利用非接触式电源和数据传输实现无磨损、低维护的工业解决方案

在工业应用中，对于像机器人工具和精密分度台这样的旋转设备，灵活且高度可靠的连接至关重要。这些系统运动与旋转频繁，常暴露于污垢和振动环境中，易导致传统连接器或滑环失效。

设计人员需要新的解决方案来克服传统方法在此类及其他挑战性应用中的局限。新的方案必须能够支持高至 100 Mbps 的安全全双工以太网连接，并能通过 12 mm 的间隙（或仅传输数据时的 40 mm）为传感器及其他组件提供最高 50 W的功率传输能力。

灵活的安装选项对于支持广泛的系统设计必不可少，同时需要简单可见的 LED 指示灯以实现快速诊断

在严苛的工业环境中运行需具备 IP65 防护等级，并且该方案必须满足 EN 62262 标准的 IK06 等级要求，这表明其能够承受能量高达 1 焦耳的外部机械冲击。简便的安装或更换可以最大限度地降低维护成本并减少停机时间。

本文首先简要回顾在各种工业应用中使用传统连接器和滑环所面临的挑战，然后深入探讨了 Phoenix Contact 的 NearFi 耦合器的功能，详细说明了这些耦合器如何满足挑战性工业应用中非接触式电力和数据传输的电气、机械及安全需求。

机器人可靠性挑战

在自动化装配流程中，机器人频繁更换工具会对其连接器构成显著挑战。这些工具更换可能每天需要进行数百次插拔循环。

每次插拔循环都会使触头暴露于污染物中，并因接触摩擦导致磨损。如果连接器未精确对准，触头还可能发生弯曲。

其结果是降低了连接器的可靠性并造成不可预测的停机维护。除了用于工具连接的接口，一些机器人的旋转臂和关节中还使用滑环来传输数据和电力。

滑环限制

滑环也常见于风力发电涡轮机、食品和制药加工及包装生产线等其他工业流程中。与传统连接器类似，滑环暴露于污染物环境时可能受损，并可能经历过度机械磨损。

由于摩擦，滑环会发热，可能需要关注其热管理。在某些应用中，滑环可能承受强烈的振动或突然的冲击，这可能导致损坏、造成接触压力不稳定，甚至引发机械故障。

传统连接器和滑环都给机器设计带来了与尺寸限制、运动约束以及维护可及性相关的挑战。这进一步加剧了诸多应用中的难题，包括由振动、粉尘、污垢和接触磨损等引起的间歇性连接故障。

NearFi 解决方案

采用“更好”的连接器或许能在性能和可靠性上带来一定提升，但真正需要的是一个能彻底解决这个棘手连接难题的开箱即用式方案——这正是 NearFi 的意义所在。

NearFi 是一种非接触式技术，能够通过几厘米的空气间隙或塑料、玻璃和木材等非金属材料，实现无磨损、可靠的通信和电力传输。仅传输数据时，NearFi 可跨越 40 mm 的空气间隙进行连接。而传输电力或同时传输电力与数据时，可跨越 12 mm 的空气间隙进行连接。

NearFi 利用 60 GHz 无线技术传输数据，并通过感应耦合将电力从基座耦合器传输至远程耦合器。耦合器外壳防护等级达 IP65 和 IK06，并采用 M12 连接技术，确保在严苛的工业环境中实现无磨损、免维护运行。

NearFi 系统为设计人员提供了三个解决方案选择：

• 使用 1234224 基座耦合器和 1234225 远程耦合器，同时进行数据和电力传输。
• 使用 1234229 基座耦合器和 1234226 远程耦合器，可以在没有数据支持的情况下连接电力。
• 使用 1234232 基座耦合器和 1234234 远程耦合器，则可在无电力的情况下传输数据。

全双工以太网

有了 NearFi，数据可双向同时交换，无延迟。在不同频段上使用两个并行 60 GHz 连接，一个用于上行链路，一个用于下行链路，从而实现了全双工实时数据传输。因此，它适用于时间要求严格的工业协议，如 PROFINET 和 EtherCAT。由于传输技术与协议无关，因此可与任何标准以太网协议配合使用（图 1）。

图 1：NearFi 支持协议无关全双工 100 Mb/s 以太网。（图片来源：Phoenix Contact）

近场通信 (NFC) 的使用是影响 NearFi 性能的关键因素。传统的远场通信依赖于在空间中无限传播的电磁波，而 NFC 不同，它的能量并不是无限辐射出去的。它随着距离的增加而迅速衰减。NFC 是一种低功耗技术，可进一步降低电磁干扰 (EMI) 的可能性。

NFC 的使用还确保了与现有无线技术（如 WLAN 或蓝牙）的可靠共存。此外，标准的工业干扰频谱不会影响 NearFi 传输，因此在部署 NearFi 时无需进行频率规划。

有限的范围意味着多个 NearFi 链路可以在附近运行而不受干扰。最重要的是，NFC 可以实现可靠、免维护、高速的数据传输，并具有很强的抗电磁干扰能力。最后，耦合器外壳上的 LED 环可显示连接状态，便于排除故障，从而加快设置和诊断速度。

面向比特的传输

采用同步、面向比特的传输技术是 NearFi 性能的另一个关键。面向比特的技术与其他无线通信面向数据包的传输形成鲜明对比。

以面向数据包的实现方式通常会出现明显的延迟。数据到达发射器后，必须在传输前放入数据包。在接收器端，数据包在输出到系统之前会被拆包。

在 NearFi 同步传输中，数据在到达时直接逐比特发送，无需打包或拆包。这样就能产生连续的数据流，几乎消除了延迟。因此，NearFi 非常适合时间要求严格的工业以太网协议，如时间敏感网络 (TSN)、PROFINET 和 EtherCAT（图 2）。

图 2：NearFi 利用面向比特的传输方式来缓解传统基于数据包的通信方式带来的延迟挑战。（图片来源：Phoenix Contact）

此外，由于数据传输无需缓冲或打包，NearFi 是协议透明的，可处理任何以太网协议，无需配置。

NearFi 将通信限制在短距离内，从而解决了安全问题。它还可以支持高级安全措施，如加密、身份验证和标记化。

电力传输

NearFi 系统采用频率范围为 100 至 148.5 kHz 的感应式电力传输技术，其原理与某些智能手机无线充电器类似。传输功率可达 50 W (24 V_DC, 2 A)，并联传输功率可达 100 W。

主动闭环控制技术确保在整个工作区域内实现恒定的功率传输。该系统还支持传输两路电气隔离的电压（每路 50 W）。与数据连接一样，电力传输也使用基座耦合器和远程耦合器。

基座耦合器从控制器等来源接收 24 V_DC 电压。集成式通信电力/传感器电压转换器又称 US 转换器（"U" 是德语中的电压符号），可将 24 V_DC 转换为用于感应式传输的高频电力。远程耦合器接收高频感应电力，并在 UA（执行器电压）转换器中将其转换回 24 V_DC，供 I/O、开关、传感器、执行器和其他功能使用（图 3）。

图 3：电力在基座耦合器和远程耦合器之间进行电感耦合。（图片来源：Phoenix Contact）

快速启动

NearFi 快速启动功能可快速 (<500 ms) 重建实时链路。之所以能够做到这一点，是因为在 NearFi 耦合器还在相互接近的过程中，电力传输和数据通信就已经开始了。

快速启动可大大缩短像机器人工具更换之类应用的周期时间（图 4）。NearFi 的双向数据传输功能还能让新工具（或其他附件）向系统表明自己的身份，确认是正确的物品。

图 4：NearFi 可用于机器人工具更换站。（图片来源：Phoenix Contact）

更多应用创意

NearFi 耦合器可以用面对面、偏移或切向角度连接在一起。它们还可用于基座耦合器静止而远程耦合器旋转的应用场合（图 5）。NearFi 耦合器开箱即用，无需编程，加快了应用开发和部署速度。

图 5：在此应用中，左侧的远程耦合器在旋转，而右侧的基座耦合器处于静止状态。（图片来源：Phoenix Contact）

使 NearFi 适用于机器人工具更换的相同功能也可满足自动导引车 (AGV) 以及材料和工件运输车等应用的需求。

旋转天线（例如机场常见的那些）可通过用 NearFi 耦合器替代传统滑环而受益。类似地，精密分度台在工业应用中，以及在食品饮料和制药行业的灌装机中，均可应用此技术。

结语

NearFi 技术解决了众多看似棘手的难题。它能够无线传输与协议无关的 100 Mbps 以太网信号，并提供高至 50 W 的功率，同时兼具灵活性与易用性。NearFi 耦合器专为严苛的工业环境设计，具有 IP65 和 IK06 防护等级，并采用 M12 连接方式。您将如何利用 NearFi 让您的下一个设计脱颖而出呢？

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