本發(fā)明屬于機電一體化領域，具體的，涉及一種非接觸式電滑環(huán)，適用于旋轉(zhuǎn)場合的非接觸式功率及信號傳輸。

背景技術：

旋轉(zhuǎn)關節(jié)在現(xiàn)代機電系統(tǒng)中十分常見同時也發(fā)揮著巨大的作用，如工業(yè)機器人、雷達和監(jiān)控攝像機等。目前，在旋轉(zhuǎn)關節(jié)中使用最多的是線纜和滑環(huán)，其中：前者限制了旋轉(zhuǎn)關節(jié)的自由轉(zhuǎn)動，同時長期的機械扭轉(zhuǎn)也使得線纜容易老化；后者多用電刷導電，存在易磨損，安全運行周期短等缺點。而非接觸式功率和信號傳輸技術使得更安全的旋轉(zhuǎn)關節(jié)導電形式成為可能。

早在1996年，美國的Gwyn Roberts團隊就在《A Contactless Transfer Device for Power and Data》中提出了一種用于功率及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆墙佑|式電滑環(huán)。至今已有國內(nèi)外多個團隊進行了相關方面的研究。如Konstantinos D.Papastergiou等在《An Airborne Radar Power Supply With Contactless Transfer of Energy-Part I:Rotating Transformer》中對線圈分布方式進行了對比，閆美存等在《非接觸式勵磁電源的諧振補償分析》對電滑環(huán)的驅(qū)動電路及整流電路的不同補償方式進行了研究和對比。

為了提高耦合系數(shù)，國內(nèi)外部分研究團隊在磁芯結構上進行了研究，如Ali Abdolkhani等在《Improved Coupling Design of Contactless Slipring for Rotary Applications》中對U型磁性和E型磁芯的結構進行了優(yōu)化，以提高磁感應強度。

專利申請?zhí)枮?01610046691.8的中國發(fā)明申請，公開了一種軸向半截面LL型非接觸供電滑環(huán)，用LL型磁芯減小了氣隙，提高了磁導率。在磁芯的選用方面，由于罐形磁芯成本較高且不利于散熱，大功率的非接觸式電滑環(huán)多采用多個U型磁芯或其他形狀的磁芯代替，如專利CN201610046691.8就用L型的磁芯以減小磁芯間的氣隙。但是非罐形磁芯在旋轉(zhuǎn)過程中由于磁芯及磁芯間相對位置發(fā)生改變，導致磁場不穩(wěn)定。因此，如果在非接觸式滑環(huán)的設計中能夠保證磁芯的相對固定，對滑環(huán)的導電效率及穩(wěn)定性將有顯著改善。

技術實現(xiàn)要素：

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種非接觸式電滑環(huán)，以非接觸式功率傳輸與非接觸式信號傳輸?shù)倪B接方式，改善上述已有非接觸滑環(huán)存在的轉(zhuǎn)動過程中磁場不穩(wěn)定、耦合系數(shù)低的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

本發(fā)明提供一種非接觸式電滑環(huán)，包括固定部和旋轉(zhuǎn)部；

所述固定部包括：至少兩組相對布置且相互之間存在氣隙的磁芯，用于傳輸功率的初級線圈，用于傳輸信號的電容固定部分電極，用于承載所述固定部中上述元件的結構件；

所述旋轉(zhuǎn)部包括：用于傳輸功率的次級線圈，用于傳輸信號的電容旋轉(zhuǎn)部分電極，用于承載所述旋轉(zhuǎn)部中上述元件的固定件；其中：

至少兩組相對布置且相互之間存在氣隙的磁芯之間保持相對固定，以保證磁場穩(wěn)定；初級線圈繞在磁芯上，次級線圈粘接或纏繞在固定件上，且初級線圈和次級線圈均處于位置相對布置的磁芯包圍空間中；次級線圈通過功率輸出線將功率導出，磁芯之間的氣隙使承載次級線圈的固定件能夠伸入位置相對布置的磁芯間。

優(yōu)選地，至少兩組相對布置且相互之間存在氣隙的所述磁芯為非接觸的或相互接觸的部件。

優(yōu)選地，所述保持相對固定是指：磁芯粘接在結構件上，或者磁芯通過過渡配合或過盈配合卡在結構件上。

更優(yōu)選地，所述磁芯選用U型磁芯、E型磁芯；或者，所述磁芯選用一側(cè)開口的磁芯，即將磁芯一側(cè)的臂研磨掉一部分，保證在次級線圈深入磁芯包圍空間的同時，至少兩組相對布置的磁芯間能夠相互接觸，以縮小整個磁路中的氣隙，進而減小磁阻。

優(yōu)選地，在所述電容固定部分電極、電容旋轉(zhuǎn)部分電極的外表面布置屏蔽層，或者在結構件、固定件上布置屏蔽層，以屏蔽初級線圈和次級線圈上的電流所產(chǎn)生的磁場對信號傳輸?shù)母蓴_。

更優(yōu)選地，所述屏蔽層采用粘接或模制的方式布置在電容固定部分電極、電容旋轉(zhuǎn)部分電極的外表面，或者所述結構件、固定件上。

更優(yōu)選地，所述屏蔽層選用軟鐵、硅鋼、坡莫合金的磁導率高的軟磁材料中一種；或者選用導電性好的銅或鋁。在高頻工況下，由于交變的磁場使屏蔽層產(chǎn)生渦流，而渦流現(xiàn)象產(chǎn)生的磁場能夠有效地抵消外磁場的作用，

優(yōu)選地，所述結構件上設置有第一走線孔，用于接入功率輸入線和信號輸入線，其中：功率輸入線連接初級線圈，信號輸入線連接電容固定部分電極。

更優(yōu)選地，所述結構件采用剛度高的絕緣材料制成，以保證在承載次級線圈的同時盡可能薄，以減小兩組磁芯氣隙。

優(yōu)選地，所述固定件上設置有第二走線孔，用于導出信號輸出線和功率輸出線，其中：信號輸出線與電容旋轉(zhuǎn)部分電極相連，功率輸出線穿過磁芯間的氣隙與次級線圈相連。

更優(yōu)選地，所述固定件采用的材料為FR-4。

優(yōu)選地，所述初級線圈和所述次級線圈選用實心導線、Litz線、銅箔或者PCB繞組；原、副邊繞組的匝數(shù)相同或不同。

優(yōu)選地，至少兩組所述磁芯、初級線圈和次級線圈構成功率部分，電容固定部分電極和電容旋轉(zhuǎn)部分電極共同組成信號部分即電容，通過對電容的充放電實現(xiàn)高低電平的傳遞；電容固定部分電極、電容旋轉(zhuǎn)部分電極均為環(huán)狀且電容固定部分電極套在電容旋轉(zhuǎn)部分電極外；

所述功率部分和信號部分的布置方式為徑向布置，功率部分套在信號部分的外面或者信號部分套在功率部分的外面；或者，功率部分和信號部分的布置方式為軸向布置。

優(yōu)選地，所述固定部與所述旋轉(zhuǎn)部的軸線重合，所述固定部與所述旋轉(zhuǎn)部通過軸承連接。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明所有導磁材料即組相對布置的磁芯是固定的，因此避免了傳統(tǒng)大功率非接觸滑環(huán)轉(zhuǎn)動過程中磁芯錯位。整個滑環(huán)的磁導相對穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)時的功率傳輸更加穩(wěn)定，同時功率的傳輸效果不會受到轉(zhuǎn)速的影響。本發(fā)明磁場穩(wěn)定，傳輸效果好，適用于旋轉(zhuǎn)場合的非接觸式功率及信號傳輸。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實施例的徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)結構示意圖；

圖中：101、102為U型磁芯，103為固定部的結構件，104為旋轉(zhuǎn)部的固定件，105為次級線圈，106為初級線圈，107為電容固定部分電極，108為電容旋轉(zhuǎn)部分電極，109為信號輸入線，110為功率輸入線，111為信號輸出線，112為功率輸出線；

圖2為本發(fā)明一實施例的徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)結構示意圖，其中E型磁芯為標準的E型磁芯；

圖中：201、202為E型磁芯，203為固定部的結構件即第一承載件，204為旋轉(zhuǎn)部的固定件即第二承載件，205、215為次級線圈，206、216為初級線圈，207為電容固定部分電極即第一電極，208為電容旋轉(zhuǎn)部分電極即第二電極，209為信號輸入線，210為功率輸入線，211為信號輸出線，212為功率輸出線，217為磁感線；

圖3為本發(fā)明一實施例的徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)結構示意圖，其中U型磁芯為經(jīng)過加工的U型磁芯，加工方式為將磁芯一側(cè)的臂研磨掉一部分；

圖中：301、302為U型磁芯，303為固定部的結構件即第一承載件，304為旋轉(zhuǎn)部的固定件即第二承載件，305為次級線圈，306為初級線圈，307為電容固定部分電極即第一電極，308為電容旋轉(zhuǎn)部分電極即第二電極，309為信號輸入線，310為功率輸入線，311為信號輸出線，312為功率輸出線；

圖4為本發(fā)明一實施例的徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)結構示意圖，其中：功率傳輸部分和信號傳輸部分徑向布置；

圖中：401、402為U型磁芯，403為固定部的結構件即第一承載件，404為旋轉(zhuǎn)部的固定件即第二承載件，405為次級線圈，406為初級線圈，407為電容固定部分電極即第一電極，408為電容旋轉(zhuǎn)部分電極即第二電極，409為信號輸入線，410為功率輸入線，411為信號輸出線，412為功率輸出線；

圖5為本發(fā)明一實施例的非接觸式電滑環(huán)的一種屏蔽層布置方式，

圖中：501、502為U型磁芯，503為固定部的結構件即第一承載件，504為旋轉(zhuǎn)部的固定件即第二承載件，505為次級線圈，506為初級線圈，507為電容固定部分電極即第一電極，508為電容旋轉(zhuǎn)部分電極即第二電極，509為信號輸入線，510為功率輸入線，511為信號輸出線，512為功率輸出線，513、514為軟磁材料；

圖6為本發(fā)明一實施例的另一種非接觸式墊滑環(huán)的屏蔽層布置方式；

圖中：601、602為U型磁芯，603為固定部的結構件即第一承載件，604為旋轉(zhuǎn)部的固定件即第二承載件，605為次級線圈，606為初級線圈，607為電容固定部分電極即第一電極，608為電容旋轉(zhuǎn)部分電極即第二電極，609為信號輸入線，610為功率輸入線，611為信號輸出線，612為功率輸出線，613、614為軟磁材料。

圖7為本發(fā)明一實施例的徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)結構示意圖，使用了4組U型磁芯；

圖中：701、702、713、714為U型磁芯，703為固定部的結構件即第一承載件，704為旋轉(zhuǎn)部的固定件即第二承載件，705、715為次級線圈，706、716為初級線圈，707為電容固定部分電極即第一電極，708為電容旋轉(zhuǎn)部分電極即第二電極，709為信號輸入線，710為功率輸入線，711為信號輸出線，712為功率輸出線。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例一：

如圖1所示，一種徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)，包括：固定部和旋轉(zhuǎn)部，固定部和旋轉(zhuǎn)部通過軸承連接，且固定部與旋轉(zhuǎn)部的軸線重合；

所述固定部包括：兩組相對位置固定的U型磁芯101、102，初級線圈106，電容固定部分電極107即第一電極，用于承載初級線圈106和第一電極107的固定部的結構件103即第一承載件；

所述旋轉(zhuǎn)部包括：次級線圈105，電容旋轉(zhuǎn)部分電極108即第二電極，用于承載次級線圈105和第二電極108的旋轉(zhuǎn)部的固定件104即第二承載件；

兩組磁芯101、初級線圈106和次級線圈105組成功率部分，電容固定部分電極107、電容旋轉(zhuǎn)部分電極108組成信號部分即電容；

電容電極即第一電極107、第二電極108采用環(huán)狀結構，以保證信號傳輸效果不隨轉(zhuǎn)動而改變；初級線圈106繞在U型磁芯101上，次級線圈105粘接或纏繞在第二承載件104上，且初級線圈106與次級線圈105均處于兩組U型磁芯101、102包圍的空間中；兩組U型磁芯101、102間有氣隙以保證第二承載件104能夠伸入兩組U型磁芯101、102包圍的空間中。

進一步的，所述次級線圈105通過功率輸出線112將功率導出，磁芯之間的氣隙使承載次級線圈的固定件及功率輸出線112能夠伸入位置相對布置的磁芯間。

作為一優(yōu)選的實施方式，所述初級線圈106和所述次級線圈105采用銅絞線以減小集膚效應，從而減少線圈發(fā)熱。

作為一優(yōu)選的實施方式，在所述第一承載件103上設置有走線孔，用于接入功率輸入線110、信號輸入線109；在所述第二承載件104上設置有走線孔，用于導出信號輸出線111和功率輸出線112；

其中：所述功率輸入線110連接初級線圈106，所述信號輸入線109連接第一電極107，所述信號輸出線111與第二電極108相連，所述功率輸出線112穿過兩組U型磁芯101、102間的氣隙與次級線圈105相連。

進一步的，所述功率輸出線112通過兩組U型磁芯101、102氣隙的部分采用敷銅的方式，以減小導線所占體積，從而使氣隙能夠做得更小。

作為一優(yōu)選的實施方式，所述第二承載件104采用剛度高的絕緣材料制成，以保證在承載次級線圈的同時盡可能薄，以減小兩組U型磁芯101、102間的氣隙。

作為一優(yōu)選的實施方式，兩組所述U型磁芯101、102為非接觸的或相互接觸；U型磁芯101、102粘接在第一承載件103上；或者通過過渡配合或過盈配合將U型磁芯101、102卡在第一承載件103上。

交變電流通過功率輸入線110輸入到初級線圈106上，產(chǎn)生變化的磁場，處于這個變化的磁場中的次級線圈105上由于電磁感應產(chǎn)生交變的感應電流，該電流通過功率輸出線112輸出到外部負載，從而實現(xiàn)功率的傳遞，磁芯101、102用于約束磁通、提高耦合度，從而在次級線圈105上產(chǎn)生更大的感應電流；通過信號輸入線109將高低電平信號傳遞給電容固定部電極107，輸出端通過電容的充放電判斷輸入的高低電平，從而實現(xiàn)信號的傳遞。由于工作時固定部和旋轉(zhuǎn)部相互不接觸，所以在旋轉(zhuǎn)部轉(zhuǎn)動時就實現(xiàn)了功率和信號的非接觸傳遞。

實施例二：

如圖2所示，一種徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)，其組成部件以及組成部件之間的連接關系與實施例一相同，相較于實施例一，區(qū)別在于：用兩組E型磁芯201、202替代實施例一中的兩組U型磁芯101、102，且同一組磁芯201(或202)中的兩組初級線圈206、216(或次級線圈205、215)纏繞方向相反，以E型磁芯201為例，磁感線217由E型磁芯201中柱出發(fā)，經(jīng)過E型磁芯202中柱、E型磁芯202兩側(cè)臂、E型磁芯201兩側(cè)臂回到E型磁芯201中柱。兩組初級線圈206、216和兩組次級線圈205、215能夠在相同體積下實現(xiàn)更大功率的傳輸。

實施例三：

如圖3所示，一種徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)，其組成部件以及組成部件之間的連接關系與實施例一相同；相較于實施例一，區(qū)別在于：

采用經(jīng)過加工的兩組U型磁芯301、302替代實施例一中的兩組U型磁芯101、102，加工方式為分別將兩組U型磁芯301、302一側(cè)的臂研磨掉一部分，使兩組磁芯301、302一側(cè)的臂能夠緊貼、另一側(cè)的臂之間有氣隙，以使第二承載件304伸入兩組U型磁芯301、302包圍的空間中，這樣整個磁感線回路的氣隙減小，有效地提高功率傳輸部分的磁導率，并且對EMI的抑制效果更好。

實施例四：

如圖4所示，一種徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)，其組成部件以及組成部件之間的連接關系與實施例一相同；相較于實施例一，區(qū)別在于：

功率部分(包括兩組U型磁芯401、402，初級線圈406和次級線圈405)和信號部分(即電容，包括第一電極407、第二電極408)軸向布置，適用于徑向空間較小、而軸向空間較大的場合。由于功率部分的漏磁集中在氣隙處，氣隙離信號傳輸部分較遠，因此功率傳輸部分對信號傳輸部分的干擾較小。

實施例五：

如圖5所示，一種非接觸式電滑環(huán)，其組成部件以及組成部件之間的連接關系與實施例一相同；相較于實施例一，區(qū)別在于：

用軟磁材料513、514分別將電容電極即第二電極508、第一電極507包裹起來起到屏蔽作用，以減小功率傳輸部分對信號傳輸?shù)母蓴_。

作為一優(yōu)選的實施方式，所述軟磁材料513、514分別粘貼與第二電極508、第一電極507的表面，或者分別模制在第二承載件504、第一承載件503上。

實施例六：

如圖6所示，一種非接觸式電滑環(huán)，其組成部件以及組成部件之間的連接關系與實施例一相同；相較于實施例一，區(qū)別在于：

用軟磁材料613、614分別將第一承載件603、第二承載件604的位于第一電極607、第二電極608和兩組U型磁芯601、602之間的部分包裹起來，能夠有效減小功率傳輸部分產(chǎn)生的電磁場對信號傳輸部分的干擾，并能夠有效地減小中軸發(fā)熱。

作為一優(yōu)選的實施方式，所述軟磁材料613、614分別粘貼或模制在第一承載件603、第二承載件604上。

實施例七：

如圖7所示，一種徑向截面為環(huán)形的非接觸式電滑環(huán)，其組成部件以及組成部件之間的連接關系與實施例一相同；相較于實施例一，區(qū)別在于：

使用了4組相對固定的U型磁芯701、702、713、714，其中，磁芯701、702相對布置，磁芯713、714相對布置；使用了2組初級線圈706、716和2組次級線圈705、715，其中初級線圈706和次級線圈705處于U型磁芯701、702包圍的空間中，初級線圈716和次級線圈715處于U型磁芯713、714包圍的空間中。此實施例適用于需要傳輸功率更大的場合。

本發(fā)明所有導磁材料是固定的，因此避免了傳統(tǒng)大功率非接觸滑環(huán)轉(zhuǎn)動過程中磁芯錯位。整個滑環(huán)的磁導相對穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)時的功率傳輸更加穩(wěn)定。同時功率的傳輸效果不會受到轉(zhuǎn)速的影響。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。