一種用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€及裝置，所述天線采用雙環(huán)式天線，包括兩個同軸平行且在正常工作時(shí)繞軸電流方向相反的環(huán)形部分和兩環(huán)形部分之間的連接部分。所述裝置包括采用所述雙環(huán)式天線通過磁共振方式無線傳輸電能的基座部分和安裝在轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)部分；所述基座部分包括供電裝置和與供電裝置電連接的作為發(fā)射端的雙環(huán)式天線，所述旋轉(zhuǎn)部分包括相對所述發(fā)射端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的作為接收端的雙環(huán)式天線和與所述接收端電連接的輸電裝置。本發(fā)明裝置能保證能量傳輸?shù)姆€(wěn)定，提高能量傳輸效率，適用于對尺寸和質(zhì)量要求較為苛刻的應(yīng)用場合。
【專利說明】
一種用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€及裝置。
技術(shù)背景
[0002]對一些重要的處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的軸類部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而將其中可能出現(xiàn)或者已經(jīng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的診斷和排除是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障。目前應(yīng)用較廣的嵌入式故障診斷技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是將故障診斷系統(tǒng)嵌入到設(shè)備內(nèi)部，盡量接近可能發(fā)生故障的部件，大大提高系統(tǒng)的監(jiān)測能力和準(zhǔn)確率。然而，如何為嵌入到轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)持續(xù)供電是亟待解決的關(guān)鍵性問題之一。
[0003]無線電能傳輸技術(shù)具有高傳輸效率、中等傳輸距離、非輻射等優(yōu)點(diǎn)，克服了有線供電、電池供電、滑環(huán)供電、旋轉(zhuǎn)變壓器供電等供電方式的不足安全性好。利用無線電能傳輸技術(shù)為轉(zhuǎn)軸嵌入式系統(tǒng)供電已經(jīng)成為當(dāng)前一個研究熱點(diǎn)。
[0004]然而由于轉(zhuǎn)軸對磁場的遮擋以及發(fā)射端和接收端在位置上的偏移，系統(tǒng)難以保持穩(wěn)定的耦合狀態(tài)，容易出現(xiàn)能量傳輸不穩(wěn)定、平均能量傳輸效率低等問題，不少學(xué)者為解決該問題進(jìn)行了積極的探索。有的設(shè)計(jì)增加了發(fā)射端和接收端的數(shù)目，使得當(dāng)一部分接收端遠(yuǎn)離發(fā)射端時(shí)，另一部分接收端接近發(fā)射端，從而減少了能量傳輸?shù)牟▌?，然而該方法仍然無法實(shí)現(xiàn)能量的穩(wěn)定傳輸，其平均能量傳輸效率也較低，難以保持正常諧振狀態(tài);另外一些則采用套筒式結(jié)構(gòu)，并加入鐵氧體材料修正磁場方向，使得系統(tǒng)保持強(qiáng)耦合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量的持續(xù)穩(wěn)定傳輸，但套筒式結(jié)構(gòu)的發(fā)射端和接收端都體積較大、質(zhì)量較重，不利于集成，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)容易影響轉(zhuǎn)軸的正常運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€及裝置，以保證為轉(zhuǎn)軸上的嵌入式故障診斷系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的能量傳輸，提高能量傳輸效率，適用于對尺寸和質(zhì)量要求較為苛刻的應(yīng)用場合。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明提供的用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€，為雙環(huán)式天線，包括兩個同軸平行且在正常工作時(shí)繞軸電流方向相反的環(huán)形部分和兩環(huán)形部分之間的連接部分。
[0007]所述雙環(huán)式天線的環(huán)形部分為開口單環(huán)結(jié)構(gòu)或?yàn)橛扇舾稍崖菪€圈形成的多環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0008]所述兩個環(huán)形部分大小相同。
[0009]本發(fā)明提供的采用所述天線的用于旋轉(zhuǎn)部件的無線電能傳輸裝置，包括采用所述雙環(huán)式天線通過磁共振方式無線傳輸電能的基座部分和安裝在轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)部分;所述基座部分包括供電裝置和與供電裝置電連接的作為發(fā)射端的雙環(huán)式天線，所述旋轉(zhuǎn)部分包括相對所述發(fā)射端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的作為接收端的雙環(huán)式天線和與所述接收端電連接的輸電裝置。
[0010]所述發(fā)射端與所述轉(zhuǎn)軸同軸安裝，所述接收端安裝在所述轉(zhuǎn)軸上與發(fā)射端在徑向上相對應(yīng)。
[0011]有益效果
本發(fā)明與傳統(tǒng)的有線供電、電池供電、滑環(huán)供電等接觸式供電方式相比較的優(yōu)勢在于:發(fā)射端與接收端間沒有物理接觸，從而消除了磨損，極大提高了設(shè)備的使用壽命。
[0012]本發(fā)明與電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)相比較的優(yōu)勢在于:發(fā)射端與接收端在強(qiáng)磁耦合諧振狀態(tài)下進(jìn)行能量傳輸，保證了中距離條件下能量傳輸?shù)母咝нM(jìn)行，增大了傳輸距離。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)部件的無線電能傳輸技術(shù)相比較的優(yōu)勢在于:
1)發(fā)射端能產(chǎn)生繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)徑向分量大小不變的磁場，避免了轉(zhuǎn)軸對磁場的遮擋；
2)發(fā)射端與接收端始終處于強(qiáng)耦合諧振狀態(tài)，受到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的影響很小，從而提高了該供電系統(tǒng)的能量傳輸效率，更有利于保證為轉(zhuǎn)軸嵌入式故障診斷系統(tǒng)的正常供電；
3)本發(fā)明具有小型化、輕質(zhì)化的優(yōu)點(diǎn)，避免干擾轉(zhuǎn)軸的正常運(yùn)行，在對于尺寸和質(zhì)量要求較苛刻的場合具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0014]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明中發(fā)射端的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3、圖4分別是本發(fā)明中另一種發(fā)射端的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明中又一種發(fā)射端的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖6是發(fā)射端/接收端的原理分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明提供的用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€及裝置，如圖1、圖2所示，所述天線采用采用雙環(huán)式天線，所述裝置包括采用雙環(huán)式天線通過磁共振方式無線傳輸電能的基座部分和安裝在轉(zhuǎn)軸8上的旋轉(zhuǎn)部分。所述基座部分包括供電裝置和與供電裝置電連接的作為發(fā)射端3的雙環(huán)式天線，所述旋轉(zhuǎn)部分包括相對所述發(fā)射端3做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的作為接收端4的雙環(huán)式天線和與所述接收端4電連接的輸電裝置。所述雙環(huán)式天線包括兩個同軸平行且在正常工作時(shí)繞軸電流方向相反的環(huán)形部分和兩環(huán)形部分之間的連接部分，其中發(fā)射端3包括環(huán)形部分301和連接部分302兩部分導(dǎo)體，接收端4包括環(huán)形部分401和連接部分402兩部分導(dǎo)體;所述發(fā)射端3與所述轉(zhuǎn)軸8同軸安裝，所述接收端4安裝在所述轉(zhuǎn)軸8上與發(fā)射端3在徑向上相對應(yīng)。
[0021]所述接收端4的兩環(huán)形部分401位于所述發(fā)射端3的兩環(huán)形部分301之間(參見圖
4)，所述發(fā)射端3的兩環(huán)形部分301的直徑LI大于所述接收端4的兩環(huán)形部分401的直徑L2;所述供電裝置包括依次電連接的高頻交流電源1、與所述發(fā)射端3電連接的第一調(diào)諧電路2;所述輸電裝置包括依次電連接的與所述接收端4電連接的第二調(diào)諧電路5、整流穩(wěn)壓電路6和負(fù)載7。
[0022]所述發(fā)射端3的兩環(huán)形部分301的直徑LI也可以等于所述接收端4的環(huán)形部分401的直徑L2;或者發(fā)射端3的兩環(huán)形部分301的直徑LI小于接收端4的兩環(huán)形部分401的直徑L2，如圖4所示，這種情況下，只需將發(fā)射端3兩環(huán)形部分301之間的連接部分302在徑向上的尺寸增加至不干涉接收端4轉(zhuǎn)動的長度即可。
[0023]所述接收端4的兩環(huán)形部分401也可與發(fā)射端3的兩環(huán)形部分301位于同一平面或位于發(fā)射端3的兩環(huán)形部分301之外。
[0024]以發(fā)射端3為例，所述雙環(huán)式天線的環(huán)形部分301可為開口單環(huán)結(jié)構(gòu)(參見圖3)，環(huán)形部分301也可由若干匝螺旋線圈形成的多環(huán)結(jié)構(gòu)，該環(huán)形部分301的兩端分別為外接端口303，兩環(huán)形部分301同軸同軸安裝;兩個外接端口 303通過外部導(dǎo)線與供電裝置的電路相連接(參見圖5)。
[0025]當(dāng)高頻交流電流經(jīng)發(fā)射端3時(shí)，在發(fā)射端3周圍激發(fā)高頻交變磁場，將電能轉(zhuǎn)化為磁場能。該磁場沿轉(zhuǎn)軸8周向均勻分布，保證了能量傳輸?shù)姆€(wěn)定。接收端4與輸電裝置的第二調(diào)諧電路5構(gòu)成接收回路，通過第二調(diào)諧電路5的電容值，使得接收回路的諧振頻率與高頻交流電的頻率一致，此時(shí)接收回路發(fā)生諧振。因此，發(fā)射回路和接收回路在高頻交流電的頻率下發(fā)生磁耦合諧振，接收端將磁場能轉(zhuǎn)化為電能，并輸入整流穩(wěn)壓電路中，從而實(shí)現(xiàn)了無線電能傳輸。整流穩(wěn)壓電路6將接收端4輸出的高頻交流電進(jìn)行整流、穩(wěn)壓處理，轉(zhuǎn)化為直流電供負(fù)載7使用。
[0026]發(fā)射端/接收端的原理分析:
當(dāng)電流流經(jīng)發(fā)射端3時(shí)，其兩側(cè)環(huán)形部分的電流流向相反，并分別激發(fā)磁場，如圖6所示。由圖可知，兩側(cè)環(huán)形部分的電流激發(fā)的磁場在徑向相互增強(qiáng)，在軸向相互抵消。忽略發(fā)射端3中間的連接部分，由于兩側(cè)環(huán)形部分的電流大小處處相等，因此其激發(fā)的磁場在圓周上均勻分布。接收端4與發(fā)射端3相配合，有效避免了轉(zhuǎn)軸對磁場的遮擋，且由于雙環(huán)式環(huán)形部分的對稱性，發(fā)射端3與接收端4間的磁耦合狀態(tài)不受轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的影響，從而保證了能量傳輸?shù)某掷m(xù)穩(wěn)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€，其特征是采用雙環(huán)式天線，包括兩個同軸平行且在正常工作時(shí)繞軸電流方向相反的環(huán)形部分和兩環(huán)形部分之間的連接部分。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€，其特征是所述雙環(huán)式天線的環(huán)形部分為開口單環(huán)結(jié)構(gòu)或?yàn)橛扇舾稍崖菪€圈形成的多環(huán)結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于旋轉(zhuǎn)部件無線電能傳輸?shù)奶炀€，其特征是所述兩個環(huán)形部分大小相同。4.一種采用如權(quán)利要求1至3所述任一天線的用于旋轉(zhuǎn)部件的無線電能傳輸裝置，其特征是包括采用所述雙環(huán)式天線通過磁共振方式無線傳輸電能的基座部分和安裝在轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)部分;所述基座部分包括供電裝置和與供電裝置電連接的作為發(fā)射端的雙環(huán)式天線，所述旋轉(zhuǎn)部分包括相對所述發(fā)射端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的作為接收端的雙環(huán)式天線和與所述接收端電連接的輸電裝置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于旋轉(zhuǎn)部件的無線電能傳輸裝置，其特征是所述發(fā)射端與所述轉(zhuǎn)軸同軸安裝，所述接收端安裝在所述轉(zhuǎn)軸上與發(fā)射端在徑向上相對應(yīng)。
【文檔編號】H02J50/12GK105896746SQ201610508658
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年7月2日
【發(fā)明人】陳綏毓, 楊擁民, 駱彥廷, 程名
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)