CN105896746A - 一种用于旋转部件无线电能传输的天线及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转部件无线电能传输的天线及装置，所述天线采用双环式天线，包括两个同轴平行且在正常工作时绕轴电流方向相反的环形部分和两环形部分之间的连接部分。所述装置包括采用所述双环式天线通过磁共振方式无线传输电能的基座部分和安装在转轴上的旋转部分；所述基座部分包括供电装置和与供电装置电连接的作为发射端的双环式天线，所述旋转部分包括相对所述发射端做旋转运动的作为接收端的双环式天线和与所述接收端电连接的输电装置。本发明装置能保证能量传输的稳定，提高能量传输效率，适用于对尺寸和质量要求较为苛刻的应用场合。

Description

一种用于旋转部件无线电能传输的天线及装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于旋转部件无线电能传输的天线及装置。

技术背景

对一些重要的处于旋转状态的轴类部件进行实时监测，从而将其中可能出现或者已经出现的故障进行及时准确的诊断和排除是系统可靠运行的重要保障。目前应用较广的嵌入式故障诊断技术的突出优点是将故障诊断系统嵌入到设备内部，尽量接近可能发生故障的部件，大大提高系统的监测能力和准确率。然而，如何为嵌入到转轴的系统持续供电是亟待解决的关键性问题之一。

无线电能传输技术具有高传输效率、中等传输距离、非辐射等优点，克服了有线供电、电池供电、滑环供电、旋转变压器供电等供电方式的不足安全性好。利用无线电能传输技术为转轴嵌入式系统供电已经成为当前一个研究热点。

然而由于转轴对磁场的遮挡以及发射端和接收端在位置上的偏移，系统难以保持稳定的耦合状态，容易出现能量传输不稳定、平均能量传输效率低等问题，不少学者为解决该问题进行了积极的探索。有的设计增加了发射端和接收端的数目，使得当一部分接收端远离发射端时，另一部分接收端接近发射端，从而减少了能量传输的波动，然而该方法仍然无法实现能量的稳定传输，其平均能量传输效率也较低，难以保持正常谐振状态；另外一些则采用套筒式结构，并加入铁氧体材料修正磁场方向，使得系统保持强耦合状态，从而实现能量的持续稳定传输，但套筒式结构的发射端和接收端都体积较大、质量较重，不利于集成，在转速较高时容易影响转轴的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于旋转部件无线电能传输的天线及装置，以保证为转轴上的嵌入式故障诊断系统持续稳定的能量传输，提高能量传输效率，适用于对尺寸和质量要求较为苛刻的应用场合。

实现本发明目的采用的技术方案如下：

本发明提供的用于旋转部件无线电能传输的天线，为双环式天线，包括两个同轴平行且在正常工作时绕轴电流方向相反的环形部分和两环形部分之间的连接部分。

所述双环式天线的环形部分为开口单环结构或为由若干匝螺旋线圈形成的多环结构。

所述两个环形部分大小相同。

本发明提供的采用所述天线的用于旋转部件的无线电能传输装置，包括采用所述双环式天线通过磁共振方式无线传输电能的基座部分和安装在转轴上的旋转部分；所述基座部分包括供电装置和与供电装置电连接的作为发射端的双环式天线，所述旋转部分包括相对所述发射端做旋转运动的作为接收端的双环式天线和与所述接收端电连接的输电装置。

所述发射端与所述转轴同轴安装，所述接收端安装在所述转轴上与发射端在径向上相对应。

有益效果

本发明与传统的有线供电、电池供电、滑环供电等接触式供电方式相比较的优势在于：发射端与接收端间没有物理接触，从而消除了磨损，极大提高了设备的使用寿命。

本发明与电磁感应式无线电能传输技术相比较的优势在于：发射端与接收端在强磁耦合谐振状态下进行能量传输，保证了中距离条件下能量传输的高效进行，增大了传输距离。

本发明与现有应用于旋转部件的无线电能传输技术相比较的优势在于：

1）发射端能产生绕轴旋转时径向分量大小不变的磁场，避免了转轴对磁场的遮挡；

2）发射端与接收端始终处于强耦合谐振状态，受到转轴转动的影响很小，从而提高了该供电系统的能量传输效率，更有利于保证为转轴嵌入式故障诊断系统的正常供电；

3）本发明具有小型化、轻质化的优点，避免干扰转轴的正常运行，在对于尺寸和质量要求较苛刻的场合具有广泛的应用前景。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中发射端的结构示意图。

图3、图4分别是本发明中另一种发射端的结构示意图。

图5是本发明中又一种发射端的结构示意图。

图6是发射端/接收端的原理分析图。

具体实施方式

本发明提供的用于旋转部件无线电能传输的天线及装置，如图1、图2所示，所述天线采用采用双环式天线，所述装置包括采用双环式天线通过磁共振方式无线传输电能的基座部分和安装在转轴8上的旋转部分。所述基座部分包括供电装置和与供电装置电连接的作为发射端3的双环式天线，所述旋转部分包括相对所述发射端3做旋转运动的作为接收端4的双环式天线和与所述接收端4电连接的输电装置。所述双环式天线包括两个同轴平行且在正常工作时绕轴电流方向相反的环形部分和两环形部分之间的连接部分，其中发射端3包括环形部分301和连接部分302两部分导体，接收端4包括环形部分401和连接部分402两部分导体；所述发射端3与所述转轴8同轴安装，所述接收端4安装在所述转轴8上与发射端3在径向上相对应。

所述接收端4的两环形部分401位于所述发射端3的两环形部分301之间（参见图4），所述发射端3的两环形部分301的直径L1大于所述接收端4的两环形部分401的直径L2；所述供电装置包括依次电连接的高频交流电源1、与所述发射端3电连接的第一调谐电路2；所述输电装置包括依次电连接的与所述接收端4电连接的第二调谐电路5、整流稳压电路6和负载7。

所述发射端3的两环形部分301的直径L1也可以等于所述接收端4的环形部分401的直径L2；或者发射端3的两环形部分301的直径L1小于接收端4的两环形部分401的直径L2，如图4所示，这种情况下，只需将发射端3两环形部分301之间的连接部分302在径向上的尺寸增加至不干涉接收端4转动的长度即可。

所述接收端4的两环形部分401也可与发射端3的两环形部分301位于同一平面或位于发射端3的两环形部分301之外。

以发射端3为例，所述双环式天线的环形部分301可为开口单环结构（参见图3），环形部分301也可由若干匝螺旋线圈形成的多环结构，该环形部分301的两端分别为外接端口303，两环形部分301同轴同轴安装；两个外接端口303通过外部导线与供电装置的电路相连接（参见图5）。

当高频交流电流经发射端3时，在发射端3周围激发高频交变磁场，将电能转化为磁场能。该磁场沿转轴8周向均匀分布，保证了能量传输的稳定。接收端4与输电装置的第二调谐电路5构成接收回路，通过第二调谐电路5的电容值，使得接收回路的谐振频率与高频交流电的频率一致，此时接收回路发生谐振。因此，发射回路和接收回路在高频交流电的频率下发生磁耦合谐振，接收端将磁场能转化为电能，并输入整流稳压电路中，从而实现了无线电能传输。整流稳压电路6将接收端4输出的高频交流电进行整流、稳压处理，转化为直流电供负载7使用。

发射端/接收端的原理分析：

当电流流经发射端3时，其两侧环形部分的电流流向相反，并分别激发磁场，如图6所示。由图可知，两侧环形部分的电流激发的磁场在径向相互增强，在轴向相互抵消。忽略发射端3中间的连接部分，由于两侧环形部分的电流大小处处相等，因此其激发的磁场在圆周上均匀分布。接收端4与发射端3相配合，有效避免了转轴对磁场的遮挡，且由于双环式环形部分的对称性，发射端3与接收端4间的磁耦合状态不受转轴转动的影响，从而保证了能量传输的持续稳定。

Claims (5)

1.一种用于旋转部件无线电能传输的天线，其特征是采用双环式天线，包括两个同轴平行且在正常工作时绕轴电流方向相反的环形部分和两环形部分之间的连接部分。

2.根据权利要求1所述的用于旋转部件无线电能传输的天线，其特征是所述双环式天线的环形部分为开口单环结构或为由若干匝螺旋线圈形成的多环结构。

3.根据权利要求2所述的用于旋转部件无线电能传输的天线，其特征是所述两个环形部分大小相同。

4.一种采用如权利要求1至3所述任一天线的用于旋转部件的无线电能传输装置，其特征是包括采用所述双环式天线通过磁共振方式无线传输电能的基座部分和安装在转轴上的旋转部分；所述基座部分包括供电装置和与供电装置电连接的作为发射端的双环式天线，所述旋转部分包括相对所述发射端做旋转运动的作为接收端的双环式天线和与所述接收端电连接的输电装置。

5.根据权利要求4所述的用于旋转部件的无线电能传输装置，其特征是所述发射端与所述转轴同轴安装，所述接收端安装在所述转轴上与发射端在径向上相对应。