一种用于信号传输的新型非接触耦合装置*

余 莉，马子懿，冯涌泉，胡广明

(航天科工惯性技术有限公司·北京·100074)

0 引 言

近几年，在电动汽车充电桩、石油旋转导向、智能家居、医疗、轨道交通、物联网等领域中，开展了大量信号非接触传输技术的研究。在非接触通信系统中，耦合装置是一种能形成电磁耦合的介质。互相通信的双方称作原边和副边，传输装置与原/副边电路参数配合组成耦合谐振电路，实现原、副边的模拟信号传输。通常，组成非接触信号耦合的传输装置是由能形成一定磁路互传的两组绕制在铁磁材料的线包组成，由于作为重要组成部分的铁磁材料[1-2]的存在，此类介质存在以下诸多缺陷：

1)当温度变化范围比较大时，铁磁材料的磁导率会发生较大变化，相应地，传输装置上所测得的电感量也会发生较大变化，影响到耦合谐振电路的耦合参数，从而形成一些潜在的不稳定性因素，影响到非接触通信系统的可靠性。

2)由于铁磁材料的易碎性，传统的信号传输装置在诸多振动量级较大的场合应用受限。

3)由于磁芯材料无韧性，成型后的磁材都有一定的厚度，传统的传输装置不能实现软接触安装和超薄安装。

4)在实际生产中，特殊定制的磁芯加工存在着开模费价格高、废品率高的问题，这就决定了应用者即使付出高昂代价，也不一定能够得到一致性非常好的磁芯。

针对上述传统非接触磁材耦合装置成本高，感量宽温易变性、大量级振动应用和旋转端面安装受限性，以及无法实现软接触安装、超薄安装等诸多问题，本文提出了一种新型的非接触耦合装置，利用印制铜线组或是多组导线绕制成型螺旋盘状的方式形成电磁耦合介质，从而实现了原、副边通信。该新型装置具有成本低、抗振性强、安装方式灵活、能宽温应用等特点，同时适用于需要原、副边相对旋转运动的信号传输系统。

1 新型非接触耦合装置分析

一种用于信号传输的新型非接触耦合装置，包括原边线包、副边线包和可旋转安装结构，原边线包、副边线包均安装在可旋转安装结构上，原边线包、副边线包之间形成信号耦合路径，其组成示意图如图1所示。

图1 一种用于信号传输的耦合装置组成示意图Fig.1 Composition of a coupling device for signal transmission

如图1所示，原边线包和副边线包实际是一组或多组导线，或是一组或多组印制铜线组[3-5]；信号耦合路径是指能够在两组线包间形成信号耦合的路径。可旋转安装结构为一对独立驱动的旋转轴，原边线包或副边线包分别固定在原、副边轴上。原边线包、副边线包两端或是同时静止；或是一端静止，另一端旋转；或是两端同时同向旋转；或是两端同时反向旋转。

1.1 安装优势和可旋转特性

原/副边线包采用螺旋盘状线束的多组导线或印制铜线组，均不存在易碎性的问题，且制作成本低。对于采用螺旋盘状线束的多组导线结构安装形式，由于线体本身是柔性的，灌胶成型工装外形曲度可控，实际应用中可以根据需要选择张力、硬度适合的胶成型超薄且张力适度的线束体，实现超薄安装和软接触安装。对于印制板铜线组的实现方式，由于印制板的制造工艺越来越先进，刚性印制板目前最高可达40层以上的铜线铺叠，温度适应范围在-70℃～200℃之间，其厚度可以轻松控制在1mm以内。如果采用柔性印制板的实现方式，其生产工艺可以实现纤薄如纸片，弯曲度大，以及超薄安装和软接触安装。采用印制铜线组实现的原/副边线包，其相对距离确定后，各自的电感量和互感在印制板可适应的温度范围内一致性非常好，完美地解决了传统信号传输装置的感量宽温易变性、大量级振动应用受限性的问题。

原边线包或副边线包可采用粘胶黏合、螺钉紧固或卡槽镶嵌方式固定在原/副边旋转轴[6-7]上，如图2(a)和(b)所示。

(a)粘胶黏合或螺钉紧固安装方式 (b)卡槽镶嵌固定方式图2 线包在旋转轴上的安装方式示意图Fig.2 Schematic diagram of installation method of wire wrap on rotating shaft

如图2(a)所示，用粘胶黏合的方式将原边线包或副边线包固定在旋转轴的情况，主要针对导线灌胶成型螺旋盘状线束和柔性印制板铜线组。这种灌胶成型后螺线盘线束合或柔性印制板铜线组中心位置均可以是实心或是空心，根据实际安装空间，外形可以多变。原/副边两组线束在中心相对轴向偏差不大的前提下，可以找任一点黏合在原/副边旋转轴上。两组线束中心不是指导线灌胶成型外形或是柔性印制板外围的中心，而是指导线绕制的螺线盘中心或是柔性印制板中铜线组的中心。

如图2(a)所示，用螺钉紧固的方式将原边线包或副边线包固定在旋转轴的情况，适用于能在非磁材料和印制板上留出安装孔位的原/副边线包。实际应用中，根据原/副边旋转轴的安装孔位，在原/副边两组线束中心相对轴向偏差不大的前提下，留出需要的安装孔位，然后用螺钉将两者固定，此种安装方式牢固且易维修。

如图2(b)所示，用卡槽镶嵌的方式将原边线包或副边线包固定在旋转轴的情况，适用于所有形式的原/副边线包，此种安装方式牢固且易维修。

如图1所示，固定于旋转轴的多种安装方式不影响该装置的互感耦合路径，且相对运动的旋转轴在空间放置可以是纵向的，可以是横向的，也可以是任意角度偏移的。

1.2 线包实现的简易性、多样性和低成本特性

原边线包和副边线包可以是一组导线，一组导线是指用一根导线绕制成有两个出线端的一组螺旋盘状线束，螺旋盘可以为一层或多层。由于导线本体是柔性的，无法自成型固定成螺旋盘状，一般采用灌胶成型或是将螺旋盘状线束黏合在非磁性材料上成型的方式，成型后的线束外形根据实体安装空间的需要是多变的，或是对称形状或是不对称形状。螺旋盘状线束匝数N(1

图3 空心螺旋盘状线束示意图Fig.3 Diagram of hollow rotary disc harness

原边线包和副边线包也可以是一组印制铜线组，一组印制铜线组是指在印制板上铺设一根铜线绕制成有两个出线端的一组非闭合环形铜线，印制板可以有一层或多层，多层间铜线通过过孔连接。印制板或是刚性印制板，或是柔性印制板，或是刚柔结合印制板，根据实际结构的安装空间选择，形状多变。上述一组非闭合环形铜线，包括N匝环形铜线圈和两个出线端(1

新型非接触耦合装置由于直接采用线包成型或者印制板走线等方式实现，也就不存在特殊定制的磁芯加工的问题，省去了磁芯的开模费和加工成本，具有很好的经济性推广价值。

1.3 多组信号同时传输特性

原边线包和副边线包还可以采用多组导线和多组印制铜线组，多组导线和多组印制铜线组就是指多个一组导线和多个一组印制铜线组，用于不同频率信号同时传输。鉴于后端信号处理的问题，在多组导线和多组印制铜线组传输的信号频率必须是跨量级出现，最多只能是超高频、高频、中频、低频四组同时传输。

2 新型非接触耦合装置的电气特性分析

2.1 信号传输路径分解

新型传输装置的两组线包间形成了信号传输的路径，具体指电生磁、磁生电的传导路径。不论是一根导线灌胶成型或是黏合成型的螺旋盘状线束，还是在刚性或是柔性或是刚柔结合的印制板上排布一组环形铜线，都相当于将一条长长的金属导线沿顺时针或逆时针一个方向缠绕，形成一个扁平的螺线盘A。当螺线盘A通电以后，螺线盘的每一匝都会产生磁场，对于每一匝相邻的铜线之间电流方向属同相关系，它们产生的磁场形成叠加关系，利用右手螺旋定则(即安培定则[8])可以得到图4所示的磁场H分布图。

图4 磁场分布示意图Fig.4 Magnetic field distibution diagram

如图4所示，当另一螺线盘B置于螺线盘A产生的磁场中且做切割磁场的运动时，必定产生感应电动势。实际应用环境中，螺线盘B的安装一般不会相对磁力线做来回切割运动，而呈静止状态或者旋转运动；只要对螺线盘A加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘B无论静止或是旋转都能产生感应电动势；反之，对螺线盘B加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘A也能产生感应电动势。

上述螺线盘A或螺线盘B产生的感应电动势的幅值与两螺线盘的距离[9]相关。距离越近，耦合信号越强，幅值越大；距离越远，耦合信号越弱，幅值越低。当螺线盘A和螺线盘B之间的距离超过一定的磁场宽度时，信号无法进行耦合谐振，耦合路径不复存在。

2.2 耦合电路拓扑分析

传输装置与原/副边电路参数配合组成耦合谐振电路，其电路等效示意图如图5所示，图5(a)是串联耦合谐振，图5(b)是并联耦合谐振。从原边出线端等效的电路参数是线匝内阻R1和电感L1串联，从副边出线端等效的电路参数是线匝内阻R2和电感L2串联，原、副边电感之间的互感系数为M。

(a)串联耦合谐振电路等效示意图

(b)并联耦合谐振电路等效示意图图5 串、并联耦合谐振电路等效示意图Fig.5 Equivalent diagram of series and parallel coupling resonant circuit

3 实例设计及测试结果

3.1 实例设计

用于信号传输的新型非接触耦合装置实例设计示意图如图6所示，实现了原/副边信号的双向通信。本实例中，原边进行顺时针旋转运动，副边进行逆时针旋转运动。

图6 新型非接触耦合装置实例设计示意图Fig.6 Example design diagram of new non-contact coupling device

如图6所示，用于信号传输的新型非接触耦合装置，包括原边线包A、副边线包B和可旋转安装结构，原边线包A、副边线包B分别安装在可旋转安装结构的原/副边旋转轴上，原边线包A和副边线包B之间形成信号传输路径。本实例中，原边线包A和副边线包B均是一组单层的印制铜线组，信号传输路径是指两印制铜线组间形成的信号传输路径。本实例中，可旋转安装结构是用卡槽镶嵌的方式，将原边线包A和副边线包B采用螺钉紧固印制板的方式安装在旋转轴上，如图2(b)所示。

该实例的印制铜线组是在刚性印制板上铺设一层非闭合环形铜线，刚性印制板为中心为空心的环形板。其中一组非闭合环形铜线包括10匝环形铜线圈和两个出线端，两个出线端是印制板铜线组的起点和终点，其位置根据走线槽的位置需要任意确定。

该实例的信号传输路径是指印制铜线组间形成的信号传输谐振路径，具体指电生磁、磁生电的传导路径，如图4所示。当印制板上排布一组环形铜线时，相当于将一条长长的金属导线沿顺时针或逆时针方向缠绕，形成一个扁平的螺线盘A。当螺线盘A通电以后，螺线盘的每一匝都会产生磁场，对于每一匝相邻的铜线之间电流方向属同相关系，它们产生的磁场形成叠加关系，利用右手螺旋定则(即安培定则)可以得到图4所示的磁场H分布图。当另一块印制铜线组形成的螺线盘B置于螺线盘A产生的磁场中且做切割磁场的运动时，必定产生感应电动势。实际应用环境中，螺线盘B的安装一般不会相对磁力线做来回切割运动，而呈静止状态或者旋转运动；只要对螺线盘A加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘B无论静止或是旋转都能产生感应电动势；反之，对螺线盘B加载交变信号，磁场H即变为交变磁场，螺线盘A也能产生感应电动势。

(1)

(2)

3.2 实例测试及结果

表1 副边耦合信号的主要技术参数

表2 原边耦合信号的主要技术参数

由表1和表2所列数据可以看出，从常温到175℃环境变化时,副/原边耦合信号的频率不超过1%，正弦波峰值和波谷值在155℃环境下衰减小于常温值的10%，在175℃环境下衰减小于常温值的20%。这样的变化量可以满足后期解码电路的冗余度设计，说明该装置能够适应宽温的应用环境。

4 结 论

针对非接触通信系统中的传统耦合装置所用铁磁材料存在感量宽温易变性、大量级振动应用和旋转端面安装受限性等问题，新型耦合装置采用印制铜线组或是多组导线绕制成型螺旋盘状的方式替代传统铁磁材料形成通信介质，从而实现了原、副边高质量通信。

用于信号传输的新型非接触耦合装置，因为不存在磁材的采用，外界环境温度的适应性仅仅取决于线缆、黏合胶或灌封胶的温度特性，或是印制板材质的温度特性。通常情况下，-55℃～200℃的线缆，黏合胶或灌封胶都比较容易选取和购买，且能应用于该范围内的印制板基材也不少。结合实例设计的卡槽镶嵌式印制板安装形式和耦合信号的多温度试验验证，该装置具有安装灵活、宽温适应性强等特点。