CN206673705U - 一种非接触式电能与信号混合传输滑环装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式电能与信号混合传输滑环装置，包括旋转轴、装置外壳、电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯、电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯、电磁耦合副边线圈、电磁耦合原边线圈、防电磁干扰信号传输保护壳、旋转侧红外信号电路板、固定侧红外信号电路板、红外信号第一光接收器、红外信号第一光发射器、红外信号第二光接收器、红外信号第二光发射器、电磁耦合原边固定器和固定侧红外信号硬件电路固定器。可以实现电能在相对旋转的系统中以准确稳定的功效和较低的损耗传输，推动其向低成本，低碳环保方向发展；红外信号的使用可以避免传统集电环信号传输方式中信号的低效率、大干扰问题，使信号能够稳定、高效的传输。

Description

一种非接触式电能与信号混合传输滑环装置

技术领域

本实用新型属于旋转机械电能及信号传输领域，具体是利用电磁感应耦合技术使固定侧可以在与旋转侧相对旋转的过程中向旋转侧方以无线电能传输的方式输送电能，同时利用红外信号传输原理将信号从固定侧传输到旋转侧或从旋转侧到固定侧，实现将信号的高速双向传输。

背景技术

导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴，它又称集电环，是实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密输电装置。在电气设计过程中，机械部分360度无限制连续旋转时，导线需连接到旋转部件上去，会遇到导线缠绕问题，这个时候，他需要一个电旋转连接器，俗称电滑环来传输动力和信号的旋转连接。传统的导电滑环有三大类分为：固体接触式、液体接触式和滚动接触式，但都直接或间接的存在接触，都可以归为接触式的。由于摩擦，一方面，滑环在运行过程中一旦受到较大震动就容易受到损坏，因而需要谨慎维护，而在有些情况下，维护是很不方便的，另一方面，转速过大，滑环使用寿命就容易下降，并且接触式滑环大多是根据能正常转动的最大转数来衡量它的寿命大小。除去摩擦，导电滑环内部的，一般都很复杂，工艺要求高，从而成本要求就较高。同时，相对旋转装置之间信号的传输采用了集流环结构，这种结构使得信号的抗干扰能力极差对工作环境的要求非常高。因此可见，传统的导电滑环早已不能满足现代高效低碳的生产生活的需要。

发明内容

针对传统旋转电能传输装置在使用过程中容易损坏、老化，维护不便，成本要求高和信号传输易受到干扰等缺点。本实用新型利用电磁耦合的方式实现了电能从固定侧到旋转侧方向的无线传输和利用红外信号传输实现了信号从旋转侧到固定侧、固定侧到旋转侧的信号双向传输。需要注意的是其中一路从旋转侧到固定侧的红外信号传输将用于将功率采样信号传输给电能控制单元，从而调节功率进而稳住负载侧电压。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下方案实现：

一种非接触式电能与信号混合传输滑环装置，包括旋转轴、装置外壳、电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯、电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯、电磁耦合副边线圈、电磁耦合原边线圈、防电磁干扰信号传输保护壳、旋转侧红外信号电路板、固定侧红外信号电路板、红外信号第一光接收器、红外信号第一光发射器、红外信号第二光接收器、红外信号第二光发射器、电磁耦合原边固定器和固定侧红外信号硬件电路固定器；

所述电磁耦合原边固定器和固定侧红外信号硬件电路固定器安装在装置外壳上，电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯和旋转侧红外信号电路板固定在旋转轴上，电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯和固定侧红外信号电路板分别固定在电磁耦合原边固定器和固定侧红外信号硬件电路固定器上，电磁耦合副边线圈和电磁耦合原边线圈分别固定在电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯和电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯上，旋转侧红外信号电路板上设置有红外信号第一光接收器、红外信号第二光发射器，固定侧红外信号电路板上设置有红外信号第一光发射器、红外信号第二光接收器，防电磁干扰信号传输保护壳设置在连接电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯和旋转侧红外信号电路板上；

其中，电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯、电磁耦合副边线圈、旋转侧红外信号电路板、红外信号第一光接收器和红外信号第二光发射器随旋转轴一起旋转；电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯、电磁耦合原边线圈、固定侧红外信号电路板、红外信号第一光发射器和红外信号第二光接收器与装置外壳相对固定。

本装置利用电磁耦合方式在固定侧座和旋转侧构成电能传输通道；利用红外传输方式对旋转侧采集到的多路信号或固定侧发出的控制信号进行高效的传输。从而构成一种非接触电能与信号混合传输的滑环装置。

电磁耦合无线电能传输是一种新型的电能传输方式，但是已经在关键性的技术上有了突破，经过测试调整的无限电能传输具有传输电能稳定，传输效率高的特点，目前已经可以做到很高效率的无线电能传输系统。同时相比于传统接触式电能传输系统，无线电能传输系统所需要的环境条件较低，使用过程中损耗小。把无线电能传输方式应用于本装置一方面可以简化装置结构，利于装置的安装与维修，并且极大的提高装置的使用寿命；另一方面可以提高装置的电能传输容量，同时对生产效率不会有大的影响；同时还可以解决传统导电滑环最大转速不高的问题。因此，本装置采用电磁耦合无线电能传输的方式。

在信号传输方面，本实用新型采用红外信号的光-电转换传输，红外通信技术是一种成熟的技术，光通信的载波频率在10的14次方赫兹～10的15次方赫兹之间，它具有很高的通信容量。目前市面上常见的的高速红外LED调制频率在155Mb/s～2.5Gb/s之间，具有很高的传输速度，可以满足实时信号传输的需要。本装置中，引入红外通信技术可以极大的简化装置构造并解决信号传输中对带宽的要求，同时抗干扰能力也大幅度增强。因此，本装置引入了红外通信技术。

本实用新型从固定侧通过电磁耦合方式把电能以无线的方式传输至旋转侧，和传统导电滑环相比，有效降低装置在工作时的磨损，提高装置的寿命，同时在其他方面也具有优势。此装置在电能传输方面，运用感应电磁耦合无线电能传输原理，从电能输入侧电网或者其他形式供电装置得到电能，经过整流滤波，高频逆变频率一般为几千赫兹到几十千赫兹，通过初级电感线圈，将电能转化为磁场能，次级线圈通过与初级线圈耦合，将磁场能转化为电能，再经过整流滤波稳压，将电能传输给旋转侧负载。需注意的是，初级电感线圈和次级电感线圈都需要用电容进行补偿串联或并联补偿，来提高电能传输的效率。

信号传输方面，固定侧向旋转侧传输信号，输入信号先转化成数字信号，在红外信号调制编码电路上进行调制编码后通过多路复用器再通过红外发射管变成红外信号，然后经过红外耦合的方式，红外信号红外接收管从固定侧传输至旋转侧，解码解调，再通过分路器还原信号，并继续传输。同时运用相同的原理，还可以实现信号从旋转侧到固定侧的传输，这样就可以实现多路信号的双向传输。需要注意的是，信号传输中一路传输需用于传输旋转侧负载采集电压信号，然后通过红外传输将信号传输至固定侧电能控制单元，从而实现对固定侧电能传输功率的控制。本实用新型就是利用以上电磁耦合技术和红外通信技术实现了电能的无线传输和信号的双向传递。

本实用新型的一种非接触电能与信号混合传输滑环装置，包括无线电能传输单元A、B其中，A为无线电能传输供电固定侧，B为无线电能耦合接收旋转侧，旋转侧信号发射单元C，固定侧信号接收单元D，固定侧信号发射单元E，旋转侧信号接收单元F，电能控制单元G。其中无线电能传输供电固定侧单元A、固定侧信号发射单元E、固定侧信号接收单元D、电能控制单元G设置在旋转装置的固定基座侧上；无线电能耦合接收旋转侧B、旋转侧信号发射单元C、旋转侧信号接收单元F设置在旋转装置的旋转侧。

所述无线电能传输固定侧包括AC/DC转换电路、DC/DC转换电路、DC/AC 转换电路、电磁耦合器原边，AC/DC转换电路将交流电整流成直流电，DC/DC 转换电路将直流电变成不同电压的直流电，DC/AC转换电路将直流电逆变成高频交流电，进入电磁耦合器原边，形成变化磁场，通过电磁耦合器副边的感应耦合实现了电能从固定侧到旋转侧的无线传输。所述无线电能耦合接收旋转侧包括电磁耦合器副边、AC/DC转换电路、DC/DC转换电路，电磁耦合器副边通过与电磁耦合器原边的感应耦合接收到固定侧的电能，进入AC/DC转换电路和DC/DC转换电路进行对电能的调整控制，进而传输给用电负载。

所述红外信号传输单元固定侧包括红外信号发射单元和红外信号接收单元。红外信号发射单元包括多路选择开关，调制编码电路，多路复用器，红外发射器；红外接收单元包括红外接收器，分路器，解码解调电路，多路选择开关。多路信号进入红外发射单元，经多路选择开关，编码调制电路，变成可用于传输的数字信号，数字信号再进行功率放大，驱动红外发射管将数字信号变为红外信号，传输给旋转侧信号接收单元。对于固定侧信号接收单元，由红外接收器接收红外信号，再经过分路器和解调解码电路，多路选择开关，将信号还原，从而达到将信号从固定侧传输至旋转侧或从旋转侧传输到固定侧的目的。所述红外信号传输旋转侧，也包括红外信号发射单元和红外信号接收单元，其结构与运行方式与固定侧无多大区别，在此不加以论述。输入信号通过旋转侧信号发射单元C进行调制编码、模数转换和功率放大后，通过红外发射器变成可利用的红外信号传输给固定侧信号接收单元D；经过相同的原理和过程，输入信号也可以从固定侧传输至旋转侧，从而可以实现信号由固定侧到旋转侧的双向传输。

需加以注意的是由于需要对旋转侧负载功率进行调节，我们需要对无线电能耦合接收旋转侧功率电压信号进行采样，同时利用红外信号传输将采样信号传输到电能控制单元G，从而实现了对负载侧功率的控制。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型一种非接触电能与信号混合传输滑环装置，可以实现电能在相对旋转的系统中以准确稳定的功效和较低的损耗传输，推动其向低成本，低碳环保方向发展；红外信号的使用可以避免传统集电环信号传输方式中信号的低效率、大干扰问题，使信号能够稳定、高效的传输。本实用新型可用于航天、航空、航海、卫星用的各种雷达、速率转台、陀螺仪表、惯性平台、以及自动化电子装置上，如机械关节、旋转臂等电子设备中。

附图说明

图1是非接触电能与信号混合传输系统示意图。

图2是电能传输示意图。

图3是非接触电能与信号混合传输滑环装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

图1为电磁耦合及光电耦合系统示意图。包括无线电能传输单元A、B，旋转侧信号发射单元C、固定侧信号接收单元D、固定侧信号发射单元E、旋转侧信号接收单元F和电能控制单元G。其中无线电能传输单元A、固定侧信号接收单元D、固定侧信号发射单元E位于旋转装置的固定基座侧上；无线电能耦合接收旋转侧B、旋转侧信号发射单元C和旋转侧信号接收单元F位于旋转装置的旋转侧。无线电能传输供电固定侧A通过固定侧辅助电源35给固定侧信号接收单元D和固定侧信号发射单元E供电，通过电磁耦合器原边4与电磁耦合器副边5的感应耦合为无线电能耦合接收旋转侧B的电能输出端9和通过旋转侧辅助电源36为旋转侧信号发射单元C、旋转侧接收单元F供电，其中电磁耦合器原边4位于旋转装置的固定侧基座上，电磁耦合器副边5固定在旋转装置的旋转侧；无线电能耦合接收旋转侧B的功率采样信号20和输入信号19通过旋转侧信号发射单元的多路选择开关17进入旋转侧信号发射单元C，经过旋转侧信号发射单元C的调制编码后从红外发射器14发射，固定侧信号接收单元D的输入端红外接收13接收到信号后传入该单元；该红外信号经过固定侧信号接收单元 D的解码解调电路，恢复成原来的信号并进一步将信号传送给电能控制单元G 和输出信号18，其中电能控制单元G经过对功率采样信号20的处理后，控制无线电能固定侧A的DC/DC转换电路2从而实现了负载端电压电流信号对固定侧功率的控制；固定侧信号发射单元E将多路信号调制编码后通过红外发射器25 发射，旋转侧信号接收单元F的红外接收器26接收到信号后经过解调解码等恢复成原来的输入信号，并成为输出信号31输出。

所述无线电能传输固定侧A包括AC/DC转换电路1、DC/DC转换电路2、 DC/AC转换电路3、电磁耦合器原边4、输入电能8，输入电能8接入AC/DC 转换器电路1将交流电转换成直流电后，传入DC/DC转换器2对功率进行调节后进入DC/AC转换电路3变成高频交流，并输入电磁耦合原边4，电磁耦合器原边4为无线电能传输供电固定侧A的耦合输出端；所述无线电能耦合接收旋转侧B包括电磁耦合器副边5、AC/DC转换电路6、DC/DC转换电路7、电能输出端9，电磁耦合副边5与电磁耦合器原边4经过感应耦合后接收到电能并且传入AC/DC转换电路6将高频交流转换成直流电，然后接入DC/DC转换电路7 对电能进行处理得到适合负载用电的电能，最后接电能输出端9；所述旋转侧信号发射单元C包括红外发射器14、多路复用器15、调制编码电路16、多路选择开关17；输入信号19进入旋转侧信号发射单元C的输入端进入旋转侧信号发射单元C的多路选择开关17，信号进入调制编码电路16进行调制编码等，再进入多路复用器15通过红外信号发射器14发射；所述固定侧信号接收单元D包括多路选择开关10、解码解调电路11、分路器12、红外接收器13、多路信号数字信号和模拟信号18，红外接收器13接收到来自旋转侧信号发射单元C的红外信号后传入分路器12分路器12接入解码解调电路11对信号进行解码解调，经过处理的信号通过多路选择开关10输出为多路信号数字信号和模拟信号18；所述固定侧多路信号数字信号和模拟信号编码传输单元E包括多路选择开关22、调制编码电路23、多路复用器24、红外发射器25、输入信号30，输入信号30经过调制编码电路23的调制编码等后进入多路复用器24通过红外发射器25转变为红外信号；所述旋转侧信号接收单元F包括红外接收器26、分路器27、解码解调电路28、多路选择开关29，红外接收器26接收到红外信号后接入分路器 27通过解码解调电路28的解码解调等后通过多路选择开关29输出输出信号31。从而实现电能的无线传输和红外信号的传输。所述电能控制单元G得到经C、D 传输而来的功率采样信号20，将采样信号转换为控制信号控制DC/DC转换电路，从而对功率进行调节。

图2为电能传输示意图。包括固定侧电能传输端32、旋转侧电能接收端33、负载34、固定侧辅助电源35、旋转侧辅助电源36。固定侧电能发射端32经固定侧辅助电源35对电能处理后，为固定侧信号传输单元D、E硬件电路提供电能。旋转侧电能接收端B，经旋转侧辅助电源36对电能进行处理后，为旋转侧信号传输单元C、F硬件电路提供电能。

图3为电能传输及光电传输装置示意图。包括旋转轴37，装置外壳38，电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯39，电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯40，电磁耦合副边线圈41，电磁耦合原边线圈42，防电磁干扰信号传输保护壳43，旋转侧红外信号电路板包括发光二极管驱动电路及光接收放大电路44，固定侧红外信号电路板45包括发光二极管驱动电路及光 接收放大电路，红外信号第一光接收器46，红外信号第一光发射器47，红外信号第二光接收器48，红外信号第二光发射器49，电磁耦合原边固定器50，固定侧红外信号硬件电路固定器51；电磁耦合原边固定器50和固定侧红外信号硬件电路固定器51安装在装置外壳 38上，电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯39和旋转侧红外信号电路板44固定在旋转轴37上，电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯40和固定侧红外信号电路板 45分别固定在电磁耦合原边固定器50和固定侧红外信号硬件电路固定器51上，电磁耦合副边线圈41和电磁耦合原边线圈42分别固定在电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯39和电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯40上，旋转侧红外信号电路板44上设置有红外信号第一光接收器46、红外信号第二光发射器49，固定侧红外信号电路板45上设置有红外信号第一光发射器47、红外信号第二光接收器48，防电磁干扰信号传输保护壳43设置在连接电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯39 和旋转侧红外信号电路板44上。其中与旋转轴37一起旋转的有电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯39电磁耦合副边线圈41和旋转侧红外信号电路板44红外信号第一光接收器46、红外信号第二光发射器49。不随旋转轴37旋转的有电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯40电磁耦合原边线圈42和固定侧红外信号电路板45红外信号第一光发射器47红外信号第二光接收器48。

Claims (1)

1.一种非接触式电能与信号混合传输滑环装置，其特征在于，包括旋转轴(37)、装置外壳(38)、电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯(39)、电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯(40)、电磁耦合副边线圈(41)、电磁耦合原边线圈(42)、防电磁干扰信号传输保护壳(43)、旋转侧红外信号电路板(44)、固定侧红外信号电路板(45)、红外信号第一光接收器(46)、红外信号第一光发射器(47)、红外信号第二光接收器(48)、红外信号第二光发射器(49)、电磁耦合原边固定器(50)和固定侧红外信号硬件电路固定器(51)；

所述电磁耦合原边固定器(50)和固定侧红外信号硬件电路固定器(51)安装在装置外壳(38)上，电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯(39)和旋转侧红外信号电路板(44)固定在旋转轴(37)上，电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯(40)和固定侧红外信号电路板(45)分别固定在电磁耦合原边固定器(50)和固定侧红外信号硬件电路固定器(51)上，电磁耦合副边线圈(41)和电磁耦合原边线圈(42)分别固定在电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯(39)和电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯(40)上，旋转侧红外信号电路板(44)上设置有红外信号第一光接收器(46)、红外信号第二光发射器(49)，固定侧红外信号电路板(45)上设置有红外信号第一光发射器(47)、红外信号第二光接收器(48)，防电磁干扰信号传输保护壳(43)设置在连接电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯(39)和旋转侧红外信号电路板(44)上；

其中，电磁耦合副边线圈固定基座及磁芯(39)、电磁耦合副边线圈(41)、旋转侧红外信号电路板(44)、红外信号第一光接收器(46)和红外信号第二光发射器(49)随旋转轴(37)一起旋转；电磁耦合原边线圈固定基座及磁芯(40)、电磁耦合原边线圈(42)、固定侧红外信号电路板(45)、红外信号第一光发射器(47)和红外信号第二光接收器(48)与装置外壳(38)相对固定。