CN117277599A - 一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其中包括：激励装置和接收装置，其中，激励装置包括激励线圈、C形磁芯、无线供电原边电路以及定子罩壳，激励线圈缠绕在所述C形磁芯上，并与无线供电原边电路相连，无线供电原边电路安装在C形磁芯上组成定子，定子罩壳包裹在所述C形磁芯外部；接收装置包括柔性方波形接收线圈、无线供电副边电路，柔性方波形接收线圈安装在旋转轴系表面，无线供电副边电路由整流电路、滤波电路以及稳压电路组成，无线供电副边电路外部两侧钻有固定螺栓孔，安装在旋转轴系的表面，预留接口，并且与无线供电副边电路相连组成转子。该供电装置解决了传统传统无线供电装置接收线圈不方便安装及拆卸，加装屏蔽罩困难，接收线圈重量较大，影响轴系动平衡等问题。

Description

一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置

技术领域

本发明涉及旋转轴系无线充电技术领域，是一种使用方波形线圈的FPC来切割磁感线的旋转轴系无线充电接收装置。

背景技术

无线充电技术根据能量传输过程中中继能量形式的不同，可分为:磁耦合式、电耦合式、电磁辐射式、机械波耦合式。而旋转轴系的无线充电系统一般采用松耦合变压器来实现，其原理是电磁感应原理，利用高频交流电实现电-磁-电的转换，从而实现电能的无线传输。由激励装置(固定侧)产生交变磁场，接收装置(旋转侧)产生感应电动势，继而通过整流滤波电路输出稳定电压。

现有技术中，旋转轴系的无线充电的松耦合变压器的结构形式主要有：柱面耦合式和端面耦合式。

柱面耦合的一个线圈放置在另一个线圈的内部，形成嵌套结构。常见的柱面耦合旋转松耦合变压器的原、副边的磁芯由环形导磁材料构成，两磁芯间隔一定的气隙同轴布置，在原、副边磁芯上缠绕有电感线圈。副边磁芯与线圈构成的拾取机构安装于旋转轴上随轴一起旋转，原边磁芯与线圈构成的发射机构通过夹具或螺栓固定在转轴的壳体或底座上固定不动。

柱面耦合在旋转轴系供电的应用测试中存在许多问题。首先，面存在受安装条件限制不便在转轴外沿轴环绕发射线圈的情况。其次，这种传统方式的柱面耦合方式主、副边磁芯的间隙不容易得到保证，在安装时必须保证较高的位置精度，否则易发生零件的干涉和碰撞，影响系统的稳定性。且这种整环式的耦合机构一旦安装于轴上，当被测轴系周系转速过高时，接收装置由于收到巨大的离心力，会对轴产生局部应力，影响测量结果，甚至还会甩飞接收装置。要想使原、副边分离或将其整体卸下只能通过转轴的末端，拆卸不便。最后，柱面耦合式由于其嵌套结构，磁屏蔽性能不高，激励装置产生的交变磁场会影响轴系上的电子设备。

端面耦合的原边线圈和副边线圈面对面同轴放置，形成上下分离的结构。端面耦合方式具有较好的磁屏蔽性能，但由于结构限制也会出现散热差、容易温升过高等问题，从而影响到系统的稳定性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明针对旋转轴系无线充电接收装置的问题，提供了一种对在旋转轴系不同工况运转下的无线充电接收装置，为旋转轴系上的电子设备提供稳定电压。本发明可用于不同环境下对旋转轴系进行无线电能传输，可以保证在不影响轴系动平衡的情况下输出稳定的电压。

本发明的另一个目的在于本发明提出一种安装柔性方波形感应线圈的旋转轴系无线充电感应装置，利用FPC与方波形导线相结合制作柔性线圈替代传统无线充电感应线圈。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，包括：包括激励装置和接收装置，其中，所述激励装置包括激励线圈、C形磁芯、无线供电原边电路以及定子罩壳，所述激励线圈缠绕在所述C形磁芯上，并与所述无线供电原边电路相连，所述无线供电原边电路安装在所述C形磁芯上组成定子，所述定子罩壳包裹在所述C形磁芯外部；所述接收装置包括柔性方波形接收线圈和无线供电副边电路，所述柔性方波形接收线圈安装在旋转轴系表面，所述无线供电副边电路由整流电路、滤波电路以及稳压电路组成，所述无线供电副边电路外部两侧钻有固定螺栓孔，安装在所述旋转轴系的表面，预留接口，并且与所述无线供电副边电路相连组成转子。

本发明实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，利用FPC与方波形线圈相结合制作柔性线圈替代传统松耦合变压器，在复杂工况中，松耦合变压器中的柱面耦合式和端面耦合式的接收线圈不方便安装及拆卸，加装屏蔽罩困难，且螺线管接收线圈重量较大，会影响轴系动平衡。

另外，根据本发明上述实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述柔性方波形接收线圈由凸齿与凹齿组成，所述凸齿和凹齿均为奇数个，根据旋转轴系的半径大小以及所述激励装置产生的磁场面积大小来确定所述柔性方波形线圈的凸齿和凹齿的长度和宽度。且所述柔性方波形接收线圈印制在柔性电路板，按照所需输出电压大小选择所述柔性方波形接收线圈的层数，且每层所述柔性方波形接收线圈通过过孔串联。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述柔性方波形接收线圈旋转轴系的轴颈尺寸安放所述柔性方波形接收线圈，保证所述柔性方波形接收线圈环绕旋转轴系一周；

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述柔性方波形接收线圈通过导电与所述无线供电副边电路预留接口相连，经过所述整流电路、滤波电路以及稳压电路三部分，得到稳定持续的电压输出。

为达到上述目的，本发明提出了一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，包括以下步骤：步骤S1，将所述激励线圈通直流电流产生空间磁场，通过所述C形磁芯将磁场聚焦在所述旋转轴系轴上，表现为圆形匀强磁场；步骤S2，当所述旋转轴系旋转时，所述方波形线圈的凸齿、凹齿切割聚焦磁力线，由于方波形线圈内部的磁通量发生改变，线圈中将产生感应电压；步骤S3，根据法拉第电磁感应定律计算所述感应电压的电压值；步骤S4，所述的感应电压U，通过导线连接到所述无线供电副边电路的预留接口上，通过所述的整流电路、滤波电路以及稳压电路得到持续稳定的直流输出电压；

本发明实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，利用FPC与方波形导线相结合制作柔性线圈替代传统无线供电线圈，在复杂工况中，柱面耦合式和端面耦合式的接收线圈不方便安装及拆卸，加装屏蔽罩困难，且螺线管接收线圈重量较大，会影响轴系动平衡，故选用柔性方波形线圈代替传统无线供电线圈，质量更轻，磁屏蔽性更高，更便于安装和拆卸，对旋转轴系的影响更小。

另外，根据本发明上述实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个感应电压为：

其中，U为感应电压，N为线圈匝数，φ为磁通量，t为感应时间，B为磁场强度，S为磁力线穿过线圈的面积。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述聚焦磁力线穿过线圈的面积S为：

a取整数

其中：a为凸齿在圆形磁场内的个数，l为相对位移，n为凸齿总数。

根据权利要求7所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，所述凸齿在圆形磁场内的总面积关系见下式：

S＝∑s_a

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的一种FPC与方波形线圈相结合旋转轴系无线充电接收装置整体演示示意图；

图2是本发明一个双层柔性方波形线圈结构示意图；

图3是本发明一个双层柔性方波形接收线圈电路板示意图；

图4是本发明一个无线供电副边电路流程图；

图5是本发明一个实施例的无线供电副边电路结构示意图；

图6是本发明一个实施例的圆形磁场与方波形线圈相交示意图；

图7是本发明一个实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置供电具体工作流程图；

图8是本发明一个实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置整体结构示意图；

附图标记说明：

10-一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置、100-激励装置、101-激励线圈、102-C形磁芯、103-无线供电原边电路、104-定子罩壳、200-接收装置、201-柔性方波形接收线圈、202-无线供电副边电路。

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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器及振动测量方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器。

图1是本发明一个实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置的结构示意图。

如图1所示，供电装置10包括：激励装置100、接收装置200。

其中，激励装置100包括线圈101和C形磁芯102，激励线圈101安装在C形磁芯102待测轴的表面并与无线供电原边电路103相连作为定子，定子罩壳104包裹在C形磁芯102的外部；接收装置200包括柔性方波形接收线圈201，柔性方波形接收线圈201由凸齿2011和凹齿2012组成、无线供电副边电路202，方波形接收线圈201的外部两侧钻有固定螺栓孔，安装在旋转轴系的表面，并与无线供电副边电路202的预留接口通过导线传输线相连组成转子；

进一步地，在本发明的一个实施例中，激励装置100包括激励线圈101、C形磁芯102以及无线供电原边电路103，所述激励线圈101缠绕在所述C形磁芯102上，并与所述无线供电原边电路103相连，所述无线供电原边电路103安装在所述C形磁芯102上组成定子，定子罩壳104包裹在C形磁芯102的外部；

具体地，如图1所示，在本发明的一个实施例中，激励装置100与旋转轴系呈90°摆放，且C形磁芯102的磁场场刚好垂直通过柔性方波形接收线圈201。

进一步地，在本发明的一个实施例中，柔性方波形接收线圈201由凸齿2011和凹齿2012组成。

具体地，如图2所示，双层柔性方波线圈201中凸齿2011和凹齿2012的个数均为奇数个，凸齿2011和凹齿2012的齿宽相等。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，柔性方波形接收线圈201依据旋转轴系的轴颈尺寸安放，保证所述柔性方波形接收线圈201环绕旋转轴系一周，且柔性方波形接收线圈201印制在柔性电路板，按照所需输出电压大小选择柔性方波形接收线圈201的层数，且每层柔性方波形接收线圈201通过过孔串联。

具体地，如图4所示，柔性方波形接收线圈201通过导线与所述无线供电副边电路202预留接口相连，经过所述整流、滤波以及稳压，得到稳定持续的电压输出；

进一步地，在本发明的一个实施例中，无线供电副边电路202，将柔性方波形接收线圈201产生的感应电压整流、滤波以及稳压，得到稳定持续的输出电压。

具体地，如图5所示，无线供电副边电路202外部两侧钻有固定螺栓孔，安装在所述旋转轴系的表面，预留接口，并且与柔性方波形接收线圈201相连组成转子。

根据本发明实施例提出的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，具有以下有益效果：

(1)选用方波形(FPC)替代松耦合变压器副边接收线圈，降低体积，减少重量，提高柔软度，降低风险。(2)选用方波形(FPC)，适合复杂工况的轴系，保证良好供电的前提下，对轴的力学性能影响降低，保证扭振传感器的测量精度。(3)采用柔性电路板接收装置和C形磁芯激励装置，提高了磁屏蔽性。(4)采用多层柔性线圈，可提供不同幅值大小的感生电压。(5)采用方波形接收线圈，结构简单，方便制作的同时，可以得到类正弦曲线的电压。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置。

图6是本发明一个实施例的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置工作的流程图。

如图6所示，该一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法包括以下步骤：

在步骤S1中，将所述激励线圈通直流电流产生空间磁场，通过所述C形磁芯将磁场聚焦在所述旋转轴系轴上，表现为圆形匀强磁场。

在步骤S2中，当所述旋转轴系旋转时，所述方波形线圈的凸齿、凹齿切割聚焦磁力线，由于方波形线圈内部的磁通量发生改变，线圈中将产生感应电压；

在步骤S3中，根据法拉第电磁感应定律计算所述感应电压的电压值U：

式中，U为感应电压，N为线圈匝数，φ为磁通量，t为感应时间，B为磁场强度，S为磁力线穿过线圈的面积。

方波线圈凸齿与凹齿的面积变化率相等，圆形磁场穿过线圈的面积为所有凸齿与圆形磁场围成面积之和或者为所有凹齿与圆形磁场围成面积之和。每一个凸齿与圆形磁场围成的区域的面积都可以用积分来表示，即：

a取整数

其中：a为凸齿在圆形磁场内的个数，l为相对位移，n为凸齿总数。

凸齿在圆形磁场内的总面积关系见下式：

S＝∑s_a

在步骤S4中，所述的感应电压U，通过导线连接到所述无线供电副边电路的预留接口上，通过所述的整流电路、滤波电路以及稳压电路得到持续稳定的直流输出电压U₀；

需要说明的是，前述对柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器实施例的解释说明也适用于该实施例的柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，具有以下有益效果：

(1)选用方波形(FPC)替代松耦合变压器副边接收线圈，降低体积，减少重量，提高柔软度，降低风险。(2)选用方波形(FPC)，适合复杂工况的轴系，保证良好供电的前提下，对轴的力学性能影响降低，保证扭振传感器的测量精度。(3)采用柔性电路板接收装置和C形磁芯激励装置，提高了磁屏蔽性。(4)采用多层柔性线圈，可提供不同幅值大小的感生电压。(5)采用方波形接收线圈，结构简单，方便制作的同时，可以得到类正弦曲线的电压。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，包括激励装置、接收装置，其中，

所述激励装置包括激励线圈、C形磁芯、无线供电原边电路以及定子罩壳，所述激励线圈缠绕在所述C形磁芯上，并与所述无线供电原边电路相连，所述无线供电原边电路安装在所述C形磁芯上组成定子，所述定子罩壳包裹在所述C形磁芯外部；

所述接收装置包括柔性方波形接收线圈、无线供电副边电路，所述柔性方波形接收线圈安装在旋转轴系表面，所述无线供电副边电路由整流电路、滤波电路以及稳压电路组成，所述无线供电副边电路外部两侧钻有固定螺栓孔，安装在所述旋转轴系的表面，预留接口，并且与所述无线供电副边电路相连组成转子。

2.根据权利要求1所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，所述柔性方波形接收线圈由凸齿与凹齿组成(凸齿与凹齿是相对而言的)，所述凸齿和凹齿均为奇数个，根据旋转轴系的半径大小以及所述激励装置产生的磁场面积大小来确定所述柔性方波形线圈的凸齿和凹齿的长度和宽度。且所述柔性方波形接收线圈印制在柔性电路板，按照所需输出电压大小选择所述柔性方波形接收线圈的层数，且每层所述柔性方波形接收线圈通过过孔串联。

3.根据权利要求1所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，依据旋转轴系的轴颈尺寸安放所述柔性方波形接收线圈，保证所述柔性方波形接收线圈环绕旋转轴系一周。

4.根据权利要求1所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，所述柔性方波形接收线圈通过导线与所述无线供电副边电路预留接口相连，经过所述整流电路、滤波电路以及稳压电路三部分，得到稳定持续的电压输出。

5.一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，包括以下步骤：

步骤S1，将所述激励线圈通直流电流产生空间磁场，通过所述C形磁芯将磁场聚焦在所述旋转轴系轴上，表现为圆形匀强磁场；

步骤S2，当所述旋转轴系旋转时，所述方波形线圈的凸齿、凹齿切割聚焦磁力线，由于方波形线圈内部的磁通量发生改变，线圈中将产生感应电压；

步骤S3，根据法拉第电磁感应定律计算所述感应电压的电压值U；

步骤S4，所述的感应电压U，通过导线连接到所述无线供电副边电路的预留接口上，通过所述的整流电路、滤波电路以及稳压电路得到持续稳定的直流输出电压U₀；

6.根据权利要求5所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，当旋转轴系旋转时，方波形线圈凸齿、凹齿切割聚焦磁力线，由于方波形线圈内部的磁通量发生改变，线圈中将产生感应电压，通过下式表示感应电压大小：

其中：U为接收线圈的感应电压，t为感应时间，φ为磁通量，B为磁感应强度，N为线圈匝数，S为磁力线穿过线圈的面积。

7.根据权利要求6所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，所述方波线圈凸齿与凹齿的面积变化率相等，圆形磁场穿过线圈的面积为所有凸齿与圆形磁场围成面积之和或者为所有凹齿与圆形磁场围成面积之和。每一个凸齿与圆形磁场围成的区域的面积都可以用积分来表示，即：

a取整数

其中：a为凸齿在圆形磁场内的个数，l为相对位移，n为凸齿总数。

8.根据权利要求7所述的一种柔性方波形接收线圈的旋转轴系无线供电装置，其特征在于，所述凸齿在圆形磁场内的总面积关系见下式：

S＝∑s_a。