一种非接触式电滑环的制作方法

本发明属于机电一体化领域，具体的，涉及一种非接触式电滑环，适用于旋转场合的非接触式功率及信号传输。

背景技术：

旋转关节在现代机电系统中十分常见同时也发挥着巨大的作用，如工业机器人、雷达和监控摄像机等。目前，在旋转关节中使用最多的是线缆和滑环，其中：前者限制了旋转关节的自由转动，同时长期的机械扭转也使得线缆容易老化；后者多用电刷导电，存在易磨损，安全运行周期短等缺点。而非接触式功率和信号传输技术使得更安全的旋转关节导电形式成为可能。

早在1996年，美国的Gwyn Roberts团队就在《A Contactless Transfer Device for Power and Data》中提出了一种用于功率及数据传输的非接触式电滑环。至今已有国内外多个团队进行了相关方面的研究。如Konstantinos D.Papastergiou等在《An Airborne Radar Power Supply With Contactless Transfer of Energy-Part I:Rotating Transformer》中对线圈分布方式进行了对比，闫美存等在《非接触式励磁电源的谐振补偿分析》对电滑环的驱动电路及整流电路的不同补偿方式进行了研究和对比。

为了提高耦合系数，国内外部分研究团队在磁芯结构上进行了研究，如Ali Abdolkhani等在《Improved Coupling Design of Contactless Slipring for Rotary Applications》中对U型磁性和E型磁芯的结构进行了优化，以提高磁感应强度。

专利申请号为201610046691.8的中国发明申请，公开了一种轴向半截面LL型非接触供电滑环，用LL型磁芯减小了气隙，提高了磁导率。在磁芯的选用方面，由于罐形磁芯成本较高且不利于散热，大功率的非接触式电滑环多采用多个U型磁芯或其他形状的磁芯代替，如专利CN201610046691.8就用L型的磁芯以减小磁芯间的气隙。但是非罐形磁芯在旋转过程中由于磁芯及磁芯间相对位置发生改变，导致磁场不稳定。因此，如果在非接触式滑环的设计中能够保证磁芯的相对固定，对滑环的导电效率及稳定性将有显著改善。

技术实现要素：

为实现以上目的，本发明提供了一种非接触式电滑环，以非接触式功率传输与非接触式信号传输的连接方式，改善上述已有非接触滑环存在的转动过程中磁场不稳定、耦合系数低的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种非接触式电滑环，包括固定部和旋转部；

所述固定部包括：至少两组相对布置且相互之间存在气隙的磁芯，用于传输功率的初级线圈，用于传输信号的电容固定部分电极，用于承载所述固定部中上述元件的结构件；

所述旋转部包括：用于传输功率的次级线圈，用于传输信号的电容旋转部分电极，用于承载所述旋转部中上述元件的固定件；其中：

至少两组相对布置且相互之间存在气隙的磁芯之间保持相对固定，以保证磁场稳定；初级线圈绕在磁芯上，次级线圈粘接或缠绕在固定件上，且初级线圈和次级线圈均处于位置相对布置的磁芯包围空间中；次级线圈通过功率输出线将功率导出，磁芯之间的气隙使承载次级线圈的固定件能够伸入位置相对布置的磁芯间。

优选地，至少两组相对布置且相互之间存在气隙的所述磁芯为非接触的或相互接触的部件。

优选地，所述保持相对固定是指：磁芯粘接在结构件上，或者磁芯通过过渡配合或过盈配合卡在结构件上。

更优选地，所述磁芯选用U型磁芯、E型磁芯；或者，所述磁芯选用一侧开口的磁芯，即将磁芯一侧的臂研磨掉一部分，保证在次级线圈深入磁芯包围空间的同时，至少两组相对布置的磁芯间能够相互接触，以缩小整个磁路中的气隙，进而减小磁阻。

优选地，在所述电容固定部分电极、电容旋转部分电极的外表面布置屏蔽层，或者在结构件、固定件上布置屏蔽层，以屏蔽初级线圈和次级线圈上的电流所产生的磁场对信号传输的干扰。

更优选地，所述屏蔽层采用粘接或模制的方式布置在电容固定部分电极、电容旋转部分电极的外表面，或者所述结构件、固定件上。

更优选地，所述屏蔽层选用软铁、硅钢、坡莫合金的磁导率高的软磁材料中一种；或者选用导电性好的铜或铝。在高频工况下，由于交变的磁场使屏蔽层产生涡流，而涡流现象产生的磁场能够有效地抵消外磁场的作用，

优选地，所述结构件上设置有第一走线孔，用于接入功率输入线和信号输入线，其中：功率输入线连接初级线圈，信号输入线连接电容固定部分电极。

更优选地，所述结构件采用刚度高的绝缘材料制成，以保证在承载次级线圈的同时尽可能薄，以减小两组磁芯气隙。

优选地，所述固定件上设置有第二走线孔，用于导出信号输出线和功率输出线，其中：信号输出线与电容旋转部分电极相连，功率输出线穿过磁芯间的气隙与次级线圈相连。

更优选地，所述固定件采用的材料为FR-4。

优选地，所述初级线圈和所述次级线圈选用实心导线、Litz线、铜箔或者PCB绕组；原、副边绕组的匝数相同或不同。

优选地，至少两组所述磁芯、初级线圈和次级线圈构成功率部分，电容固定部分电极和电容旋转部分电极共同组成信号部分即电容，通过对电容的充放电实现高低电平的传递；电容固定部分电极、电容旋转部分电极均为环状且电容固定部分电极套在电容旋转部分电极外；

所述功率部分和信号部分的布置方式为径向布置，功率部分套在信号部分的外面或者信号部分套在功率部分的外面；或者，功率部分和信号部分的布置方式为轴向布置。

优选地，所述固定部与所述旋转部的轴线重合，所述固定部与所述旋转部通过轴承连接。

与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：

本发明所有导磁材料即组相对布置的磁芯是固定的，因此避免了传统大功率非接触滑环转动过程中磁芯错位。整个滑环的磁导相对稳定，旋转时的功率传输更加稳定，同时功率的传输效果不会受到转速的影响。本发明磁场稳定，传输效果好，适用于旋转场合的非接触式功率及信号传输。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的径向截面为环形的非接触式电滑环结构示意图；

图中：101、102为U型磁芯，103为固定部的结构件，104为旋转部的固定件，105为次级线圈，106为初级线圈，107为电容固定部分电极，108为电容旋转部分电极，109为信号输入线，110为功率输入线，111为信号输出线，112为功率输出线；

图2为本发明一实施例的径向截面为环形的非接触式电滑环结构示意图，其中E型磁芯为标准的E型磁芯；

图中：201、202为E型磁芯，203为固定部的结构件即第一承载件，204为旋转部的固定件即第二承载件，205、215为次级线圈，206、216为初级线圈，207为电容固定部分电极即第一电极，208为电容旋转部分电极即第二电极，209为信号输入线，210为功率输入线，211为信号输出线，212为功率输出线，217为磁感线；

图3为本发明一实施例的径向截面为环形的非接触式电滑环结构示意图，其中U型磁芯为经过加工的U型磁芯，加工方式为将磁芯一侧的臂研磨掉一部分；

图中：301、302为U型磁芯，303为固定部的结构件即第一承载件，304为旋转部的固定件即第二承载件，305为次级线圈，306为初级线圈，307为电容固定部分电极即第一电极，308为电容旋转部分电极即第二电极，309为信号输入线，310为功率输入线，311为信号输出线，312为功率输出线；

图4为本发明一实施例的径向截面为环形的非接触式电滑环结构示意图，其中：功率传输部分和信号传输部分径向布置；

图中：401、402为U型磁芯，403为固定部的结构件即第一承载件，404为旋转部的固定件即第二承载件，405为次级线圈，406为初级线圈，407为电容固定部分电极即第一电极，408为电容旋转部分电极即第二电极，409为信号输入线，410为功率输入线，411为信号输出线，412为功率输出线；

图5为本发明一实施例的非接触式电滑环的一种屏蔽层布置方式，

图中：501、502为U型磁芯，503为固定部的结构件即第一承载件，504为旋转部的固定件即第二承载件，505为次级线圈，506为初级线圈，507为电容固定部分电极即第一电极，508为电容旋转部分电极即第二电极，509为信号输入线，510为功率输入线，511为信号输出线，512为功率输出线，513、514为软磁材料；

图6为本发明一实施例的另一种非接触式垫滑环的屏蔽层布置方式；

图中：601、602为U型磁芯，603为固定部的结构件即第一承载件，604为旋转部的固定件即第二承载件，605为次级线圈，606为初级线圈，607为电容固定部分电极即第一电极，608为电容旋转部分电极即第二电极，609为信号输入线，610为功率输入线，611为信号输出线，612为功率输出线，613、614为软磁材料。

图7为本发明一实施例的径向截面为环形的非接触式电滑环结构示意图，使用了4组U型磁芯；

图中：701、702、713、714为U型磁芯，703为固定部的结构件即第一承载件，704为旋转部的固定件即第二承载件，705、715为次级线圈，706、716为初级线圈，707为电容固定部分电极即第一电极，708为电容旋转部分电极即第二电极，709为信号输入线，710为功率输入线，711为信号输出线，712为功率输出线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，一种径向截面为环形的非接触式电滑环，包括：固定部和旋转部，固定部和旋转部通过轴承连接，且固定部与旋转部的轴线重合；

所述固定部包括：两组相对位置固定的U型磁芯101、102，初级线圈106，电容固定部分电极107即第一电极，用于承载初级线圈106和第一电极107的固定部的结构件103即第一承载件；

所述旋转部包括：次级线圈105，电容旋转部分电极108即第二电极，用于承载次级线圈105和第二电极108的旋转部的固定件104即第二承载件；

两组磁芯101、初级线圈106和次级线圈105组成功率部分，电容固定部分电极107、电容旋转部分电极108组成信号部分即电容；

电容电极即第一电极107、第二电极108采用环状结构，以保证信号传输效果不随转动而改变；初级线圈106绕在U型磁芯101上，次级线圈105粘接或缠绕在第二承载件104上，且初级线圈106与次级线圈105均处于两组U型磁芯101、102包围的空间中；两组U型磁芯101、102间有气隙以保证第二承载件104能够伸入两组U型磁芯101、102包围的空间中。

进一步的，所述次级线圈105通过功率输出线112将功率导出，磁芯之间的气隙使承载次级线圈的固定件及功率输出线112能够伸入位置相对布置的磁芯间。

作为一优选的实施方式，所述初级线圈106和所述次级线圈105采用铜绞线以减小集肤效应，从而减少线圈发热。

作为一优选的实施方式，在所述第一承载件103上设置有走线孔，用于接入功率输入线110、信号输入线109；在所述第二承载件104上设置有走线孔，用于导出信号输出线111和功率输出线112；

其中：所述功率输入线110连接初级线圈106，所述信号输入线109连接第一电极107，所述信号输出线111与第二电极108相连，所述功率输出线112穿过两组U型磁芯101、102间的气隙与次级线圈105相连。

进一步的，所述功率输出线112通过两组U型磁芯101、102气隙的部分采用敷铜的方式，以减小导线所占体积，从而使气隙能够做得更小。

作为一优选的实施方式，所述第二承载件104采用刚度高的绝缘材料制成，以保证在承载次级线圈的同时尽可能薄，以减小两组U型磁芯101、102间的气隙。

作为一优选的实施方式，两组所述U型磁芯101、102为非接触的或相互接触；U型磁芯101、102粘接在第一承载件103上；或者通过过渡配合或过盈配合将U型磁芯101、102卡在第一承载件103上。

交变电流通过功率输入线110输入到初级线圈106上，产生变化的磁场，处于这个变化的磁场中的次级线圈105上由于电磁感应产生交变的感应电流，该电流通过功率输出线112输出到外部负载，从而实现功率的传递，磁芯101、102用于约束磁通、提高耦合度，从而在次级线圈105上产生更大的感应电流；通过信号输入线109将高低电平信号传递给电容固定部电极107，输出端通过电容的充放电判断输入的高低电平，从而实现信号的传递。由于工作时固定部和旋转部相互不接触，所以在旋转部转动时就实现了功率和信号的非接触传递。

实施例二：

如图2所示，一种径向截面为环形的非接触式电滑环，其组成部件以及组成部件之间的连接关系与实施例一相同，相较于实施例一，区别在于：用两组E型磁芯201、202替代实施例一中的两组U型磁芯101、102，且同一组磁芯201(或202)中的两组初级线圈206、216(或次级线圈205、215)缠绕方向相反，以E型磁芯201为例，磁感线217由E型磁芯201中柱出发，经过E型磁芯202中柱、E型磁芯202两侧臂、E型磁芯201两侧臂回到E型磁芯201中柱。两组初级线圈206、216和两组次级线圈205、215能够在相同体积下实现更大功率的传输。

实施例三：

如图3所示，一种径向截面为环形的非接触式电滑环，其组成部件以及组成部件之间的连接关系与实施例一相同；相较于实施例一，区别在于：

采用经过加工的两组U型磁芯301、302替代实施例一中的两组U型磁芯101、102，加工方式为分别将两组U型磁芯301、302一侧的臂研磨掉一部分，使两组磁芯301、302一侧的臂能够紧贴、另一侧的臂之间有气隙，以使第二承载件304伸入两组U型磁芯301、302包围的空间中，这样整个磁感线回路的气隙减小，有效地提高功率传输部分的磁导率，并且对EMI的抑制效果更好。

实施例四：

如图4所示，一种径向截面为环形的非接触式电滑环，其组成部件以及组成部件之间的连接关系与实施例一相同；相较于实施例一，区别在于：

功率部分(包括两组U型磁芯401、402，初级线圈406和次级线圈405)和信号部分(即电容，包括第一电极407、第二电极408)轴向布置，适用于径向空间较小、而轴向空间较大的场合。由于功率部分的漏磁集中在气隙处，气隙离信号传输部分较远，因此功率传输部分对信号传输部分的干扰较小。

实施例五：

如图5所示，一种非接触式电滑环，其组成部件以及组成部件之间的连接关系与实施例一相同；相较于实施例一，区别在于：

用软磁材料513、514分别将电容电极即第二电极508、第一电极507包裹起来起到屏蔽作用，以减小功率传输部分对信号传输的干扰。

作为一优选的实施方式，所述软磁材料513、514分别粘贴与第二电极508、第一电极507的表面，或者分别模制在第二承载件504、第一承载件503上。

实施例六：

如图6所示，一种非接触式电滑环，其组成部件以及组成部件之间的连接关系与实施例一相同；相较于实施例一，区别在于：

用软磁材料613、614分别将第一承载件603、第二承载件604的位于第一电极607、第二电极608和两组U型磁芯601、602之间的部分包裹起来，能够有效减小功率传输部分产生的电磁场对信号传输部分的干扰，并能够有效地减小中轴发热。

作为一优选的实施方式，所述软磁材料613、614分别粘贴或模制在第一承载件603、第二承载件604上。

实施例七：

如图7所示，一种径向截面为环形的非接触式电滑环，其组成部件以及组成部件之间的连接关系与实施例一相同；相较于实施例一，区别在于：

使用了4组相对固定的U型磁芯701、702、713、714，其中，磁芯701、702相对布置，磁芯713、714相对布置；使用了2组初级线圈706、716和2组次级线圈705、715，其中初级线圈706和次级线圈705处于U型磁芯701、702包围的空间中，初级线圈716和次级线圈715处于U型磁芯713、714包围的空间中。此实施例适用于需要传输功率更大的场合。

本发明所有导磁材料是固定的，因此避免了传统大功率非接触滑环转动过程中磁芯错位。整个滑环的磁导相对稳定，旋转时的功率传输更加稳定。同时功率的传输效果不会受到转速的影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。