余 莉，馬子懿，馮涌泉，胡廣明

(航天科工慣性技術(shù)有限公司·北京·100074)

0 引 言

近幾年，在電動(dòng)汽車(chē)充電樁、石油旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、智能家居、醫(yī)療、軌道交通、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中，開(kāi)展了大量信號(hào)非接觸傳輸技術(shù)的研究。在非接觸通信系統(tǒng)中，耦合裝置是一種能形成電磁耦合的介質(zhì)?；ハ嗤ㄐ诺碾p方稱(chēng)作原邊和副邊，傳輸裝置與原/副邊電路參數(shù)配合組成耦合諧振電路，實(shí)現(xiàn)原、副邊的模擬信號(hào)傳輸。通常，組成非接觸信號(hào)耦合的傳輸裝置是由能形成一定磁路互傳的兩組繞制在鐵磁材料的線(xiàn)包組成，由于作為重要組成部分的鐵磁材料[1-2]的存在，此類(lèi)介質(zhì)存在以下諸多缺陷：

1)當(dāng)溫度變化范圍比較大時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生較大變化，相應(yīng)地，傳輸裝置上所測(cè)得的電感量也會(huì)發(fā)生較大變化，影響到耦合諧振電路的耦合參數(shù)，從而形成一些潛在的不穩(wěn)定性因素，影響到非接觸通信系統(tǒng)的可靠性。

2)由于鐵磁材料的易碎性，傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸裝置在諸多振動(dòng)量級(jí)較大的場(chǎng)合應(yīng)用受限。

3)由于磁芯材料無(wú)韌性，成型后的磁材都有一定的厚度，傳統(tǒng)的傳輸裝置不能實(shí)現(xiàn)軟接觸安裝和超薄安裝。

4)在實(shí)際生產(chǎn)中，特殊定制的磁芯加工存在著開(kāi)模費(fèi)價(jià)格高、廢品率高的問(wèn)題，這就決定了應(yīng)用者即使付出高昂代價(jià)，也不一定能夠得到一致性非常好的磁芯。

針對(duì)上述傳統(tǒng)非接觸磁材耦合裝置成本高，感量寬溫易變性、大量級(jí)振動(dòng)應(yīng)用和旋轉(zhuǎn)端面安裝受限性，以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟接觸安裝、超薄安裝等諸多問(wèn)題，本文提出了一種新型的非接觸耦合裝置，利用印制銅線(xiàn)組或是多組導(dǎo)線(xiàn)繞制成型螺旋盤(pán)狀的方式形成電磁耦合介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了原、副邊通信。該新型裝置具有成本低、抗振性強(qiáng)、安裝方式靈活、能寬溫應(yīng)用等特點(diǎn)，同時(shí)適用于需要原、副邊相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

1 新型非接觸耦合裝置分析

一種用于信號(hào)傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置，包括原邊線(xiàn)包、副邊線(xiàn)包和可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)，原邊線(xiàn)包、副邊線(xiàn)包均安裝在可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)上，原邊線(xiàn)包、副邊線(xiàn)包之間形成信號(hào)耦合路徑，其組成示意圖如圖1所示。

圖1 一種用于信號(hào)傳輸?shù)鸟詈涎b置組成示意圖Fig.1 Composition of a coupling device for signal transmission

如圖1所示，原邊線(xiàn)包和副邊線(xiàn)包實(shí)際是一組或多組導(dǎo)線(xiàn)，或是一組或多組印制銅線(xiàn)組[3-5]；信號(hào)耦合路徑是指能夠在兩組線(xiàn)包間形成信號(hào)耦合的路徑?？尚D(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)為一對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸，原邊線(xiàn)包或副邊線(xiàn)包分別固定在原、副邊軸上。原邊線(xiàn)包、副邊線(xiàn)包兩端或是同時(shí)靜止；或是一端靜止，另一端旋轉(zhuǎn)；或是兩端同時(shí)同向旋轉(zhuǎn)；或是兩端同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。

1.1 安裝優(yōu)勢(shì)和可旋轉(zhuǎn)特性

原/副邊線(xiàn)包采用螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束的多組導(dǎo)線(xiàn)或印制銅線(xiàn)組，均不存在易碎性的問(wèn)題，且制作成本低。對(duì)于采用螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束的多組導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)安裝形式，由于線(xiàn)體本身是柔性的，灌膠成型工裝外形曲度可控，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇張力、硬度適合的膠成型超薄且張力適度的線(xiàn)束體，實(shí)現(xiàn)超薄安裝和軟接觸安裝。對(duì)于印制板銅線(xiàn)組的實(shí)現(xiàn)方式，由于印制板的制造工藝越來(lái)越先進(jìn)，剛性印制板目前最高可達(dá)40層以上的銅線(xiàn)鋪疊，溫度適應(yīng)范圍在-70℃～200℃之間，其厚度可以輕松控制在1mm以?xún)?nèi)。如果采用柔性印制板的實(shí)現(xiàn)方式，其生產(chǎn)工藝可以實(shí)現(xiàn)纖薄如紙片，彎曲度大，以及超薄安裝和軟接觸安裝。采用印制銅線(xiàn)組實(shí)現(xiàn)的原/副邊線(xiàn)包，其相對(duì)距離確定后，各自的電感量和互感在印制板可適應(yīng)的溫度范圍內(nèi)一致性非常好，完美地解決了傳統(tǒng)信號(hào)傳輸裝置的感量寬溫易變性、大量級(jí)振動(dòng)應(yīng)用受限性的問(wèn)題。

原邊線(xiàn)包或副邊線(xiàn)包可采用粘膠黏合、螺釘緊固或卡槽鑲嵌方式固定在原/副邊旋轉(zhuǎn)軸[6-7]上，如圖2(a)和(b)所示。

(a)粘膠黏合或螺釘緊固安裝方式 (b)卡槽鑲嵌固定方式圖2 線(xiàn)包在旋轉(zhuǎn)軸上的安裝方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of installation method of wire wrap on rotating shaft

如圖2(a)所示，用粘膠黏合的方式將原邊線(xiàn)包或副邊線(xiàn)包固定在旋轉(zhuǎn)軸的情況，主要針對(duì)導(dǎo)線(xiàn)灌膠成型螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束和柔性印制板銅線(xiàn)組。這種灌膠成型后螺線(xiàn)盤(pán)線(xiàn)束合或柔性印制板銅線(xiàn)組中心位置均可以是實(shí)心或是空心，根據(jù)實(shí)際安裝空間，外形可以多變。原/副邊兩組線(xiàn)束在中心相對(duì)軸向偏差不大的前提下，可以找任一點(diǎn)黏合在原/副邊旋轉(zhuǎn)軸上。兩組線(xiàn)束中心不是指導(dǎo)線(xiàn)灌膠成型外形或是柔性印制板外圍的中心，而是指導(dǎo)線(xiàn)繞制的螺線(xiàn)盤(pán)中心或是柔性印制板中銅線(xiàn)組的中心。

如圖2(a)所示，用螺釘緊固的方式將原邊線(xiàn)包或副邊線(xiàn)包固定在旋轉(zhuǎn)軸的情況，適用于能在非磁材料和印制板上留出安裝孔位的原/副邊線(xiàn)包。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)原/副邊旋轉(zhuǎn)軸的安裝孔位，在原/副邊兩組線(xiàn)束中心相對(duì)軸向偏差不大的前提下，留出需要的安裝孔位，然后用螺釘將兩者固定，此種安裝方式牢固且易維修。

如圖2(b)所示，用卡槽鑲嵌的方式將原邊線(xiàn)包或副邊線(xiàn)包固定在旋轉(zhuǎn)軸的情況，適用于所有形式的原/副邊線(xiàn)包，此種安裝方式牢固且易維修。

如圖1所示，固定于旋轉(zhuǎn)軸的多種安裝方式不影響該裝置的互感耦合路徑，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸在空間放置可以是縱向的，可以是橫向的，也可以是任意角度偏移的。

1.2 線(xiàn)包實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性、多樣性和低成本特性

原邊線(xiàn)包和副邊線(xiàn)包可以是一組導(dǎo)線(xiàn)，一組導(dǎo)線(xiàn)是指用一根導(dǎo)線(xiàn)繞制成有兩個(gè)出線(xiàn)端的一組螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束，螺旋盤(pán)可以為一層或多層。由于導(dǎo)線(xiàn)本體是柔性的，無(wú)法自成型固定成螺旋盤(pán)狀，一般采用灌膠成型或是將螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束黏合在非磁性材料上成型的方式，成型后的線(xiàn)束外形根據(jù)實(shí)體安裝空間的需要是多變的，或是對(duì)稱(chēng)形狀或是不對(duì)稱(chēng)形狀。螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束匝數(shù)N(1

圖3 空心螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束示意圖Fig.3 Diagram of hollow rotary disc harness

原邊線(xiàn)包和副邊線(xiàn)包也可以是一組印制銅線(xiàn)組，一組印制銅線(xiàn)組是指在印制板上鋪設(shè)一根銅線(xiàn)繞制成有兩個(gè)出線(xiàn)端的一組非閉合環(huán)形銅線(xiàn)，印制板可以有一層或多層，多層間銅線(xiàn)通過(guò)過(guò)孔連接。印制板或是剛性印制板，或是柔性印制板，或是剛?cè)峤Y(jié)合印制板，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的安裝空間選擇，形狀多變。上述一組非閉合環(huán)形銅線(xiàn)，包括N匝環(huán)形銅線(xiàn)圈和兩個(gè)出線(xiàn)端(1

新型非接觸耦合裝置由于直接采用線(xiàn)包成型或者印制板走線(xiàn)等方式實(shí)現(xiàn)，也就不存在特殊定制的磁芯加工的問(wèn)題，省去了磁芯的開(kāi)模費(fèi)和加工成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性推廣價(jià)值。

1.3 多組信號(hào)同時(shí)傳輸特性

原邊線(xiàn)包和副邊線(xiàn)包還可以采用多組導(dǎo)線(xiàn)和多組印制銅線(xiàn)組，多組導(dǎo)線(xiàn)和多組印制銅線(xiàn)組就是指多個(gè)一組導(dǎo)線(xiàn)和多個(gè)一組印制銅線(xiàn)組，用于不同頻率信號(hào)同時(shí)傳輸。鑒于后端信號(hào)處理的問(wèn)題，在多組導(dǎo)線(xiàn)和多組印制銅線(xiàn)組傳輸?shù)男盘?hào)頻率必須是跨量級(jí)出現(xiàn)，最多只能是超高頻、高頻、中頻、低頻四組同時(shí)傳輸。

2 新型非接觸耦合裝置的電氣特性分析

2.1 信號(hào)傳輸路徑分解

新型傳輸裝置的兩組線(xiàn)包間形成了信號(hào)傳輸?shù)穆窂?，具體指電生磁、磁生電的傳導(dǎo)路徑。不論是一根導(dǎo)線(xiàn)灌膠成型或是黏合成型的螺旋盤(pán)狀線(xiàn)束，還是在剛性或是柔性或是剛?cè)峤Y(jié)合的印制板上排布一組環(huán)形銅線(xiàn)，都相當(dāng)于將一條長(zhǎng)長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線(xiàn)沿順時(shí)針或逆時(shí)針一個(gè)方向纏繞，形成一個(gè)扁平的螺線(xiàn)盤(pán)A。當(dāng)螺線(xiàn)盤(pán)A通電以后，螺線(xiàn)盤(pán)的每一匝都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)于每一匝相鄰的銅線(xiàn)之間電流方向?qū)偻嚓P(guān)系，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成疊加關(guān)系，利用右手螺旋定則(即安培定則[8])可以得到圖4所示的磁場(chǎng)H分布圖。

圖4 磁場(chǎng)分布示意圖Fig.4 Magnetic field distibution diagram

如圖4所示，當(dāng)另一螺線(xiàn)盤(pán)B置于螺線(xiàn)盤(pán)A產(chǎn)生的磁場(chǎng)中且做切割磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，必定產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，螺線(xiàn)盤(pán)B的安裝一般不會(huì)相對(duì)磁力線(xiàn)做來(lái)回切割運(yùn)動(dòng)，而呈靜止?fàn)顟B(tài)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；只要對(duì)螺線(xiàn)盤(pán)A加載交變信號(hào)，磁場(chǎng)H即變?yōu)榻蛔兇艌?chǎng)，螺線(xiàn)盤(pán)B無(wú)論靜止或是旋轉(zhuǎn)都能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；反之，對(duì)螺線(xiàn)盤(pán)B加載交變信號(hào)，磁場(chǎng)H即變?yōu)榻蛔兇艌?chǎng)，螺線(xiàn)盤(pán)A也能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

上述螺線(xiàn)盤(pán)A或螺線(xiàn)盤(pán)B產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值與兩螺線(xiàn)盤(pán)的距離[9]相關(guān)。距離越近，耦合信號(hào)越強(qiáng)，幅值越大；距離越遠(yuǎn)，耦合信號(hào)越弱，幅值越低。當(dāng)螺線(xiàn)盤(pán)A和螺線(xiàn)盤(pán)B之間的距離超過(guò)一定的磁場(chǎng)寬度時(shí)，信號(hào)無(wú)法進(jìn)行耦合諧振，耦合路徑不復(fù)存在。

2.2 耦合電路拓?fù)浞治?/h3>

傳輸裝置與原/副邊電路參數(shù)配合組成耦合諧振電路，其電路等效示意圖如圖5所示，圖5(a)是串聯(lián)耦合諧振，圖5(b)是并聯(lián)耦合諧振。從原邊出線(xiàn)端等效的電路參數(shù)是線(xiàn)匝內(nèi)阻R1和電感L1串聯(lián)，從副邊出線(xiàn)端等效的電路參數(shù)是線(xiàn)匝內(nèi)阻R2和電感L2串聯(lián)，原、副邊電感之間的互感系數(shù)為M。

(a)串聯(lián)耦合諧振電路等效示意圖

(b)并聯(lián)耦合諧振電路等效示意圖圖5 串、并聯(lián)耦合諧振電路等效示意圖Fig.5 Equivalent diagram of series and parallel coupling resonant circuit

3 實(shí)例設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

3.1 實(shí)例設(shè)計(jì)

用于信號(hào)傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置實(shí)例設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了原/副邊信號(hào)的雙向通信。本實(shí)例中，原邊進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，副邊進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖6 新型非接觸耦合裝置實(shí)例設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Example design diagram of new non-contact coupling device

如圖6所示，用于信號(hào)傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置，包括原邊線(xiàn)包A、副邊線(xiàn)包B和可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)，原邊線(xiàn)包A、副邊線(xiàn)包B分別安裝在可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)的原/副邊旋轉(zhuǎn)軸上，原邊線(xiàn)包A和副邊線(xiàn)包B之間形成信號(hào)傳輸路徑。本實(shí)例中，原邊線(xiàn)包A和副邊線(xiàn)包B均是一組單層的印制銅線(xiàn)組，信號(hào)傳輸路徑是指兩印制銅線(xiàn)組間形成的信號(hào)傳輸路徑。本實(shí)例中，可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)是用卡槽鑲嵌的方式，將原邊線(xiàn)包A和副邊線(xiàn)包B采用螺釘緊固印制板的方式安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，如圖2(b)所示。

該實(shí)例的印制銅線(xiàn)組是在剛性印制板上鋪設(shè)一層非閉合環(huán)形銅線(xiàn)，剛性印制板為中心為空心的環(huán)形板。其中一組非閉合環(huán)形銅線(xiàn)包括10匝環(huán)形銅線(xiàn)圈和兩個(gè)出線(xiàn)端，兩個(gè)出線(xiàn)端是印制板銅線(xiàn)組的起點(diǎn)和終點(diǎn)，其位置根據(jù)走線(xiàn)槽的位置需要任意確定。

該實(shí)例的信號(hào)傳輸路徑是指印制銅線(xiàn)組間形成的信號(hào)傳輸諧振路徑，具體指電生磁、磁生電的傳導(dǎo)路徑，如圖4所示。當(dāng)印制板上排布一組環(huán)形銅線(xiàn)時(shí)，相當(dāng)于將一條長(zhǎng)長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線(xiàn)沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蚶p繞，形成一個(gè)扁平的螺線(xiàn)盤(pán)A。當(dāng)螺線(xiàn)盤(pán)A通電以后，螺線(xiàn)盤(pán)的每一匝都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)于每一匝相鄰的銅線(xiàn)之間電流方向?qū)偻嚓P(guān)系，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成疊加關(guān)系，利用右手螺旋定則(即安培定則)可以得到圖4所示的磁場(chǎng)H分布圖。當(dāng)另一塊印制銅線(xiàn)組形成的螺線(xiàn)盤(pán)B置于螺線(xiàn)盤(pán)A產(chǎn)生的磁場(chǎng)中且做切割磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，必定產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，螺線(xiàn)盤(pán)B的安裝一般不會(huì)相對(duì)磁力線(xiàn)做來(lái)回切割運(yùn)動(dòng)，而呈靜止?fàn)顟B(tài)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；只要對(duì)螺線(xiàn)盤(pán)A加載交變信號(hào)，磁場(chǎng)H即變?yōu)榻蛔兇艌?chǎng)，螺線(xiàn)盤(pán)B無(wú)論靜止或是旋轉(zhuǎn)都能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；反之，對(duì)螺線(xiàn)盤(pán)B加載交變信號(hào)，磁場(chǎng)H即變?yōu)榻蛔兇艌?chǎng)，螺線(xiàn)盤(pán)A也能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

(1)

(2)

3.2 實(shí)例測(cè)試及結(jié)果

表1 副邊耦合信號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 原邊耦合信號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)

由表1和表2所列數(shù)據(jù)可以看出，從常溫到175℃環(huán)境變化時(shí),副/原邊耦合信號(hào)的頻率不超過(guò)1%，正弦波峰值和波谷值在155℃環(huán)境下衰減小于常溫值的10%，在175℃環(huán)境下衰減小于常溫值的20%。這樣的變化量可以滿(mǎn)足后期解碼電路的冗余度設(shè)計(jì)，說(shuō)明該裝置能夠適應(yīng)寬溫的應(yīng)用環(huán)境。

4 結(jié) 論

針對(duì)非接觸通信系統(tǒng)中的傳統(tǒng)耦合裝置所用鐵磁材料存在感量寬溫易變性、大量級(jí)振動(dòng)應(yīng)用和旋轉(zhuǎn)端面安裝受限性等問(wèn)題，新型耦合裝置采用印制銅線(xiàn)組或是多組導(dǎo)線(xiàn)繞制成型螺旋盤(pán)狀的方式替代傳統(tǒng)鐵磁材料形成通信介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了原、副邊高質(zhì)量通信。

用于信號(hào)傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置，因?yàn)椴淮嬖诖挪牡牟捎?，外界環(huán)境溫度的適應(yīng)性?xún)H僅取決于線(xiàn)纜、黏合膠或灌封膠的溫度特性，或是印制板材質(zhì)的溫度特性。通常情況下，-55℃～200℃的線(xiàn)纜，黏合膠或灌封膠都比較容易選取和購(gòu)買(mǎi)，且能應(yīng)用于該范圍內(nèi)的印制板基材也不少。結(jié)合實(shí)例設(shè)計(jì)的卡槽鑲嵌式印制板安裝形式和耦合信號(hào)的多溫度試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置具有安裝靈活、寬溫適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。