D0I:10.13374/i.is8n1001053x.2005.06.021 第27卷第6期 北京科技大学学报 VoL27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2005 无线能量传输技术及其在扭矩监测系统中的应用 张雪松1，)朱超甫》张春发》李忠富” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)中原工学院，郑州4500073)天津市治金工业总公司，天津300050 摘要为了向安装在旋转部件上的监测系统持续稳定地输送能量以保证其正常工作，提 出了基于微带天线的能量传输技术，并根据实际应用的要求设计了能量传输系统的总体方 案.对于发射天线的馈源问题，提出了一种分散式的供源方案，并对单对天线、多对天线的能 量传输情况进行了研究.分析了交错速度对能量传输系统的影响，结果表明，采用本方案来 传输能量可以满足实际应用需要。 关键词微带天线：能量传输：扭矩监测：监测系统 分类号TN817 扭矩监测系统可以随时对设备的运行状况 功率源一发射天线一接收天线一整流、滤波一组 进行监测，以保证设备处于良好的工作状态，对 合输出.能量传输系统的立体结构如图1所示. 一些重要的处于旋转状态的轴类部件进行实时 在本系统中，发射天线的微波源来用的是分 监测，需要解决两个问题：一是如何向旋转部件 散式的供源方案，如图2所示.单独、分散安装功 上的监测系统提供能量：二是监测信息如何向外 率源的优点是：省去了采用集中式供源方案时的 传输。 功率分配器，减少了功率分配时的能量损失：单 在传统的扭矩监测系统中，向处于旋转状态 独的功率源功率很小，该方案降低了制造难度， 的监测系统提供能量的方法有很多种，如滑环供 且安全防护要求也随之降低，便于现场使用：而 电、旋转变压器供电、光电池供电等.这些方法各 且可以与发射天线通过集成化设计组合为一体， 有优缺点：滑环在高速旋转状态下长期运行时， 使安装、调整都很方便， 在滑环和电刷之间就会因为电蚀而产生较大的 在通信工程中通常要求天线要有较宽的频 电阻，从而使得能量传输不稳定：旋转变压器在 带，而在本系统中天线仅在一个固定的频率点传 安装工艺上要求较高，现场的污染和温度变化对 输能量，频率高有利于能量的集中，所以工作频 其影响较大：光电池法对环境的要求更高，粉尘、 率应该在微波波段，一般选在2GHz以上.提高 油污可能会严重影响其传输效率.为更好地解决 频率对缩小天线的尺寸是有益的，但频率太高又 以上方法所产生的弊端，本文提出了一种新的非 接触式的能量传输方案，即采用微带天线来传输 能量”.微带天线具有低剖面、低成本、易集成等 旋转轴 旋转轴 优点网.采用收发两套天线即可实现外部能量与 旋转轴之间的传输.本文针对微带天线的传输性 接收天线 接收天线 能进行了研究. 发射天线 发射天线 图1传输系统立体结构示意图 1总体结构方案及技术条件 Fig.I Diagrammatic sketch of the energy transmission system 能量传输系统的总体结构分两大部分：能量 功率源功率源功率源功率源 功率源 的传输和能量接收后的处理，系统总体结构为： 天线 天线 天线 天线 天线 收稿日期：2004-11-14修回日期：20050410 图2分撇式功率源方案 作者简介：张雪松(1971一)，男，博士研究生 Fig.2 Distributed scheme of the power supply第 卷 第 ‘ 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 扮 艳 血 代 。 无线能量传输技术及其在扭矩监测系统 中的应用 张 雪 松 ’ ， ， 北 京科技大学机械工 程学 院 ， 北 京 朱超 甫 ” 张春发 ” 李忠 富 ” 中原工 学 院 ， 郑 州 天津市冶金 工 业 总 公 司 ， 天 津 摘 要 为 了 向安装在旋转 部件上 的监 测 系 统 持续稳 定 地 输送 能量 以保 证 其 正 常 工 作 ， 提 出 了基 于 微 带 天 线 的 能量 传输技术 ， 并根据 实 际 应用 的要 求 设 计 了 能 量 传 输 系统 的总 体 方 案 对 于发射 天 线的馈源 问题 ， 提 出 了一 种分 散式 的供源方案 ， 并对 单对 天 线 、 多对 天 线 的 能 量传输情 况进 行 了研 究 分析 了交错 速度对 能量 传 输系统 的影 响 结 果表 明 ， 采用 本 方 案来 传 输能量 可 以满足实 际应 用 需要 关键 词 微带天线 能量 传输 扭 矩 监 测 监 测 系统 分 类号 扭 矩 监 测 系统 可 以随 时对 设 备 的运 行 状 况 进 行 监 测 ， 以保证 设 备 处 于 良好 的工 作 状 态 对 一 些 重要 的处 于 旋 转 状 态 的轴 类 部 件 进 行 实 时 监 测 ， 需要 解 决两个 问题 一 是 如何 向旋转 部件 上 的监测 系统提供 能量 二 是监测 信 息如何 向外 传 输 在传统 的扭矩监 测 系统 中 ， 向处 于旋转状 态 的监 测系统提供 能量 的方法 有 很 多种 ， 如滑 环 供 电 、 旋 转变压 器供 电 、 光 电池 供 电等 这些 方法 各 有 优 缺 点 滑 环在高速 旋转 状态 下 长 期运 行 时 ， 在 滑 环 和 电刷 之 间就 会 因 为 电蚀 而 产 生 较 大 的 电阻 ， 从 而 使得 能量传 输 不 稳 定 旋 转 变 压 器 在 安装工 艺上 要求较 高 ， 现场 的污 染和温度变化对 其影 响较 大 光 电池 法对环 境 的要 求更 高 ， 粉尘 、 油污可 能会 严重 影 响其传 输 效率 为更好地解 决 以上 方法所 产 生 的弊端 ， 本 文提 出 了一种新的非 接触 式 的能量传输方案 ， 即采用 微 带 天线 来传 输 能量 【 微 带天线具 有 低 剖面 、 低 成 本 、 易集 成 等 优 点 口， 采用 收发两 套天 线 即可 实现 外 部 能量 与 旋转轴之 间的传输 本文 针 对微 带天 线 的传输性 能进 行 了研 究 功率源 一 发射 天 线 一 接 收 天 线 一 整 流 、 滤 波 一 组 合 输 出 能量 传 输系 统 的立 体 结 构 如 图 所 示 在 本 系 统 中 ， 发射 天 线 的微 波 源 采 用 的是 分 散式 的供源 方 案 ， 如 图 所 示 单独 、 分 散 安 装 功 率源 的优 点是 省 去 了采用 集 中式供源 方 案 时 的 功 率分 配 器 ， 减 少 了功 率分 配 时 的能量 损 失 单 独 的功率 源 功率 很 小 ， 该 方 案 降低 了制 造 难 度 ， 且 安全 防护 要 求 也 随之 降低 ， 便 于 现场 使 用 而 且 可 以与 发射 天 线通过 集 成 化 设计 组 合 为一 体 ， 使 安装 、 调 整 都很 方 便 在 通 信 工 程 中通 常 要 求 天 线 要 有 较 宽 的频 带 ， 而在 本 系统 中天 线 仅 在 一 个 固定 的频 率 点传 输能量 ， 频率 高有利 于 能量 的集 中 ， 所 以工 作频 率应 该 在 微波 波 段 ， 一 般 选 在 比 以上 提 高 频 率对 缩 小天线 的尺 寸是 有 益 的 ， 但 频 率 太 高又 转轴 旋转轴 收天线 射天线 接收天线 发射天线 总体 结构方 案及 技术条件 能量传输系统 的 总体 结 构 分 两大 部 分 能量 的传输和 能量接收后 的处 理 系 统 总体 结构 为 收稿 日期 一 修 回 日期 刁今 作者简介 张雪松 一 ， 男 ， 博 士 研 究 生 图 传输 系 统立 体 结 构示 惫 图 廿 卜 卜 罢罢 图 罢 分 散式功 罗 率源 方 案 口罗 ， ， 卜 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．06．021