专利名称：一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法
技术领域：
本发明属于机电一体化领域。涉及一种为旋转或运动机械部件非接触式供电及传 递信息的技术，或者说是一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法。
背景技术：
航天、航空、航海、卫星用的各种雷达、速率转台、陀螺仪表、惯性平台，以及 自动化电子装置，如机器关节、旋转臂等电子设备中经常采用导电环和电刷匹配的滑 动式电接触装置(又称为汇流环，导电滑环，集电环)进行功率和信号传输。
现代电子设备特别是军用装备要求这种电接触装置可靠性高、使用寿命长。传统 的电接触装置采用电刷与滑环动态接触的方法传递电能或电信号，对导电环和电刷所 使用材料的导电性、抗电侵蚀、抗环境气氛腐蚀、抗磨损性都提出了极其苛刻的要求。 其摩擦触点都要使用金、银、铀、铱等贵金属配合其他稀有元素制成。造价高昂、工 艺复杂且寿命仍然有限。
近年来，光汇流环技术采用非接触式的光纤作为传输介质，提高了寿命，且能够 以较高的速率传递数据。但光电汇流环需要精密的光学机构，而且只能传递信号而不 能传递电能。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠性高、寿命长、不仅能够非接触式传输大功率电能， 同时实现双向多通道数据通讯的非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法。
本发明的目的是这样实现的， 一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法， 其特征是至少包括两个相对旋转运动的导磁材料，两个相对旋转运动的导磁材料内 分别有感应线圈，两相对旋转运动的导磁材料之间有空气间隙；两个相对旋转运动的 感应线圈其中一个将电能转化成电磁场能量，利用松耦合电磁感应传输原理，双向传 递数据信息，并将电磁场能量从其中一个线圈传输至另外一个线圈。
两个相对旋转运动的感应线圈其中一个将电能转化成电磁场能量的线圈是通过如 下步骤进行电磁场能量传递的
(1) 利用可控振荡器产生高频信号；
(2) 利用高频开关器件对步骤(1)产生的信号进行功率放大。
(3) 将能量发射线圈与容性器件构成谐振回路，利用高频谐振提升能量传递效率；
(4) 位于运动部件上的接收线圈将感应电流整流、滤波、稳压后提供给运动部件上 的电子设备。
所述的将电能转化成电磁场能量的线圈需要不断检测谐振电压峰值，并通过自动 调整振荡器频率以跟踪谐振点频率，保持发射回路谐振于幅度最大点，以获得最大的 电能传输效率。
所述的通过自动调整振荡器频率以跟踪谐振点频率步骤包括
(1) 自动记录下振荡器当前频率f。，并测量发射线圈当前电压峰值V。；
(2) 让振荡器频率略增加，变为f。+Af,，测量发射线圈电压峰值V"
(3) 让振荡器频率略减小，变为fO-Af2，测量发射线圈电压峰值V2;(4) 根据V0、 VI、 V2的大小，判断计算下一次搜索的方向，并计算下一步搜索的频 率偏移量Afl、 Af2。
(5) 跳回步骤(1);
所述的两个相对运动的导磁材料及感应线圈， 一组导磁材料和感应线圈固定，另 一组导磁材料和感应线圈相对固定的一组导磁材料和感应线圈轴转动。
所述的固定端感应线圈和运动端感应线圈之间的数据传输在传递电能的高频电磁 场上叠加一定的调制信号，作为信息传递的媒介，步骤包括-
a. 固定端将数据信息发送至运动端
(1) 固定端的多通道的数信息据经过纠错编码后，被调制于多个不同频道上；
(2) 将调制后的信号放大并叠加在固定端的电能发射线圈上；
(3) 位于运动体上的接收电路将接收线圈上的干扰滤除，提取出调制信号；
(4) 对提取出的数据信息进行解调、纠错解码、恢复原始数据；
b. 运动端将数据信息发送至固定端
(1) 固定端的多通道的数信息据经过纠错编码后，被调制于多个不同频道上；
(2) 将调制后的信号放大并叠加在运动端的电能接收线圈上；
(3) 位于固定端的接收电路将电能发射线圈上的干扰滤除，提取出调制信号；
(4) 对提取出的数据信息进行解调、纠错解码、恢复原始数据。
所述的固定组导磁材料和感应线圈与轴转动的另一组导磁材料和感应线圈采用轴
线重合。
所述的固定组导磁材料和感应线圈与轴转动的另一组导磁材料和感应线圈采用同 心轴连接。
本发明的优点是利用载波调制的方法将松耦合间隙作为数据传递通道，配合纠 错码，实现高可靠的双向数据链路。再利用软开关谐振技术与谐振点自动跟踪技术， 在不同负载下始终保持电能传输的高效率。最终实现以非接触式为旋转体大功率供 电，并且提供多条数据链路的目的。相比传统的接触式滑环，不仅彻底消除了因滑动 磨损带来的寿命问题，并且无须贵金属触点材料、减少了滑环数量，成本大幅下降。
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明 图1是本发明实施例1结构示意图 ， 图2是本发明实施例2结构示意图。
图中，1、旋转高频铁氧体；2、线圈；3、固定高频铁氧体；4、固定线圈；5、 磁力线；6、空气间隙；7、旋动轴；8、固定部分电路；9、旋转部分电路；10、机械 臂控制电路；11、直流电源；12、主控系统；13、数据端口； 14、获取的电能；15、
数据端口。
具体实施例方式
实施例l给出同轴有空气间隙的旋转运动件电能和信号传递结构。应用于机械关 节的非接触式供电与通信。
如图1所示，在机械臂旋动轴7上加装旋转高频铁氧体1和线圈2。旋转高频铁氧体 l是磁环状，线圈2固定在磁环状的旋转高频铁氧体1内。其中，旋转高频铁氧体l制成
5的磁环随机械臂旋动轴7旋转。与旋转高频铁氧体1留有空气间隙6的固定高频铁氧3体 则由基础固定，固定高频铁氧3也为磁环状，固定高频铁氧3构成的磁环状内有固定线 圈4;旋转高频铁氧体l、线圈2和固定高频铁氧3、固定线圈4均与机械臂旋动轴7的轴 线重合。固定线圈4与固定部分电路8电连接，由于固定高频铁氧3构成的磁环3内有固 定线圈4 (发射线圈)，旋转高频铁氧体1内有线圈2 (接收线圈)。磁力线5穿过接收 线圈和发射线圈构成闭合回路。将固定线圈4连接到固定部分电路8;将旋转线圈2连 接到随轴旋转的旋转部分电路9。将24V直流电源11输送至固定部分电路8，将主控系 统12的数据端口13连接至固定部分电路8;将旋转部分电路9获取的电能14输送给旋臂 内的机械臂控制电路IO，而机械臂控制电路10的旋臂控制电路数据端口15连接至旋 转部分电路9。当固定线圈4通过固定部分电路8加载高频电压时，固定线圈4产生的磁 力线5可以穿越空气间隙6构成闭合回路。
固定部分电路8由振荡器产生高频振荡，被放大器放大后驱动固定线圈4，固定线 圈4与容性元件构成谐振回路，以提高电能传输效率。旋转部分的线圈2 (接收线圈) 与容性元件也构成谐振回路，以提高能量接收效率。线圈2构成的谐振回路将接收的电 能经过整流、滤波、储能后变为直流电，再经过DC-DC开关电源稳压后得到24V电压， 提供给旋转部分的机械臂控制电路使用。在固定端，由固定线圈4构成的谐振电路不 断由检测电路检测固定线圈4上的电压幅度，并通过谐振点调整电路改变振荡器的频 率，实时调整振荡频率使得固定线圈4两端的电压幅度最高，以实现谐振点自动跟踪。
当然为完成需要的过程控制，在固定端，主控系统12或由计算机完成，由计算机 将控制数据经过纠错冗余编码后被调制到高频，与电能功率信号混合后，叠加在固定 线圈4上。数据信息也被磁力线传递至线圈2。
在旋转部分的电路中，先通过能量抑制电路,将电能信号抑制,再通过共模干扰抑 制、带通滤波后得到调制信号。经过解调、纠错解码后得到原始数据流，送至旋转部 分的旋转部分电路的串行数据接口。而机械臂控制电路10将需要的信号数据经过纠错 冗余编码后被调制到高频，叠加在线圈2上。数据信息也被磁力线传递至固定线圈4。 再由固定部分电路8将该调制信号提取，送至计算机的串行通讯口。
实施例2给出同轴有空气间隙的旋转运动件电能和信号传递结构。应用于某机电 设备飞轮上测温装置的非接触式供电与通信。
如图2所示，实施例2与实施例1不同的是，旋转高频铁氧体1套接固定在旋动轴7 上，线圈2绕在磁环，旋转高频铁氧体1外层上。固定高频铁氧3构成的磁环状内有固 定线圈4;旋转高频铁氧体l、线圈2和固定高频铁氧3、固定线圈4与旋动轴7同轴。旋 转高频铁氧体l、线圈2和固定高频铁氧3、固定线圈之间留有空气间隙6。
同样，将固定线圈4连接到固定部分电路8;将旋转线圈2连接到随轴旋转的旋转 部分电路9。将24V直流电源11输送至固定部分电路8，将主控电路12的数据端口13连 接至固定部分电路8;将旋转部分电路9获取的电能14输送给控制电路10，而控制电路 10的控制电路数据端口15连接至旋转部分电路9。当固定线圈4通过固定部分电路8加 载高频信号时，固定线圈4产生的磁力线5可以穿越空气间隙6构成闭合回路。
本发明不仅限于实施例1或实施例2，在本发明中，它至少包括两个相对运动的导 磁材料，两个相对运动的导磁材料内分别有感应线圈，两相对运动的导磁材料之间有
6空气间隙；两个相对运动的感应线圈其中一个将电能转化成电磁场能量，利用松耦合 电磁感应传输原理，将电磁场能量从一个线圈传输至另外一个线圈。电能与信息主要 依靠磁场能量来传递。利用固定端的线圈产生高频交变磁场，由高磁导率材料(如铁 氧体)将磁场能量能传递至运动部分的接收线圈。运动部分与固定部分之间留有微小 的活动缝隙，使得两个部件之间能够相互运动，同时又能在两者之间传递磁场能量和 数据信息。
本发明中电能的传递可以总结为以下步骤
(1) 利用可控振荡器产生高频信号；
(2) 利用高频开关器件对步骤(1)产生的信号进行功率放大；
(3) 将能量发射线圈与容性器件构成谐振回路，利用高频谐振提升能量传递效率；
(4) 位于运动部件上的接收线圈将感应电流整流、滤波、稳压后提供给运动部件上 的电子设备。
本发明采用谐振点自动跟踪技术获得最大的电能传输效率。
对于由耦合线圈构成的谐振回路来说，次级负载特性的改变会引起初级谐振点的 变化。需要不断检测谐振电压峰值，并通过自动调整振荡器频率以跟踪谐振点频率， 才能保持发射回路谐振于幅度最大点。谐振点自动跟踪步骤包括
(1) 自动记录下振荡器当前频率f。，并测量发射线圈当前电压峰值V。；
(2) 让振荡器频率略增加，变为f。+Af,，测量发射线圈电压峰值V,;
(3) 让振荡器频率略减小，变为f0-Af2，测量发射线圈电压峰值V2;
(4) 根据V0、 VI、 V2的大小，判断计算下一次搜索的方向，并计算下一步搜索的频 率偏移量Afl、 Af2。
(5) 跳回步骤(1);
本发明的信息的传输包括两部分， 一是将固定端的数据传输至运动端；二是将运 动端的数据传输至固定端。在传递电能的高频电磁场上叠加一定的调制信号，作为信 息传递的媒介，歩骤包括
a. 固定端将数据信息发送至运动端-
(1) 固定端的多通道的数信息据经过纠错编码后，被调制于多个不同频道上
(2) 将调制后的信号放大并叠加在固定端的电能发射线圈上
(3) 位于运动体上的接收电路将接收线圈上的干扰滤除，提取出调制信号
(4) 对提取出的数据信息进行解调、纠错解码、恢复原始数据
b. 运动端将数据信息发送至固定端
(1) 固定端的多通道的数信息据经过纠错编码后，被调制于多个不同频道上
(2) 将调制后的信号放大并叠加在运动端的电能接收线圈上
(3) 位于固定端的接收电路将电能发射线圈上的干扰滤除，提取出调制信号
(4) 对提取出的数据信息进行解调、纠错解码、恢复原始数据。
权利要求
1、一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特征是至少包括两个相对运动的导磁材料，两个相对运动的导磁材料内分别有感应线圈，两相对运动的导磁材料之间有空气间隙；两个相对运动的感应线圈其中一个将电能转化成电磁场能量，利用松耦合电磁感应传输原理，将电磁场能量从一个线圈传输至另外一个线圈。
2、 根据权利要求l所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特 征是所述的两个相对运动的感应线圈其中一个将电能转化成电磁场能量的线圈是通 过如下步骤进行电磁场能量传递的(1) 利用可控振荡器产生高频信号；(2) 利用高频开关器件对步骤(1)产生的信号进行功率放大。(3) 将能量发射线圈与容性器件构成谐振回路，利用高频谐振提升能量传递效率；(4) 位于运动部件上的接收线圈将感应电流整流、滤波、稳压后提供给运动部件上的电子设备。
3、 根据权利要求2所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特 征是所述的将电能转化成电磁场能量的线圈需要不断检测谐振电压峰值，并通过自 动调整振荡器频率以跟踪谐振点频率，保持发射回路谐振于幅度最大点，以获得最大 的电能传输效率。
4、 根据权利要求3所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特 征是所述的通过自动调整振荡器频率以跟踪谐振点频率步骤包括(1) 自动记录下振荡器当前频率f。，并测量发射线圈当前电压峰值V。；(2) 让振荡器频率略增加，变为f。+AA，测量发射线圈电压峰值V"(3) 让振荡器频率略减小，变为fO-Af2，测量发射线圈电压峰值V2;(4) 根据V0、 VI、 V2的大小，判断计算下一次搜索的方向，并计算下一步搜索的频 率偏移量Afl、 Af2。(5) 跳回步骤(1);
5、 根据权利要求l所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特征是所述的两个相对运动的导磁材料及感应线圈， 一组导磁材料和感应线圈固定，另一组导磁材料和感应线圈相对固定的一组导磁材料和感应线圈轴转动。
6、 根据权利要求l、 5所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其 特征是所述的固定端感应线圈和运动端感应线圈之间的数据传输在传递电能的高频 电磁场上叠加一定的调制信号，作为信息传递的媒介，步骤包括a. 固定端将数据信息发送至运动端(1) 固定端的多通道的数信息据经过纠错编码后，被调制于多个不同频道上；(2) 将调制后的信号放大并叠加在固定端的电能发射线圈上；(3) 位于运动体上的接收电路将接收线圈上的干扰滤除，提取出调制信号；(4) 对提取出的数据信息进行解调、纠错解码、恢复原始数据；b. 运动端将数据信息发送至固定端(1) 固定端的多通道的数信息据经过纠错编码后，被调制于多个不同频道上；(2) 将调制后的信号放大并叠加在运动端的电能接收线圈上；(3) 位于固定端的接收电路将电能发射线圈上的干扰滤除，提取出调制信号；(4) 对提取出的数据信息进行解调、纠错解码、恢复原始数据。
7、 根据权利要求5所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特 征是所述的固定组导磁材料和感应线圈与轴转动的另一组导磁材料和感应线圈采用 轴线重合。
8、 根据权利要求5所述的一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特征是所述的固定组导磁材料和感应线圈与轴转动的另一组导磁材料和感应线圈采用 同心轴连接。
全文摘要
本发明涉及一种为旋转或运动机械部件非接触式供电及传递信息的技术，或者说是一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，其特征是至少包括两个相对运动的导磁材料，两个相对运动的导磁材料内分别有感应线圈，两相对运动的导磁材料之间有空气间隙；两个相对运动的感应线圈其中一个将电能转化成电磁场能量，利用松耦合电磁感应传输原理，将电磁场能量从一个线圈传输至另外一个线圈。这种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法，它可靠性高、寿命长、不仅能够非接触式传输大功率电能，同时实现双向多通道数据通讯的非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法。
文档编号H02J17/00GK101478182SQ20091002103
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者刘彦明, 李小平, 海 王, 白丽娜, 楷 谢 申请人:西安电子科技大学