一种基于平面-曲面解耦线圈的旋转机构无线电能与信号并行传输技术

针对船舶、风电机组及轨道交通等领域旋转机构状态监测中供电难题，提出一种无线电能与信号并行传输方案。针对大轴径系统接收线圈过长导致损耗大、电磁辐射强及曲面能量与信号线圈耦合严重的问题，设计平面-曲面解耦线圈结构，实现能量与信号线圈间互感接近于零；采用分段式副边能量线圈与三母线电路结构，有效降低损耗与电压波动。通过等效电路建模、有限元仿真与实验验证，结果表明该方案可实现稳定电能传输与信号回传，输出电压波动控制在10％以内，具备可行性与应用前景。

在船舶、风电机组及轨道交通等领域,对转轴的状态监测越来越重要.如何为安装于旋转机构上的监测系统提供稳定可靠的电能,成为亟待解决且具有挑战性的难题.无线电能与信号并行传输是一个可行方案,它既适用于旋转结构的特殊应用场合,能够提供稳定可靠的电能,又能够实现轴端状态数据的回传,实时监测转轴的健康状态.但是,对于一些较大轴径的旋转机构,系统将会面临两个问题:①接收线圈过长,会导致损耗严重,且接收线圈包裹整个转轴,线圈整体全部通电,会产生严重的电磁辐射;②轴端接收侧的曲面能量线圈与信号线圈如何实现解耦.在此基础上,该文首先提出一种平面-曲面解耦线圈结构,分析能量线圈与信号线圈间的解耦关系.同时,系统的副边能量线圈采用分段方式,以减小电磁辐射和线圈损耗,并提出三母线的电路结构,克服线圈过渡段时的功率跌落.然后建立旋转机构无线电能与信号并行传输的等效电路,并分析系统的传输特性.最后,通过有限元法模拟和实验进行了验证.结果表明,所提平面-曲面解耦线圈结构,使得能量线圈与信号线圈之间的互感基本为0,三母线电路结构也将系统输出电压波动抑制在10％以内,实现了旋转机构无线电能与信号的并行传输,验证了所提方案的可行性.