飞行器轮胎压力传感器谐振环链路的制作方法

相关申请的引用

本申请要求2014年8月26日提交的非临时申请no.14/469,087的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术：

本发明一般涉及车辆轮胎压力控制系统，更具体地涉及用于从与轮毂(wheelhub)相关联的控制单元向飞行器轮胎压力传感器传输电力并在飞行器轮胎压力传感器和控制单元之间传输数据的系统。本发明更具体地涉及轮辋(wheelrim)上的轮胎压力传感器和轮毂轴变压器之间的、用于与特别是飞行器用的控制电子设备通信的通信链路。

在飞机中，用轮辋上的轮胎压力传感器测量各轮胎的压力，并且在驾驶舱中显示轮胎压力传感器信息是有用的。需要将来自轮辋上的轮胎压力传感器的该信息传递到轮毂轴变压器，从轮毂轴变压器传送到位于加压机舱内的飞行器的电子设备舱(electronicsbay)中的电接口电路，其通常离轮胎压力传感器多达约250英尺，然后从电子设备舱到驾驶舱。

一个已知的轮胎压力系统使用一对变压器线圈来在轮轴中的初级线圈和次级线圈之间通信。这些变压器是同轴的并且彼此面对。连接到变压器对的次级的一定长度的线直接与位于轮辋的周缘的轮胎压力传感器连接。用于增强rfid无线通信系统中的磁耦合的另一已知装置包括第一天线线圈和第二天线线圈，第一天线线圈和第二天线线圈通过闭合环路中的电连接器连接在一起并形成于柔性基板，该柔性基板难过围绕磁通阻挡器折叠以避免来自磁通阻挡器的磁干扰。

然而，期望在不使用可能是不可靠的且在严酷的飞机轮环境中容易被损坏的电连接的情况下，在飞机轮毂和位于距离轮毂多达九英寸的轮辋的轮胎压力传感器之间提供通信。因此，期望提供一种在飞机轮毂和位于轮辋的轮胎压力传感器之间的非接触式通信方法，其不需要电连接或一定长度的线来在轮毂与轮胎压力传感器之间通信。

还已知磁耦合天线范围扩展器(magneticallycoupledantennarangeextender)，其被构造为从距rf天线或电子设备0.5厘米至5厘米处插入rf天线和电子设备之间，用于扩展rf天线和电子设备之间的通信的操作范围。天线范围扩展器包括无源串联调谐谐振电路(passiveseriestunedresonatecircuit)，其必须被调谐以基本上在由rf天线辐射的rf信号的频率下谐振。无源串联调谐谐振电路可以由电导体的开环线圈形成，其中电容器串联连接并且完成电路。然而，已经发现，在这种环路中会通过杂散磁通引发电动势，杂散磁通能够产生可能干扰所期望的被传导信号的电流。

还已知一种用于提高射频系统的传输效率的无源射频传输装置，其包括发射天线、接收天线以及位于发射天线和接收天线之间的一个或多个无源谐振电路。

因此，仍然需要降低链接两个线圈的设备的成本，并且降低以避免产生信号干扰的方式链接磁场的设备的复杂性、降低不可靠的电连接的使用和降低在严酷的飞机轮环境中容易损坏的电连接的使用。

期望提供这样的系统，该系统使如下的直接电连接的使用或如下的电线的长度最小化：其用于从位于距离轮最远250英尺处的电接口电路卡使轮胎压力传感器信息在轮毂线圈与轮辋的边缘处的轮胎压力传感器之间通信。期望这种系统需要不超过一匝的圈的冲压金属板以使足够的磁通与电力耦合并与轮胎压力传感器接收线圈通信。期望这种系统在具有轴变压器线圈对的同轴布置以避免来自飞机轴和轮振动的干扰的情况下基本上是对称的。还期望这样的系统允许敏感的电接口电路卡以具有远离飞机轴和轮振动的足够距离的方式布置在飞行器电子设备舱的良性环境中，例如，典型地布置在加压和温度受控制的机舱内。

期望这种系统通过使轮胎压力传感器和轮轴线圈耦合的磁场提供通信和电力传递。期望这种系统是需要用于谐振调谐电容器的单电容值的谐振链路，以允许这样的系统在高达250英尺的飞机电缆布线中工作，使得电接口卡能够适应任何飞机尺寸或轮构造。本发明满足这些和其他需要。

技术实现要素：

简而言之，本发明提供了一种用于使轮轴电磁适配变压器初级线圈和轮胎压力传感器接收线圈之间的磁场电磁耦合的飞行器谐振环链路组件(aircraftresonantlooplinkassembly)，其不使用不可靠的电连接并且不使用在严酷的飞机轮环境中容易损坏的电线。

因此，本发明提供了一种用于使轮轴电磁适配变压器初级线圈和与轮轴电磁适配变压器初级线圈间隔开的轮胎压力传感器接收线圈之间的磁场电磁耦合用于对轮胎压力传感器供电的飞行器谐振环链路组件。飞行器谐振环链路组件包括：第一导电连接臂；第二导电连接臂，其与第一导电连接臂间隔开；电连接到第一导电连接臂的第一端和第二导电连接臂的第一端的单导电初级环。在目前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂是平行的。在另一个当前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂由小间隙间隔开。在另一个当前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂是刚性的。在另一个目前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂均由多个台阶部形成。在另一个当前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂由金属形成，并且优选地由诸如铝或钛等的具有低磁导率的金属形成。

在另一个当前优选的方面中，单导电初级环被构造成与次级轮胎压力传感器线圈相邻地安装。飞行器谐振环链路组件还包括电路，其中，该电路包括至少一个谐振调谐电容器和次级线圈，该次级线圈包括电连接到第一导电连接臂的第二端和第二导电连接臂的第二端的至少一个导电环。第一导电连接臂的第二端和第二导电连接臂的第二端与电路串联连接，次级线圈优选地被构造为与轮轴电磁适配变压器初级线圈相邻地安装。在另一个当前优选的方面中，次级线圈的所述至少一个导电环可以由例如两个导电环或三个导电环路形成，并且次级线圈的所述至少一个导电环可以由金属形成。

在另一个当前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂电连接在单导电初级环和次级线圈之间。在另一个当前优选的方面中，第一导电连接臂和第二导电连接臂被构造为传送从轮轴电磁适配变压器初级线圈到次级线圈在次级线圈中产生的电流，并且第一导电连接臂和第二导电连接臂被构造为在从轮轴电磁适配变压器初级线圈到次级线圈的预定距离上将感应的电流传送到初级环中以便在轮胎压力传感器接收线圈中产生用于为轮胎压力传感器供电的通量。

在另一个当前优选的方面中，导电初级环由金属形成。在另一个当前优选的方面中，导电初级环和次级轮胎压力传感器线圈形成轮胎压力传感器线圈对，并且轮胎压力传感器线圈对优选地包括布置在导电初级环和次级轮胎压力传感器线圈之间的变压器芯。在另一个当前优选的方面中，变压器芯由导磁性的材料形成。

在另一个当前优选的方面中，次级线圈的所述至少一个导电环和轮轴电磁适配变压器初级线圈一起形成谐振线圈对，并且谐振线圈对与控制电子设备单元电连接。在另一个当前优选的方面中，在谐振线圈对中，在次级线圈的所述至少一个导电环和轮轴电磁适配变压器初级线圈之间布置变压器芯。布置在谐振线圈对中的变压器芯优选地由导磁性的材料形成。

通过下面的详细描述和通过示例的方式示出了本发明的特征的附图，本发明的这些和其它的方面及优点将变得明显。

附图说明

图1是高导磁的多层层叠的金属通量链路(fluxlink)的立体图。

图2a示出了说明图1的通量链路安装在飞行器轮中、将轮毂电磁连接到轮胎压力传感器的局部视图。

图2b示出了说明图1的通量链路安装在另一个飞行器轮中、将轮毂电磁连接到轮胎压力传感器的局部视图。

图3是本文所述的飞行器轮胎压力环链路的立体图。

图4是示出图3的飞行器轮胎压力环链路安装在飞行器轮中、将轮毂电磁连接到轮胎压力传感器的立体图。

图5是类似于图4的另一立体图，其示出了图3的飞行器轮胎压力环链路安装在飞行器轮中、将轮毂电磁连接到轮胎压力传感器。

图6是类似于图4的另一立体图，其示出了图3的飞行器轮胎压力环链路安装在飞行器轮中、将轮毂电磁连接到轮胎压力传感器。

图7是图3的飞行器轮胎压力环链路的前方立体图。

图8是安装在飞行器轮中的图3的飞行器轮胎压力环链路的功能示意图，示出了飞行器轮胎压力环链路的操作原理。

图9是根据本发明的飞行器谐振环链路组件的功能示意图。

图10是图9的飞行器谐振环链路组件的包括第一导电连接臂和第二导电连接臂的刚性环链路的上方立体图。

图11是图9的飞行器谐振环链路组件的一部分的立体图。

图12是图9的飞行器谐振环链路组件的一部分的上方立体图。

图13是图9的飞行器谐振环链路组件的变型的截面图。

图14是图13的飞行器谐振环链路组件的立体图。

具体实施方式

虽然初级变压器线圈和次级变压器线圈已经用于在轮胎传感器和轮轴之间的通信以通过轮轴传送轮胎压力信息，其中用一定长度的线将次级线圈与轮胎压力传感器直接连接，但是这已经被证明在飞机轮毂与位于需要远离轮毂多达九英寸的轮辋的轮胎压力传感器之间进行的通信方面是不可靠的，特别是因为电连接可能是不可靠的并且在严酷的飞机轮环境中容易被损坏。

开发了一种轮胎压力监测系统，其中位于轮毂中的电子设备单元使用磁场与靠近轮辋的轮胎压力传感器通信。以轮轴为中心并位于轮毂的线圈产生磁场。该磁场能够使用一定长度的薄且高导磁的多层层叠金属结构耦合到轮胎压力传感器接收线圈，以将通量从轮毂线圈的边缘耦合到轮胎压力传感器的接收线圈所处的轮辋周缘外围。能够通过该耦合两个线圈的磁场将信息传递到轮胎压力传感器和从轮胎压力传感器传递信息。然而，金属通量链路的高磁导率使得总通量的一部分耦合到材料的长度之外并进入轮胎压力传感器线圈。单独使用该磁场不能进行通信，因为磁场强度不足以使轮胎压力传感器上电(powerup)。

增加磁场强度的一种方法是在轮毂线圈的边缘和轮胎压力传感器线圈之间插入磁场耦合器件。增强耦合磁场的一种途径是用高导磁的磁性金属条收集通量。该条能够被称为通量链路，如图1所示。图2a中示出了安装在messier-bugatti飞机轮中的通量链路的图，图2b中示出了安装在goodrich飞机轮中的通量链路的图。导磁的磁性金属条将通量链路下方大约四英寸处的通量耦合到轮胎压力传感器主体。轮胎压力传感器的导磁主体还耦合穿过轮胎压力传感器接收线圈的通量。由于操作频率高(135khz)，所以导磁的金属物体必须是许多非常薄(0.004英寸)的磁性材料的层，以将由涡流引起的损耗保持为低。该设计的一个实施例需要薄且高导磁的磁性材料的10个绝缘层。为了提供足够的磁场强度以允许通过这种磁场耦合将信息传递到轮胎压力传感器和从轮胎压力传感器传递信息，使用这种薄且高导磁的磁性材料的这种大量的层导致高复杂性和高成本。

通过薄且高导磁的多层层叠金属结构磁性地传递轮毂磁场用的轮胎压力监测系统典型地在轮轴线圈和轮胎压力传感器线圈之间的距离上仅耦合一部分磁通量，并且典型地因为可用的磁场强度低而不能够强到足以为了来自轮胎传感器的信息的通信目的而对轮胎压力传感器充分上电；并且，利用如下高导磁的磁性金属通量链路的类似系统导致高的复杂性和生产成本：该高导磁的磁性金属通量链路使用了许多层薄且高导磁的磁性材料。

因此，在一个实施方式中，本发明提供了用于在轮毂线圈和轮胎压力传感器线圈之间耦合磁场的改善了的方法和系统，其在不使用不可靠的电连接和在严酷的飞机轮环境中容易损坏的电线的情况下，降低了链接两个线圈的设备的成本，并且降低了链接磁场的该设备的复杂性。在图3至图8中示出了本发明的飞行器轮胎压力环链路的示例。

本发明的优点在于，它不使用一对电线来将轴轮线圈与轮胎压力传感器接收线圈电连接。本发明的飞行器轮胎压力环链路10典型地形成为：刚性的第一或初级单金属环12；刚性的一对间隔开的导电连接臂14，其典型地包括平行间隔开的金属轴15、16；和刚性的第二或次级单金属环18。平行间隔开的金属轴优选地通过小间隙贴近地间隔开，以使它们的环面积最小化。该对间隔开的导电连接臂刚性地电连接在第一或初级单金属环和第二或次级单金属环之间。如图3所示，一对间隔开的导电连接臂的轴15刚性地电连接在第一或初级单金属环12的第一部分21与第二或次级单金属环18的第一部分23之间，并且轴16刚性地电连接在第一或初级单金属环12的第二部分25和第二或次级单金属环18的第二部分27之间。第一或初级单金属环被构造为与轮轴22的图8所示的电磁收发器驱动线圈20相邻地安装，并且第二单金属环被构造为与轮胎压力传感器收发线圈24相邻地安装。在第一或初级单金属环中感应的电流行进经过从轮轴收发器驱动线圈的边缘26到轮辋30的周缘28的距离到达第二单金属环，第二单金属环在轮胎压力传感器接收线圈中产生使轮胎压力传感器上电所必需的通量。

本发明的飞行器轮胎压力环链路例如可以由各种金属材料制成，诸如容易获得的包括铝或钛等的低导磁性的金属，并且不需要为了在所需的距离上耦合通量而使用高导磁性的金属。一对间隔开的导电连接臂在不损失轮轴电磁收发器驱动线圈和轮胎压力传感器收发线圈之间的耦合增强的情况下可以由任何期望的长度制成。通量链入一圈的金属环中，在环中感应的电流行进从轮轴线圈的边缘到轮辋的周缘的距离，其中第二单金属环在轮胎压力传感器接收线圈中产生通量。本发明的飞行器轮胎压力环链路有利地在轮轴电磁收发器驱动线圈和轮胎压力传感器收发线圈之间提供了低阻抗电磁信号路径连接，使得在环链路的一对连接臂上不需要电绝缘。此外，本发明的飞行器轮胎压力环链路有利地在轮轴电磁收发器驱动线圈和轮胎压力传感器收发线圈之间提供了低电压电磁信号路径连接，使得环链路不是电场辐射源并且对电场干扰不敏感。本发明的飞行器轮胎压力环链路还有利地可以典型地是固有刚性的自支撑结构部件，不需要任何额外的支撑手段。

图7示出了本发明的环链路的图。附图标记40是铝铆钉。附图标记42表示高导磁的磁通量收集器插入构件，其典型地例如通过铝铆钉电连接安装到第一或初级单金属环。附图标记44是弯曲成形的一块铝金属板。磁通量收集器插入构件42提供了收集来自轮轴电磁收发器驱动线圈的冲击磁通量、然后集中并引导该磁通量穿过由上方的第一或初级单金属环12包围的截面区域的中心部分的区域46的手段。这通过允许来自轮轴电磁收发器驱动线圈的通量的较大部分通过第一或初级单金属环而大幅度增强了本发明的环链路的耦合效率，如同使得第一或初级单金属环在物理上变大很多。磁通量收集器插入构件42典型地由高导磁的磁性金属形成，诸如以商标hymu-80销售的镍-铁-钼合金或者以商标permalloy销售的镍-铁磁性合金等。

图8示出了本发明的环链路的功能示意图。通过交流电流ic典型地以具有任何期望的rfid频带的频率激励电磁收发器驱动线圈20。电流ic示出为从纸面流出。产生围绕电磁收发器驱动线圈20的磁场，并且由通量线48示出。该磁场48中的一些由磁通收集器插入构件42的高导磁的磁性金属耦合，并且被示为通量线50、52和54。如图7所示，通量通过上方的第一或初级环12的截面区域46耦合。该正弦通量在铝制的一对间隔开的导电连接臂14中感应出电流(il)，其中，该对导电连接臂由附图标记为15和16的平行间隔开的第一金属轴和第二金属轴形成。电流il从一对间隔开的导电连接臂14向下流到较小且较低的第二或次级单金属环18，并且经由一对间隔开的导电连接臂14回到较大且较高的第一或初级单金属环12。在较小且较低的第二或次级单金属环18中，正弦电流产生了示出为通量线56的磁场，该磁场激励位于该场中的轮胎压力传感器24。

涉及的物理现象由安培电路定律决定。任何封闭路径周围的磁场强度的循环等于流过由路径界定的表面的自由电流。闭合路径是由平行间隔开的铝的金属轴15、16形成的一对间隔开的导电连接臂14。如果磁场被引导通过由较大的上方第一或初级单金属环12包围的截面区域，则在较大的上方第一或初级单金属环12中感应出电流。通过沿着导磁的磁性金属(附图标记42)的表面进行耦合，将通量引导通过环区域。磁场可以在不使用导磁的金属的情况下直接耦合到环的截面区域。然而，导磁的磁性金属增大了能够链入上方的环截面区域中的通量的量。如通量线58所示，耦合的通量在导磁的磁性金属的表面上行进并且存在于上方的环的底部。

在上方的环中，安培电路定律适用于通过环区域耦合的电流il和磁场(参见图7，区域46)。磁场穿过区域46并且在包围区域46的上方的第一或初级单金属环12中感应出通过以下等式表达的电流：

如图7和图8所示，磁场h是垂直于截面区域46的场。该磁场的积分必须用数值计算，因为h场在环绕电流环il的闭合路径上不是恒定的。示出该等式以给出环链路的一般操作理论。该等式示出了在铝制的一对间隔开的导电连接臂14环绕的截面区域中的磁场链路在该对间隔开的导电连接臂14中产生电流il。

在轮胎压力传感器和轮毂线圈之间不需要电连接。因此，这使用了更可靠的方法与轮胎压力传感器通信。该设计的简单性使其更易于生产。该设计也降低了成本。通过使用较厚的金属板还能够使该设计坚固，使得其能够经受飞机轮中的严酷环境。因为耦合装置不接触轮毂线圈，所以该设计是非接触式的。

在华盛顿州林伍德市，在起重机航天和电子实验室(craneaerospace&electronicslaboratory)中的耦合在83-202-01轮胎压力传感器和轴远程数据集中器(axleremotedataconcentrator)142-12922之间的787主轮辋半部上成功地展示了环链路。

参考图9至图14，在另一个当前优选的实施方式中，本发明提供了一种谐振环链路组件110，如图9和10所示，谐振环链路组件110包括刚性的环链路112，环链路112具有刚性的一对间隔开的导电连接臂或轴114，该一对间隔开的导电连接臂或轴114包括平行间隔开的金属臂或轴116、118。如下文将进一步解释的，第一臂或轴典型地由多个台阶部或分段116a、b、c、d、e形成，第二臂或轴同样典型地由相应的多个台阶部或分段118a、b、c、d、e形成。平行间隔开的金属臂或轴优选通过小间隙120分隔而贴近地间隔开。第一臂或轴包括第一端122和第二端124，第二臂或轴包括第一端126和第二端128。第一轴的第一端和第二轴的第一端优选地延伸以形成并电连接到单初级金属环130(典型地为单匝的圈或环)，单初级金属环130可以例如由金属板冲压而成，并且如图12所示典型地保持在支架132中。

再次参考图9，单初级金属环优选地构造成与次级轮胎压力传感器线圈134相邻且贴近地安装，次级轮胎压力传感器线圈134通过例如电线或电缆等的电连接器138电连接到轮胎压力传感器136。变压器芯140优选地布置在单初级金属环和次级轮胎压力传感器线圈之间，并且优选地由增大单初级金属环和次级轮胎压力传感器线圈之间的耦合系数的导磁材料形成，还优选地与单初级金属环和次级轮胎压力传感器线圈同轴。

第一臂或轴的第二端和第二臂或轴的第二端优选地与包括至少一个串联谐振调谐电容器144和轮毂盖次级线圈146的调谐谐振电路142电连接，并且优选地构造成与轮一起旋转，其中，轮毂盖次级线圈146优选地由一匝、两匝或三匝的圈或环形成。虽然为了制造的目的，目前优选的是形成具有一匝的圈或环的轮毂盖次级线圈，但是已经发现，当轮毂盖次级线圈设置有两匝的圈或环时，产生轮胎压力传感器的最佳上电性能(bestpower-upferformance)。

轮毂盖次级线圈的一匝或多匝的圈或环优选地布置成与轴适配变压器初级线圈148相邻地设置，并且轮毂盖次级线圈和轴适配变压器初级线圈一起以在轮毂盖次级线圈和轴适配变压器初级线圈之间具有径向间隙152的方式形成同轴谐振线圈对150。谐振线圈对的轴适配变压器初级线圈优选地被构造为例如通过电缆156与控制电子设备单元154电连接，控制电子设备单元154典型地位于远达250英尺的飞行器的电子设备舱中，电缆156例如可以是同轴或双绞线电缆。同轴谐振线圈对优选地包括布置在轮毂盖次级线圈和轴适配变压器初级线圈之间的径向间隙中的由导磁性的材料形成的变压器芯158。变压器芯优选地也与轮毂盖次级线圈和轴适配变压器初级线圈同轴，并且变压器芯运行以将磁通聚焦在轮毂盖次级线圈和轴适配变压器初级线圈之间，从而增大轮毂盖次级线圈和轴适配变压器初级线圈之间的耦合系数。

参考图10至图11，间隔开的第一导电连接臂或轴和第二导电连接臂或轴的第二端优选地包括连接器插座160a、160b，连接器插座160a、160b刚性地电连接到连接器销162a、162b，连接器销162a、162b电连接到调谐谐振电路和轮毂盖次级线圈，使得该对间隔开的导电连接臂或轴刚性地电连接在单初级金属环和连接到轮毂盖次级线圈的调谐谐振电路之间。

参见图11至图14，轮毂盖164包括：用于螺栓168的安装孔166，用于将轮毂盖紧固到轮轴罩170；和内部连接器印刷线路板、安装板或环172，其包括具有一个或多个例如能够并联堆叠的串联谐振调谐电容器的调谐谐振电路。如图11至图13所示，平行间隔开的金属臂或轴的多个台阶部或分段允许平行间隔开的金属臂或轴在轮毂盖和轮轴罩内延伸，以刚性地电连接到连接器销，该连接器销电连接到调谐谐振电路和轮毂盖次级线圈。如图13和14所示，轮毂盖次级线圈的一匝或多匝的圈或环优选地安装到保护线圈安装轴、漏斗或喷嘴174，其沿着轮轴的方向连接到轮毂盖并从轮毂盖延伸，并且轮毂盖次级线圈的一匝或多匝的圈或环优选地通过调谐谐振电路的沿着保护线圈安装轴、漏斗或喷嘴延伸的配线连接到调谐谐振电路的其它部件。

从前面的说明中可以清楚的是，虽然已经示出并说明了本发明的特定形式，但在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变型。因此，除了所附权利要求之外，并不意图限制本发明。