绕制有管状发射线圈104，在所述第一环状凸台102上按圆形绕制有平面发射线圈105；所述管状发射线圈 104用于连接能量发射电路实现无线能量发射，所述平面发射线圈105用于连接信号发射电路实现无线信号发射；

所述芯筒结构200包括芯筒本201以及凸出形成在所述芯筒本201外围的第二环状凸台202，在所述芯筒本201中设置有第二罐型磁芯203，所述第二罐型磁芯203的绕线柱和罐壁间按圆形绕制有管状接收线圈204，在所述第二环状凸台202上按圆形绕制有平面接收线圈205；所述管状接收线圈204用于连接能量接收电路实现无线能量接收，所述平面接收线圈205用于连接信号接收电路实现无线信号接收。

为了实现360°全角度能量与信号同传，要求一侧的能量与信号线圈任意角度旋转时，能量稳定输出，信号无误码传输，因此能量线圈(管状发射线圈104、管状接收线圈204)与信号线圈(平面发射线圈105、平面接收线圈205) 均采用圆形绕制方式，根据圆形线圈的特性，施加交变电流后，在同一平面上，线圈产生的磁场是均匀的，因此在转子旋转时，耦合线圈能很好地满足了能量与信号稳定传输的要求。

考虑到减小安装结构尺寸，将信号线圈放置在对应能量线圈外围，绝大部分磁场被约束在罐型磁芯内，但仍然有小部分强磁场泄露，进而干扰到信号线圈，使信号线圈接收到误码。针对该缺陷，在无线能量信号同步传输时采用分频设计，即能量线圈采用百KHz以下频率，信号线圈采用MHz或更高级别的频率。当百KHz频率的能量磁场泄露到信号线圈范围内，其MHz级别的谐波强度快速跌落，远远小于百KHz级别磁场强度，同时远小于加载在信号线圈上的 MHz级别的载波强度，从而降低了能量干扰信号的可能性。

如图3、4、5所示，为了方便线圈安装和提高散热性能，所述第一罐型磁芯103和所述第二罐型磁芯203的罐壁上均开设两个沿径向对称的安装口，且所述第一罐型磁芯103和所述第二罐型磁芯203的绕线柱均为中空绕线柱。

请参阅图6，具体实施时，所述套筒本体101的筒腔由第一腔体和第二腔体组成，所述第一腔体的直径大于第二腔体，且二者的腔壁间通过一环形平面 106过渡，在所述第一腔体中嵌套有所述芯筒本201，在所述第二腔体中设置有所述第一罐型磁芯103。在所述第二腔体中还设置有第一电路板107，所述第一电路板107上集成有能量发射电路和信号发射电路。为了避免磁场影响第一电路板107的正常工作，在所述第一电路板107与所述第一罐型磁芯103 间还设置有第一磁屏蔽面板108。具体地，所述套筒结构100还包括第一转筒109，所述第一转筒109的筒底设置有供所述套筒本体101贯穿的第一中心孔 110，所述第一中心孔110外围的筒底上圆周均匀分布有若干第一装配孔111，在所述环形平面106上开设有与所述第一装配孔111一一对应的第一固定孔 112，且所述套筒本体101通过第一螺栓113与所述第一转筒109连接固定。作为优选，为了提高发射装置的绝缘性能，所述第一转筒109采用绝缘材料制成。

从图6可以看出，为了实现平面发射线圈105的定位装配，所述第一环状凸台102抵靠在所述第一转筒109的筒顶，且在所述第一环状凸台102的上环面开设有用于卡接所述平面发射线圈105的第一线圈卡槽114。

如图7所示，在本实施方式中，所述芯筒本201的筒腔中还设置有第二电路板206，所述第二电路板206上集成有能量接收电路和信号接收电路。为了避免磁场影响第二电路板206的正常工作，在所述第二电路板206与所述第二罐型磁芯203间还设置有第二磁屏蔽面板207。具体地，所述芯筒结构200还包括第二转筒208，所述第二转筒208的筒顶设置有供所述芯筒本201贯穿的第二中心孔209，所述第二中心孔209外围的筒顶上圆周均匀分布有若干第二装配孔210，在所述第二环状凸台202上还开设有与所述第二装配孔210一一对应的第二固定孔211，且所述第二环状凸台202通过第二螺栓212与所述第二转筒208连接固定。作为优选，为了提高接收装置的绝缘性能，所述第二转筒208采用绝缘材料制成。

从图7可以看出，为了实现平面接收线圈205的定位装配，在所述第二环状凸台202的下环面开设有用于卡接所述平面发射线圈105的第二线圈卡槽 213。

另需说明的是，所述套筒本体101、所述第一环状凸台102、所述芯筒本 201以及所述第二环状凸台202均由铝合金材质制成，可使装置整体形成相对闭合的磁回路，从而进一步防止漏磁，以提高无线能量信号传输的效率。

综上所述，本发明能够用于旋转结构无线能量信号同步传输系统中，产品结构紧凑，安装方便；本发明通过设置两种不同结构形式的发射线圈和接收线圈来分别实现能量接收和信号接收，减少了能量场和信号场之间的交叉影响，通过嵌套式的结构布局，使得转子和定子相对转动时芯筒结构200与套筒结构 100互不干涉，因此非常适用于旋转结构的能量信号同步传输；本发明采用圆形方式绕制线圈，满足了旋转部件旋转任何角度时，能量或信号均能稳定传输的功能；针对能量磁场干扰信号传输的问题，将能量线圈放置在罐型磁芯里，约束了绝大部分能量磁场外泄；进一步采用分频的方法，加大两种线圈的工作频率等级，使得在信号线圈的工作频率范围内，能量线圈的磁场强度远小于信号线圈的磁场强度，解决了能量磁场干扰信号传输的问题。

此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括套筒结构，所述接收装置包括芯筒结构，所述芯筒结构嵌套式安装在所述套筒结构中，且二者可相对同轴转动；其中：

所述套筒结构包括套筒本体以及凸出形成在所述套筒本体外围的第一环状凸台，在所述套筒本体中设置有第一罐型磁芯，所述第一罐型磁芯的绕线柱和罐壁间按圆形绕制有管状发射线圈，在所述第一环状凸台上按圆形绕制有平面发射线圈；所述管状发射线圈用于连接能量发射电路实现无线能量发射，所述平面发射线圈用于连接信号发射电路实现无线信号发射；

所述芯筒结构包括芯筒本体以及凸出形成在所述芯筒本体外围的第二环状凸台，在所述芯筒本体中设置有第二罐型磁芯，所述第二罐型磁芯的绕线柱和罐壁间按圆形绕制有管状接收线圈，在所述第二环状凸台上按圆形绕制有平面接收线圈；所述管状接收线圈用于连接能量接收电路实现无线能量接收，所述平面接收线圈用于连接信号接收电路实现无线信号接收。

2.根据权利要求1所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述第一罐型磁芯和所述第二罐型磁芯的罐壁上均开设两个沿径向对称的安装口，且所述第一罐型磁芯和所述第二罐型磁芯的绕线柱均为中空绕线柱。

3.根据权利要求2所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述套筒本体的筒腔由第一腔体和第二腔体组成，所述第一腔体的直径大于第二腔体，且二者的腔壁间通过一环形平面过渡，在所述第一腔体中嵌套有所述芯筒本体，在所述第二腔体中设置有所述第一罐型磁芯。

4.根据权利要求3所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：在所述第二腔体中还设置有第一电路板，所述第一电路板上集成有能量发射电路和信号发射电路，在所述第一电路板与所述第一罐型磁芯间还设置有第一磁屏蔽面板。

5.根据权利要求4所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述套筒结构还包括第一转筒，所述第一转筒的筒底设置有供所述套筒本体贯穿的第一中心孔，所述第一中心孔外围的筒底上圆周均匀分布有若干第一装配孔，在所述环形平面上开设有与所述第一装配孔一一对应的第一固定孔，且所述套筒本体通过第一螺栓与所述第一转筒连接固定。

6.根据权利要求5所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述第一环状凸台抵靠在所述第一转筒的筒顶，且在所述第一环状凸台的上环面开设有用于卡接所述平面发射线圈的第一线圈卡槽。

7.根据权利要求1-6任一所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述芯筒本体的筒腔中还设置有第二电路板，所述第二电路板上集成有能量接收电路和信号接收电路，在所述第二电路板与所述第二罐型磁芯间还设置有第二磁屏蔽面板。

8.根据权利要求7所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述芯筒结构还包括第二转筒，所述第二转筒的筒顶设置有供所述芯筒本体贯穿的第二中心孔，所述第二中心孔外围的筒顶上圆周均匀分布有若干第二装配孔，在所述第二环状凸台上还开设有与所述第二装配孔一一对应的第二固定孔，且所述第二环状凸台通过第二螺栓与所述第二转筒连接固定。

9.根据权利要求8所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：在所述第二环状凸台的下环面开设有用于卡接所述平面发射线圈的第二线圈卡槽。

10.根据权利要求1或6或9所述的用于旋转结构的无线能量信号同步传输装置，其特征在于：所述套筒本体、所述第一环状凸台、所述芯筒本体以及所述第二环状凸台均由铝合金材质制成。

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