一种基于磁场耦合的旋转通信装置的制作方法

本发明涉及一种基于磁场耦合的旋转通信装置，属于无线通信领域。

背景技术：

高速旋转机构固定端与旋转端之间的数据传递，受限于结构形式和数据高频特征，无法采用导线连接或通过机械滑环接触来完成信号传输，需要采用较高频宽无线传输方式。

耦合通信基于电感耦合方式，天线采用封闭式环形线圈，交变电流经过发送线圈产生交变磁场，接收线圈响应磁场变化并产生交变电压输出，从而建立通信链路，进行数据传输。在工业、医疗、军事应用领域，如机器人探测装置随承载平台的旋转、雷达扫描机构的下传通信链路等，需要传输装置尽量具备小型化、低成本、结构简单等特点，磁场耦合这种方式更具优势。

在耦合的过程中，接收线圈利用的是发送线圈产生的未辐射出结构的交变磁能，故在二者同心轴放置的时候通信质量表现最好。然而在旋转的过程中，影响同轴度的因素众多，如何保持旋转结构中接收线圈和发送线圈的同轴度，实现近距离通讯是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于磁场耦合的旋转通信装置。该装置结构尺寸小、稳定性好、耦合效率高，解决旋转结构的近场通讯问题。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：一种基于磁场耦合的旋转通信装置，包括：转子轴(1)、定子套筒(3)、前端盖(2)、后端盖(7)、第一轴承，第二轴承，内环线圈(4)，外环线圈(5)；

所述转子轴(1)能够绕其轴线旋转；

所述前端盖(2)通过第一轴承套装在转子轴(1)前端；

所述后端盖(7)通过第二轴承套装在转子轴(1)后端；

所述定子套筒(3)固定在前端盖(2)和后端盖(7)之间；

内环线圈(4)固定在转子轴(1)的中部；外环线圈(5)套设在内环线圈(4)外部，固定在定子套筒(3)上，内环线圈(4)和外环线圈(5)之间的距离为d。

所述转子轴(1)具有用于限位第一轴承第一凸起和用于限位内环线圈(4)的第二凸起，转子轴(1)是一个开有轴向槽的阶梯轴。

还包括轴套(6)，设置在内环线圈(4)和第二轴承之间。

还包括支撑圈(11)和调节螺钉(12)；所述调节螺钉(12)设置在所述外环线圈(5)和定子套筒(3)之间，调节螺钉沿径向依次穿过定子套筒(3)、支撑圈(11)。

还包括紧固件螺钉(9)和沉头螺钉(14)，紧固件螺钉(9)沿轴向将前端盖(2)固定至定子套筒(3)；沉头螺钉(14)沿轴向将后端盖(7)固定至定子套筒(3)。

转子轴(1)一侧具有凹槽，内环线圈(4)通过凹槽将引线引至旋转通信装置外部。

所述定子套筒(3)具有通孔，外环线圈(5)通过所述通孔将引线引至旋转通信装置外部。

内环线圈(4)为漆包线沿铁氧体外圈螺旋缠绕构成，进线口和出线口沿轴向对齐。

外环线圈(5)为将漆包线沿有机玻璃环内圈螺旋缠绕而成，进线口和出线口沿轴向对齐；优选的还包括：内部调节垫圈(10)和外部调节垫圈(13)，内部调节垫圈(10)位于转子轴(1)和轴承(8-1)之间，外部调节垫圈(13)位于定子套筒(3)与后端盖(7)之间；内部调节垫圈(10)和外部调节垫圈(13)能够调整内环线圈(4)和外环线圈(5)的轴向对中。

一种基于磁场耦合的旋转通信装置，包括：转子轴(16)、定子套筒(15)、前端盖(2-1)、后端盖(7-1)、第一轴承(8-3)，第二轴承(8-2)，第一内环线圈(4-1)，第一外环线圈(5-1)，第二内环线圈(4-2)，第二外环线圈(5-2)和屏蔽环(18)；

所述转子轴(16)能够绕其轴线旋转；

所述前端盖(2-1)通过第一轴承套装在转子轴(16)前端；

所述后端盖(7-1)通过第二轴承套装在转子轴(16)后端；

所述定子套筒(15)固定在前端盖(2-1)和后端盖(7-1)之间；

第一内环线圈(4-1)固定在转子轴(1)上，位于第一轴承(8-3)后部；第一外环线圈(5-1)套设在第一内环线圈(4-1)外部，通过定子套筒(15)固定，第一内环线圈(4-1)和第一外环线圈(5-1)之间的距离为d₁；

第二内环线圈(4-2)固定在转子轴(1)上，位于第二轴承(8-2)前部；第二外环线圈(5-2)套设在第二内环线圈(4-2)外部，通过定子套筒(15)固定，第二内环线圈(4-2)和第二外环线圈(5-2)之间的距离为d₂；

所述转子轴(16)中部套设有屏蔽环(18)，用于屏蔽磁场干扰。

d₁和d₂需同时满足0.5±0.02mm；所述内环线圈4-1和外环线圈5-1的间隙为d₁，内环线圈4-1和外环线圈5-1的轴向偏移为L₁，所述内环线圈4-2和外环线圈5-2的间隙为d₂，内环线圈4-2和外环线圈5-2的轴向偏移为L₂；L₁和L₂需同时满足0±0.05mm，由满足尺寸要求的内环线圈(4)和外环线圈(5)组成旋转通信线圈组件。

所述旋转通信装置的外径大于等于Φ15mm，长度大于等于10mm。

所述转子轴(1)中部具有第一凸起，第一内环线圈(4-1)抵靠在第一凸起的前端，第二内环线圈(4-2)抵靠在第一凸起的后端，所述屏蔽环(18)套设在第一凸起上。

还包括第一轴套(6-1)，设置在第一内环线圈(4-1)和第一轴承(8-3)之间；第二轴套(6-2)，设置在第二内环线圈(4-2)和第二轴承(8-2)之间。

还包括第一支撑圈(11-1)和第一调节螺钉(12-1)，第二支撑圈(11-2)和第一调节螺钉(12-2)；所述第一支撑圈(11-1)套设在第一外环线圈(5-1)和定子套筒(15)之间，所述第一调节螺钉(12-1)沿径向依次穿过定子套筒(15)和第一支撑圈(11-1)，抵靠在第一外环线圈(5-1)的外圈；第二支撑圈(11-2)套设在第二外环线圈(5-2)和定子套筒(15)之间，所述第二调节螺钉(12-2)沿径向依次穿过定子套筒(15)和第二支撑圈(11-2)，抵靠在第二外环线圈(5-2)的外圈。

还包括设置在第二轴承(8-2)和第二轴套(6-1)之间的第一调整垫片(10-1)以及设置在第一轴承(8-3)和第二轴套(6-2)之间的第二调整垫片(10-2)。

紧固件螺钉(9-1)沿轴向将前端盖(2-1)固定至定子套筒(15)；沉头螺钉(14-1)沿轴向将后端盖(7-1)固定至定子套筒(15)。

转子轴(16)一侧具有凹槽，第一内环线圈(4-1)和第二内环线圈(4-2)通过凹槽将引线引至旋转通信装置外部。

所述定子套筒(15)具有通孔，第一外环线圈(5-1)和第二外环线圈(5-2)通过所述通孔将引线引至旋转通信装置外部。

内环线圈(4-1)与内环线圈(4-2)出线口成180°

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的结构简单、易于装调，结构小巧，最大外径为Φ20mm，长20mm，最小外径Φ15mm，长10mm，尤其适用于空间受限的旋转体信号传输。

(2)本发明采用双轴承固定，同轴度好，动态性能稳定，在多组磁场耦合线圈的装调中，同轴度能同时满足要求。

(3)本发明的结构相比于光耦通信装置造价低50％，造价与划环通信装置相当，且解决划环通信轴向干扰力过大的问题。

(4)本发明的结构适用范围广，适用于各种频段信号的通讯，对于低速、高速相对旋转运动的通讯均适用。

(5)本发明的扩展性好，对于双路通讯或多路通讯，可以扩展多组线圈，满足多种通讯需求。

附图说明

图1为本发明磁耦合旋转通信装置示意图；

图2为本发明通信线圈组件示意图；

图3为本发明内环线圈绕线示意图；

图4为本发明外环线圈绕线示意图；

图5为本发明旋转通信装置装调方法；

图6为本发明双通道旋转通信装置示意图；

图7为本发明双通道旋转通信装置引线示意图，其中图7(a)为本发明双通道旋转通信装置转自引线示意图，图7(b)为本发明双通道旋转通信装置定子引线示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提出一种基于磁场耦合的旋转通信装置，该装置包括定子、转子、旋转通信线圈组件、轴承及调节通信质量的调节螺钉和调整垫圈；旋转通信线圈组件包括内环线圈和外环线圈，内环线圈由漆包线旋转缠绕于圆柱型铁氧体外圈组成，外环线圈由漆包线螺旋缠绕于航空有机玻璃环内圈组成；内环线圈固定在转子上，外环线圈固定在定子上，双轴承保证内环线圈与外环线圈基本同轴，通过装在定子上的调节螺钉调节内、外环线圈的径向同轴，通过装在转子上的调整垫圈调节内、外环线圈的轴向对中；信号从内环线圈输入、外环线圈输出，或者从外环线圈输入、内环线圈输出。本发明具有结构尺寸小、成本低、装调容易等优点，能很好地实现近距离的数据传输。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于磁场耦合的旋转通信装置作进一步阐述。

如图1所示，旋转通信装置包括：组成旋转体的转子轴1、定子套筒3、前端盖2、后端盖7、轴承8(包括：第一轴承，第二轴承)，旋转通信线圈组件，调节通信质量的调节螺钉12、内部调节垫圈10和外部调节垫圈13，为方便通信线圈引出线设计的轴套6、外环支撑圈11，及紧固件盘头螺钉9和沉头螺钉14。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于磁场耦合的旋转通信装置作进一步阐述。

如图1所示，旋转通信装置包括：组成旋转体的转子轴1、定子套筒3、前端盖2、后端盖7、轴承8，旋转通信线圈组件，调节通信质量的调节螺钉12、内部调节垫圈10和外部调节垫圈13，为方便通信线圈引出线设计的轴套6、外环支撑圈11，及紧固件盘头螺钉9和沉头螺钉14。如图2所示，旋转通信线圈组件包括：内环线圈4和外环线圈5。

旋转通信装置的定子套筒3通过前端盖2、轴承8-1和后端盖7、轴承8将转子轴1固定在其中轴线上，定子套筒3与后端盖7之间安置有调节垫圈13，转子轴1是一个开有轴向走线槽的阶梯轴，小阶梯支撑轴承8-1，中间安置有调整垫圈10，大阶梯支撑内环线圈4，内环线圈4和轴承8之间安置带有径向走线槽的阶梯轴套6，内环线圈4的导线通过轴套6的走线槽穿过转子轴1的走线槽引到旋转通信装置外，定子套筒3通过四颗调节螺钉12将外环支撑圈11和外环线圈5固定在中心位置，调节螺钉12是一个大径带螺纹小径定位的阶梯螺钉，定子套筒3中心位置圆周均布四个螺钉孔，与螺钉孔成45°圆周均布四个走线孔，外环支撑圈11与定子套筒3螺钉孔相对应的位置开有四个定位孔、与定子套筒3走线孔相对应的位置开有四个走线槽，外环线圈5压接在外环支撑圈11内，外环线圈5的导线通过外环支撑圈11任意走线槽穿过定子套筒3相对应的走线孔引到旋转通信装置外；内环线圈4随转子轴1相对与随定子套筒3固定的外环线圈5旋转，通过交变磁场实现信号传输。

如图3所示，内环线圈4是将漆包线沿铁氧体外圈螺旋缠绕。铁氧体型号选择为GTO16，环外径5～8mm，内径3～5mm，高度5mm，绕线方式如下：

(1)使用0.1～0.5mm粗漆包线，共绕7～12圈，线圈紧密排列；

(2)进线口和出线口在圆上的任意位置，但必须二者在同一轴向母线上；

(3)线头引出长度120±10mm；

(4)绕线区、出线、进线均浸清漆，防止短路。

如图4所示，外环线圈5是将漆包线沿有机玻璃环内圈螺旋缠绕而成，环内径5.5～12mm，绕线方式如下：

(1)使用0.1～0.5mm粗漆包线，共绕7～12圈，线圈紧密排列；

(2)进线口和出线口在圆上的任意一个槽位置，但二者必须在同一轴向母线上；

(3)线头引出长度120±10mm；

(4)绕线区、出线、进线均浸清漆，防止短路。

内环线圈(4)为漆包线沿铁氧体外圈螺旋缠绕构成，进线口和出线口沿轴向对齐；外环线圈(5)为将漆包线沿有机玻璃环内圈螺旋缠绕而成，进线口和出线口沿轴向对齐。

结合实施例1和实施例2分别对单通道和双通道旋转通信装置的装调进行说明。

1、实施例1

如图1所示，单通道旋转通信装置的装调方法如下：

(1)外环线圈5如图4所示缠绕完成后，槽口一侧的漆包线通过槽口绕过有机玻璃环与另一侧漆包线并线，双绞后套上热缩套管保护。外环线圈5通过过度配合压接在外环支撑圈11内，外环支撑圈11通过定子套筒3上的接触端面对外环线圈5进行轴向定位，通过四颗调节螺钉12对外环线圈5进行径向锁紧。外环线圈5装配过程中，将外环线圈引线从定子套筒上的走线孔穿过，拉紧后在走线孔灌胶保护。

(2)内环线圈4如图3所示缠绕完成后，任意一侧的漆包线绕过铁氧体与另一侧漆包线并线，双绞后套上热缩套管保护。将内环线圈4装配到转子轴1上，内环线圈4通过与转子轴1接触端面进行轴向定位。转子轴1上开有凹槽，用于内环线圈4的引出线引出，将内环线圈4引线平整的放置在转子轴1上的走线槽内，在内环线圈4一侧依次安装轴套6、轴承8轴向压紧。内环线圈4引线沿着转子轴1凹槽一直通到旋转通信装置外，在轴承8内圈的挤压下内环线圈4引线固定无移动。

(3)依次装配调整垫圈10、轴承8-1、前端盖2、调整垫圈13、后端盖7，锁紧螺钉9和螺钉14，完成旋转通信装置轴向紧固。

(4)参照图5，对旋转通信装置通信性能进行检测。信号从任意一端输入、另一端有信号输出时，内环线圈4与外环线圈5匹配无问题，结构件装配基本满足磁场耦合要求。旋转转子轴1，输入信号为标准正弦波，输出信号若出现正弦波幅值偏差，通过调节螺钉12调整内环线圈4和外环线圈5的同轴度，使间隙d的值满足0.5±0.02mm要求，以达到信号无误差输出；输出信号若出现正弦波变形、信号质量差，通过增减内部调节垫圈10和外部调节垫圈13调整内环线圈4和外环线圈5的轴向对中，使轴向偏移L的值满足0±0.05mm要求，以达到信号无误差输出。

本发明还有一种优选的基于磁场耦合的旋转通信装置的信号耦合质量调节方法，步骤如下：信号从任意一端输入、另一端有信号输出，固定定子套筒(3)，旋转转子轴(1)；输出信号若出现幅值衰减严重、交变信号不对称，通过调节螺钉(12)调整内环线圈(4)和外环线圈(5)的同轴度，使d值在要求的范围内；输出信号若出现幅值衰减严重、信号顶部偏斜，通过内部调节垫圈(10)和外部调节垫圈(13)调整内环线圈(4)和外环线圈(5)的轴向对中，使L值在要求的范围内。

2、实施例2

双通道磁耦合旋转通信装置在两个旋转通信线圈组件之间安装磁场屏蔽的屏蔽环(18)和固定卡环(17)；内环线圈(4-1)与内环线圈(4-2)出线口成180°放置，通过转子轴(16)走线槽将导线引至旋转通信装置外部；外环线圈(5-1)和外环线圈(5-2)出线口成180°放置，通过定子套筒(15)圆周均布的走线孔将导线引至旋转通信装置外部；旋转通信装置的外径最小可到Φ15mm。单通道旋转通信装置的长度最小可到10mm。

如图6所示，双通道磁耦合旋转通信装置，可实现旋转机构的两端数据双向传输。双通道旋转通信装置较单通道旋转通信装置除了有两组旋转通信线圈组件外，需加长的定子套筒15和转子轴16外，还需在两个旋转通信线圈组件之间安装屏蔽磁场干扰的屏蔽环18和固定卡环17。双通道旋转通信装置的装调方法如下：

(1)将外环线圈5-1通过过度配合压接在外环支撑圈11-1内，从前面装配到定子套筒15的前端，外环支撑圈11-1通过定子套筒15上的接触端面对外环线圈5-1进行轴向定位，通过四颗调节螺钉12-1对外环线圈5-1进行径向锁紧。外环线圈5-1装配过程中，将外环线圈5-1引线从定子套筒15圆周均布的走线孔穿过，拉紧后在走线孔灌胶保护。

(2)在定子套筒15的前端装配前端盖2-1，通过螺钉9-1紧固。

(3)将屏蔽环18从前面装配到转子轴16的中间端面，屏蔽环18通过与转子轴16的接触面进行轴向定位，通过固定卡环17压紧。将内环线圈4-1从前面装配到转子轴16前端，内环线圈4-1通过与转子轴16接触端面进行轴向定位。转子轴16上开有对称的两个凹槽，其中一个用于内环线圈4-1的引出线引出。将内环线圈4-2从后面装配到转子轴16后端，内环线圈4-2通过与转子轴16接触端面进行轴向定位，从转子轴16另外一个凹槽将内环线圈4-2的引出线引出。通过转子轴16上对称开的两个凹槽，实现了内环线圈4和内环线圈4-1成180°放置，如图7(a)所示。

(4)在转子轴16的前端依次装配轴套6-1、调整垫圈10-1、轴承8-3，后端装配轴套6-2。

(5)将装配好的转子轴16安装到定子套筒15上的前端盖2-1上。

(6)将外环线圈5-2通过过度配合压接在外环支撑圈11-2内，从后面装配到定子套筒15后端，外环支撑圈11-2通过定子套筒15上的接触端面对外环线圈5-2进行轴向定位，通过四颗调节螺钉12-2对外环线圈5-2进行径向锁紧。外环线圈5-2装配过程中，将外环线圈5-2引线方向和外环线圈5-1引线方向成180°安放，如图7(b)所示。将外环线圈5-2引线从定子套筒15上的走线孔穿过，拉紧后在走线孔灌胶保护。

(7)依次装配调整垫圈10-2、轴承8-2、后端盖7-1，通过螺钉14-1完成旋转通信装置轴向紧固。

(8)参照实施例1(4)的检测方法分别对双通道旋转通信装置两个旋转通信线圈组件的通信性能进行检测。使间隙d₁和d₂同时满足0.5±0.02mm，轴向偏移为L₁和L₂同时满足0±0.05mm。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。