带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置的制作方法

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置。

背景技术：

传统的电能传输方式已经不能满足某些特殊应用场合的需要。例如风力发电系统中，通过风力带动风机旋转时，其桨叶常常需要调整姿态，带动桨叶旋转所需的能量往往是通过导电滑环传输。然而，导电滑环存在诸多不足：一是导电环存在磨损，如果润滑剂含量高，磨损量少，但导电性变差；反之，润滑剂含量少，导电性能好，但磨损量增大。二是滑环与电刷接触部位发热较大，由于导电环通道与通道之间是必须绝缘的，而绝缘材料通常导热性较差，因此导电环的散热难以通过传导实现。

为此，也有人尝试了一些新方法向旋转部件传输电能，例如采用滚环技术，将滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了磨损量，但仍存在滚动体应力不均，磨削无法排出等问题；采用水银汇流环技术，利用液态金属替代滑动摩擦，无摩损，但密封困难；采用光汇流环技术，以非接触式光纤作为传输介质，但能够传递的功率较小。因此，这些技术都不能完全满足活动部件旋转界面间的长寿命电能传输的需求。

此外，现有的能量传输机构，要想实现控制信号的传输和传感器信号的采集，往往还需要增加额外的通信模块，安装结构复杂。

技术实现要素：

基于上述情况，本发明针对耦合机构可旋转的应用场合，提出了一种带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置，通过采用内嵌式耦合结构，使其实现无线能量和信号同步接收。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置，其关键在于：包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括套接在转动轴上的筒式结构，所述接收装置包括固定在转动轴上的芯体结构，所述芯体结构嵌套式配合安装在所述筒式结构内；

所述筒式结构的筒底上设置有平面发射线圈，在所述筒式结构的筒壁上设置有螺旋发射线圈，所述平面发射线圈用于连接信号发射电路实现无线信号发射，所述螺旋发射线圈用于连接能量发射电路实现无线能量发射，在所述筒体结构的上方通过安装结构连接有电刷组件，所述电刷组件用于连接滑环组件实现滑动接触式电能传输；

在所述芯体结构上沿径向设置有平面接收线圈，沿轴向设置有螺旋接收线圈，所述平面接收线圈用于连接信号接收电路实现无线信号接收，所述螺旋接收线圈用于连接能量接收电路实现无线能量接收，在所述筒体结构的上方通过安装结构连接有电刷组件，所述电刷组件用于连接滑环组件实现滑动接触式电能传输。

本发明保留滑动接触式电能传输的同时，通过设置两种不同结构形式的发射线圈和接收线圈来分别实现能量接收和信号接收，减少了能量场和信号场之间的交叉影响，通过嵌套式的结构布局，使得转动轴转动时芯体结构与筒式结构互不干涉，因此非常适用于旋转体的能量信号同步传输。

可选地，所述电刷组件包括一段沿所述转动轴长度方向延伸的支撑体，所述支撑体上等间距分布有多条刷片；所述滑环组件包括与所述转动轴同轴转动的安装支架，沿所述安装支架的长度方向设置有与所述刷片一一对应的导电滑环，在所述安装支架的一端还设置有连接盘。

可选地，所述筒底上可拆卸式连接有第一内层安装筒，在所述第一内层安装筒的外侧绕制所述螺旋发射线圈，在所述螺旋发射线圈的外侧还套接有第一环形柱状磁芯，在所述第一环形柱状磁芯的外侧还套接有第一外层安装筒，所述第一内层安装筒与所述第一外层安装筒均采用法兰连接在所述筒底上。

可选地，在所述筒底与所述平面发射线圈之间还设置有环形平面磁芯。

可选地，所述安装结构包括设置在所述筒底下方的底板，所述底板和所述筒底之间预留有电路安装腔，在所述底板的上方通过骨架支撑有用于安装所述支撑体的顶板，所述顶板与所述底板之间还设置有外保护壳。

可选地，所述信号发射电路设置在所述筒底的板面上，所述能量发射电路设置在第一电路安装板上，所述第一电路安装板沿所述发射电路安装腔的长度方向设置。

可选地，所述外保护壳的底板和所述筒式结构的筒底上均预留有供所述转动轴穿过的轴孔，且所述筒式结构远离所述底板的一端呈敞口状，敞口截面呈圆形。

可选地，所述芯体结构包括与连接盘法兰连接的第一法兰盘，在所述第一法兰盘上可拆卸式连接有第二内层安装筒，所述平面接收线圈设置在所述第一法兰盘的盘面上，所述螺旋接收线圈设置在所述第二内层安装筒的侧壁上，在所述螺旋接收线圈与所述第二内层安装筒之间还设置有第二环形柱状磁芯，在所述第一法兰盘与所述平面接收线圈之间还设置有第二环形平面磁芯。

可选地，所述螺旋接收线圈的外侧还套设有第二外层安装筒，该第二外层安装筒的一端连接在所述第一法兰盘上，其另一端还设置有带卡接口的环面结构，所述第二内层安装筒一端抵接在所述第一法兰盘的盘面上，其另一端设置有卡脚结构并与所述第二外层安装筒的环面结构上的卡接口卡接。

可选地，所述芯体结构还设有第二法兰盘，所述第一法兰盘和所述第二法兰盘之间形成接收电路安装腔，所述信号接收电路和所述能量接收电路均设置在所述电路安装腔中，在所述接收电路安装腔中的中间设置有散热架，在所述散热架的两侧分别固定设置有第二电路安装板和第三电路安装板，所述信号接收电路设置在第二电路安装板上，所述能量接收电路设置在第三电路安装板上。

可选地，所述螺旋发射线圈、所述平面发射线圈、所述螺旋接收线圈和所述平面接收线圈均采用励磁线绕制而成。

本发明的有益效果：

本发明提出的带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置，能够用于旋转结构无线能量信号同步传输系统中，产品结构紧凑，安装方便，配合不同的工作频率进行控制，减少二者之间相互影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的安装结构爆炸图；

图3为发射装置的结构示意图；

图4为发射装置的爆炸示意图；

图5为接收装置的结构示意图；

图6为接收装置的爆炸示意图；

图中标记：10-筒式结构，11-底板，12-第一电路安装板，13-筒底，14-第一环形平面磁芯，15-平面发射线圈，16-第一内层安装筒，17-第一环形柱状磁芯，18-螺旋发射线圈，19-第一外层安装筒，20-芯体结构、21-转动轴，22-平面接收线圈，23-螺旋接收线圈，24-第一法兰盘，25-第二内层安装筒，26-第二环形柱状磁芯，27-第二环形平面磁芯、28-第二外层安装筒，29-卡接口、30-卡脚结构、31-第二法兰盘、32-第二电路安装板、33-第三电路安装板、34-散热架、42-电刷组件、43-支撑体、44-刷片、45-骨架、46-顶板、55-安装支架、56-导电滑环、57-连接盘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置，其关键在于：包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括套接在转动轴21上的筒式结构10，所述接收装置包括固定在转动轴21上的芯体结构20，所述芯体结构20嵌套式配合安装在所述筒式结构10内；

所述筒式结构10的筒底13上设置有平面发射线圈15，在所述筒式结构10的筒壁上设置有螺旋发射线圈18，所述平面发射线圈15用于连接信号发射电路实现无线信号发射，所述螺旋发射线圈18用于连接能量发射电路实现无线能量发射，在所述筒体结构10的上方通过安装结构连接有电刷组件42，所述电刷组件42用于连接滑环组件实现滑动接触式电能传输；；

在所述芯体结构20上沿径向设置有平面接收线圈22，沿轴向设置有螺旋接收线圈23，所述平面接收线圈22用于连接信号接收电路实现无线信号接收，所述螺旋接收线圈23用于连接能量接收电路实现无线能量接收，在所述芯体结构上还连接有滑环组件，所述滑环组件用于连接电刷组件42实现滑动接触式电能接收。

通过图3和图5可以看出，在本实施例中，所述电刷组件42包括一段沿所述转动轴21长度方向延伸的支撑体43，所述支撑体43上等间距分布有多条刷片44；所述滑环组件包括与所述转动轴21同轴转动的安装支架55，沿所述安装支架55的长度方向设置有与所述刷片44一一对应的导电滑环56，在所述安装支架的一端还设置有连接盘57。

通过图4可以看出，具体实施时，所述筒底13上可拆卸式连接有第一内层安装筒16，在所述第一内层安装筒16的外侧绕制所述螺旋发射线圈18，在所述螺旋发射线圈18的外侧还套接有第一环形柱状磁芯17，在所述第一环形柱状磁芯17的外侧还套接有第一外层安装筒19，所述第一内层安装筒16与所述第一外层安装筒19均采用法兰连接在所述筒底13上。在所述筒底13与所述平面发射线圈之间还设置有环形平面磁芯。

为了确保安装稳定，所述第一内层安装筒16与所述第二外层安装筒28均采用法兰连接在所述筒底13上。

所述筒式结构10的外层还设置有外保护壳，在外保护壳的底板11和所述筒式结构10的筒底13之间预留有发射电路安装腔，所述信号发射电路和所述能量发射电路均设置在所述发射电路安装腔中。

实施过程中，所述信号发射电路可以设置在所述筒底13的板面上，能量发射电路设置在第一电路安装板12上，利用大部分冗余的空间实现能量发射电路的安装，使其满足电路元器件散热需求。

通过图6可以看出，所述芯体结构20包括与所述连接盘57法兰连接第一法兰盘24，在所述第一法兰盘24上可拆卸式连接有第二内层安装筒25，所述平面接收线圈22设置在所述第一法兰盘24的盘面上，所述螺旋接收线圈23设置在所述第二内层安装筒25的侧壁上，在所述螺旋接收线圈23与所述第二内层安装筒25之间还设置有第二环形柱状磁芯26，在所述第一法兰盘24与所述平面接收线圈22之间还设置有第二环形平面磁芯27。

为了实现第二内层安装筒25和第二外层安装筒28之间的快速组装，所述螺旋接收线圈23的外侧还套设有第二外层安装筒28，该第二外层安装筒28的一端连接在所述第一法兰盘24上，其另一端还设置有带卡接口29的环面结构，所述第二内层安装筒25一端抵接在所述第一法兰盘24的盘面上，其另一端设置有卡脚结构30并与所述第二外层安装筒28的环面结构上的卡接口29卡接。

所述芯体结构20还设有第二法兰盘31，所述第一法兰盘24和所述第二法兰盘31之间形成接收电路安装腔，所述信号接收电路和所述能量接收电路均设置在所述电路安装腔中，在所述接收电路安装腔中的中间设置有散热架34，在所述散热架34的两侧分别固定设置有第二电路安装板32和第三电路安装板33，所述信号接收电路设置在第二电路安装板32上，所述能量接收电路设置在第三电路安装板33上。利用大部分冗余的空间实现能量接收电路和能量发射电路的安装，使其满足电路元器件散热需求。

在实施过程中，所述螺旋发射线圈18、所述平面发射线圈15、所述螺旋接收线圈23和所述平面接收线圈22均采用励磁线绕制而成。所述第一内层安装筒16和所述第二外层安装筒28优选为磁导材料。

本发明的工作原理是:

通过采用嵌套结构，利用相互配合的电刷组件12与滑环组件之间形成滑动接触式能量传输，利用筒底13内侧端面设置的平面发射线圈15与芯体结构20上径向布置的平面接收线圈22实现无线信号发射，利用筒壁侧面设置的螺旋发射线圈18与芯体结构20上轴向布置的螺旋接收线圈23实现无线能量传输，在第一环形平面磁芯14、第一环形柱状磁芯17、第二环形平面磁芯27以及第二环形柱状磁芯26的作用下，能够有效控制能量场和信号场的传播方向，减少二者之间的交叉干涉，整个产品结构紧凑，安装方便，配合对应的无线能量信号同步接收装置，能够有效实现旋转结构的无线能量和信号同步传输。

综上所述，本发明提出的带滑环的嵌套式无线能量信号同步传输装置，能够用于旋转结构无线能量信号同步传输系统中，产品结构紧凑，安装方便，配合不同的工作频率进行控制，减少二者之间相互影响。

此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。