一种无线供电及信息通信系统和方法

本发明属于永磁同步电机转子温度信号传输，尤其涉及一种无线供电及信息通信系统和方法。

背景技术：

1、永磁同步电机因其结构简单、体积较小、效率高等优点，在新能源汽车、轨道交通、风电等领域得到广泛应用。电机在将电能转换为机械能的同时，本身会消耗一部分能量，可分为铁损、铜损和机械损耗，导致电机发热，而电机转子使用的永磁材料对温度非常敏感，过高的温度会导致其性能降低，甚至产生不可逆的退磁，影响电机性能。因此，为确保电机的安全性和可靠性，电机永磁体温度的监测非常重要。

2、永磁同步电机在运转过程中转子部分在不停转动，这使得转子温度测量系统(随转子转动)与信号接收端(静止)的信号传输成为挑战。为实现转子信号发射端与信号接收端之间的实时通信，以保证上位机对转子温度的实时监测，传统方法主要有两种：

3、1、关闭工作中的电机，迅速测量转子电阻，并通过相关的经验公式推算转子温度；

4、2、通过电刷实现旋转部分与静止部分的信号传输；

5、在这两种方法中，前者不能满足对电机转子温度的实时监测，后者存在室内污染、可靠性低等诸多问题。

6、目前广泛使用的方式是采用无线通信实现信号传输，如蓝牙模块、wifi模块。该策略存在着一些缺点，在数据传输期间，强磁场会导致数据包丢失。为了克服电磁干扰，可以提高无线传输的功率，但这将不可避免地导致功耗增加。同时，无线通信模块电路结构复杂，这不仅增加了系统成本，同时降低了系统可靠性。

7、由于永磁同步电机运行过程中转子高速旋转，转子温度测量系统的供电成为难题。通常做法是在转子上固定直流电源，与转子保持相对静止，为温度测量系统供电，但这个设计不适用于电机高速运行的工况，使电机可靠性大大降低。对比在转子上直接固定电源，无线供电技术直接为测温系统隔空供电，更加安全和灵活。

8、实现无线供电技术主要通过四种方式：

9、1、电磁感应式

10、电磁感应式是在初级线圈通一定频率的交流电，根据电磁感应原理，次级线圈也会产生该频率的电流，从而实现能量从传输端到接收端的转移。其优点是适合短距离供电，转换效率高。缺点是需要特定摆放位置，金属感应接触会发热。

11、2、磁场共振式

12、磁场共振式由能量发送装置和能量接收装置组成，当二者频率相同时，它们会在这个特定的频率上共振，由此可以交换能量。其优点是适合远距离大功率供电，转换效率适中。缺点是效率较低，安全与健康问题。

13、3、无线电波式

14、无线电波式主要由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持直流电压恒定。其优点是适合远距离小功率供电，自动随时随地供电。缺点是转换效率较低，传输功率小。

15、4、电场耦合式

16、电场耦合式通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子产生的感应电场来传输能量。一般充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的，这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。其优点是适合短距离供电，转换效率较高，发热较低，位置不可固定。缺点是体积较大，功率较小。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决转子温度测量系统供电以及与外界通信问题，提供了一种无线供电及信息通信系统和方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种无线供电及信息通信系统，所述系统包括无线供电部分、转子温度测量部分、信号编码部分、信号传输部分以及信号解码部分；

3、所述无线供电部分采用磁场共振的方式，其功率接收端与功率发射端均由电感和电容组成，利用lc谐振，当功率发射端通电后产生高频振荡时，功率接收端也会以相同的频率产生振荡，从而实现电能的隔空传输，功率发射端为功率接收端无线供电，且二者功率相等；

4、所述转子温度测量部分使用接触式温度传感器pt100对转子温度进行测量，由于pt100阻值与温度呈线性关系，通过测量pt100阻值即可得到转子温度；

5、所述信号编码部分对温度信号进行二进制编码，具体为：pt100信号经测温电路得到转子实时温度t0，经mcu1对t0进行二进制编码并输出，得到一段包含转子温度信息的pwm波形；为便于信号识别，mcu1对t0进行编码时，对数据进行处理，经mcu1处理后的数据格式为：1个起始位即低电平，8个数据位，1个停止位即高电平，当没有数据通信时，输出高电平；数据t0由8个二进制数据位表示，将pwm波施加到开关管s上，开关管s为mosfet；

6、所述信号传输部分利用lc谐振电路，当信号发射端与信号接收端以相同频率振荡时，电能在二者之间隔空传输，由于发射端与接收端功率相等，随着信号发射端开关管不断开闭，信号接收端输出功率随之改变，发射端向接收端不断传输数据；

7、所述信号解码部分采用功率传感器测量功率发射端的功率，通过mcu2对功率传感器测量的信号进行采集及解码，当检测到低电平时，代表数据开始传输，起始位的后八位数据即为转子温度数据，停止位为高位时认定传输数据有效。

8、进一步地，记mcu1输出为d1，d1＝1时，开关管s闭合，信号发射端输出功率：

9、

10、式中，pm为测温电路功率；po为信号发射端输出功率；u为信号接收端交流电压有效值；r为电阻阻值；

11、d1＝0时，开关管s断开，信号发射端输出功率：

12、po＝pm

13、由此可以建立mcu1输出与信号发射端输出功率之间的关系式：

14、

15、进一步地，记转子温度数据为d2，则

16、

17、对d2进行数模转换即可得到对应的转子温度信号t0。

18、本发明提出根据所述的无线供电及信息通信系统的通信方法，所述方法利用无线供电的方式给旋转的测温电路供电，同时通过改变功率接收端测温电路功率的方式对温度采样信息进行编码，静止的功率发射端通过检测传输功率变化对编码信息进行解码，最终实现能量传输与信息通信的双重的功能。

19、本发明具有的有益效果是：

20、本发明提出一种无线供电及信息通信系统和方法，所述系统成本低，同时系统可靠性高，所述方法能够保证上位机对转子温度的实时监测，实现能量传输与信息通信的双重的功能。

技术特征：

1.一种无线供电及信息通信系统，其特征在于，所述系统包括无线供电部分、转子温度测量部分、信号编码部分、信号传输部分以及信号解码部分；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：记mcu1输出为d1，d1＝1时，开关管s闭合，信号发射端输出功率：

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：记转子温度数据为d2，则

4.根据权利要求1-3任一项所述的无线供电及信息通信系统的通信方法，其特征在于：所述方法利用无线供电的方式给旋转的测温电路供电，同时通过改变功率接收端测温电路功率的方式对温度采样信息进行编码，静止的功率发射端通过检测传输功率变化对编码信息进行解码，最终实现能量传输与信息通信的双重的功能。

技术总结
本发明提出一种无线供电及信息通信系统和方法，所述方法利用无线供电的方式给旋转的测温电路供电，同时通过改变功率接收端测温电路功率的方式对温度采样信息进行编码，静止的功率发射端通过检测传输功率变化对编码信息进行解码，最终实现能量传输与信息通信的双重的功能。

技术研发人员：杜博超,黄琬,程远,崔淑梅
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15