CN104779800A - 一种直流供电系统和系留飞行器 - Google Patents

一种直流供电系统和系留飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种直流供电系统和系留飞行器。一种直流供电系统，包括固定部分和旋转部分；固定部分包括供电端和第一线圈；旋转部分包括第二线圈；供电端将交流电传输至第一线圈，通过该第一线圈产生一交变磁场，第二线圈感应交变磁场产生交变的感应电流；第二线圈的旋转中心为第一线圈的中心轴；旋转部分以第二线圈的旋转中心正向或反向旋转，从而实现长电缆的收卷和释放。一种系留飞行器，其特征在于，包括权利要求1-9的直流供电系统。本发明通过用高频电磁感应代替电刷环，实现固定部分与转动部分的非接触式电能传递，同时将直流变压功能集成到高频电磁感应系统中。由于避免了接触式的电能传递，因此提高了传输的可靠性和使用寿命。

Description

一种直流供电系统和系留飞行器
技术领域
本发明涉及一种直流供电系统和系留飞行器。
背景技术
随着科技进步和军事现代化的发展，空中预警、空中巡航监控、空中电子通讯、空中侦察、空中试验、科研探测、航拍、遥感测绘、灾情监控等等，无疑都离不开机器人、飞行器。机器人、飞行器优点不少，但缺点也很明显：首先是在执行长时间任务时，其供电问题很难真正得到解决；其次是在数据传输过程中无线信号易受到周边复杂环境的影响。在此情形下应运而生的各类系留遥控机器人、系留飞行器能够很好地解决这类问题。
各类系留遥控机器人、系留飞行器是依靠与控制中心联接的缆线操纵行动，使用电缆遥控操纵系留遥控机器人、系留飞行器的优点是：（1）能长时间提供动力；（2）有高速率数据传送能力；（3）与控制中心之间的联系可靠，不会受到无线电或其他信号的干扰。通过系缆中的输电线缆使得地面电源连续向系留平台供电，实现飞行器长时间滞空飞行。
虽然系留飞行器、系留机器人、系留气球飞艇、系留遥控飞艇的优势非常显著，但由于其长距离供电以及位置改变导致的线缆拉扯等因素，使得提供一个稳定的长距离供电的系留电源成为系留式装置首先需要解决和完善的问题。
系留电源需要使用卷线器实现电缆的收放，传统的卷线器使用电刷环实现固定部分与转动部分的电能传递。通过电刷和滑环向转动部件供电的方案中，具体来说，电刷是固定的，滑环是转动的，必须保证两者稳定的接触。
缺点包括：
1- 持续的机械磨损，需要定期维护；
2- 可靠性不好，电刷与滑环之间容易发生接触不良；
3- 安全性不好，电刷与滑环不但暴露在外，而且两者之间容易产生电弧；
4- 绝缘保护要求较高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种能够实现稳定电能传递的直流供电系统和设置该直流 供电系统的系留飞行器。
根据本发明提供的一种直流供电系统，包括固定部分和旋转部分；所述固定部分包括供电端和第一线圈；所述旋转部分包括第二线圈；
所述供电端将交流电传输至所述第一线圈，通过该第一线圈产生一交变磁场，所述第二线圈感应所述交变磁场产生交变的感应电流；所述第二线圈的旋转中心轴、所述第二线圈的中心轴、所述第一线圈的中心轴三轴共线；所述旋转部分以所述第二线圈的旋转中心轴正向或反向旋转，从而实现长电缆的收卷和释放。
作为一种优化方案，所述旋转部分还包括整流部分，所述整流部分用于将所述感应电流整流为输出直流。
作为一种优化方案，所述旋转部分还包括卷线器，所述卷线器上绕设所述长电缆，所述卷线器用于：与所述第二线圈同步旋转，从而实现所述长电缆的收卷和释放。
作为一种优化方案，所述整流器为桥式整流器。
作为一种优化方案，所述供电端还包括高频电力电子变流器，所述高频电力电子变流器用于将输入直流变成高频交流电传输至所述第一线圈。
作为一种优化方案，所述高频电力电子变流器为桥式高频电力电子变流器。
作为一种优化方案，所述第一线圈的匝数小于所述第二线圈的匝数。
作为一种优化方案，所述第一线圈中设有磁芯。
作为一种优化方案，所述第二线圈中设有磁芯。
基于同一发明构思，本发明还提供一种系留飞行器，包括上述的直流供电系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的直流供电系统将输入直流低压逆变成为高频低压，通过转动的变压器变成高频高压，整流成为高压直流，不需要电刷和滑环就可以直接输出到长电缆。本发明不但避免了使用电刷和滑环，由此就避免了现有技术中电刷的缺点，在旋转收放长电缆的过程中也可以保证输出电流的稳定，且电磁感应的无接触特点使得系统的使用寿命更长。而且本发明提供的供电系统现对于目前使用的供电结构不增加新的模块，避免增加系统的繁杂程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是可选实施例中的一种直流供电系统结构框图；
图2是可选实施例中的一种高频电力电子变流器电路示意图；
图3是可选实施例中的第一线圈和旋转部分电路示意图；
图4是可选实施例中的设有第一线圈和/或第二线圈的磁芯侧视图；
图5是可选实施例中的设有第一线圈和/或第二线圈的磁芯正视图；
图6是可选实施例中的另一种直流供电系统结构示意图。
图中：
1-供电端，101-输入电容，102～105-电力电子开关，106-控制器，202、301-磁芯，202-第一线圈，302-第二线圈，3-旋转部分，303-二极管整流桥，304-滤波电感，305-滤波电容，4-空气间隙，5-卷线器，6-长电缆。
具体实施方式
下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明提供的一种直流供电系统的实施例中，如图1和图6所示，包括固定部分和旋转部分；所述固定部分包括供电端1和第一线圈202；所述旋转部分包括第二线圈302；所述供电端1与所述第一线圈202相连，所述第一线圈202与所述第二线圈302电磁耦合；
所述供电端1将交流电传输至所述第一线圈202，通过该第一线圈202产生一交变磁场，所述第二线圈302感应所述交变磁场产生交变的感应电流；所述第二线圈302的旋转中心轴、所述第二线圈302的中心轴、所述第一线圈202的中心轴三轴共线；所述旋转部分以所述第二线圈302的旋转中心轴正向或反向旋转，从而实现长电缆6的收卷和释放。
本实施例可用于系留飞行器、系留机器人的长距离供电。系留飞行器、系留机器人需要远离从而拉长所述长电缆6时，装有所述第二线圈302的所述旋转部分在所述长电缆6的拉力下进行正向旋转，释放所述长电缆6。在旋转部分旋转的过程中，由于所述第二线圈302的旋转并未切割所述交流电在第一线圈202产生的交变磁场的磁力线，因此所述第二线圈302的旋转对所述感应电流不产生任何影响，所述感应电流保持稳定。
作为一种实施例，所述旋转部分还包括整流部分，所述整流部分用于将所述感应电流整流为输出直流。
由于系留飞行器、系留机器人需要直流供电，因此本实施例以整流部分做交直流转换，从而为后续负载提供直流供电。若后续负载需要提供交流供电，则无需设置本实施例中的所述整流部分。
作为一种实施例，所述旋转部分还包括卷线器5，所述卷线器5上绕设所述长电缆6，所述卷线器5用于：与所述第二线圈302同步旋转，从而实现所述长电缆6的收卷和释放。
作为一种实施例，如图3所示，所述整流器为桥式整流器。图 3中所示是第一线圈202和旋转部分组成的等效电路图。其中旋转部分包括与所述第二线圈302相连的二极管整流桥303，所述交变的感应电流从所述第二线圈302传输至所述二极管整流桥303进行整流后，经过滤波电感304和滤波电容305的滤波后获得稳定的输出直流，输出至后续负载。输出直流的电压高低取决于第一线圈202和第二线圈302的的匝数比。
作为一种实施例，所述供电端1还包括高频电力电子变流器，所述高频电力电子变流器用于将输入直流变成高频交流电传输至所述第一线圈202。
系留电源需要使用卷线器实现电缆的收放，传统的卷线器使用电刷环实现固定部分与转动部分的电能传递。如果使用传统的电刷和滑环来实现我们需要的功能，那么就需要经过这么几个阶段：
直流低压逆变成为高频低压，通过变压器变成高频高压，整流成为高压直流，再通过电刷和滑环输出到电缆。
而本实施例用高频电磁感应代替电刷环，实现固定部分与转动部分的非接触式电能传递，同时将直流变压功能集成到高频电磁感应系统中。主要的优点是：
1、由于避免了接触式的电能传递，因此提高了传输的可靠性和使用寿命。
2、由于第一线圈202和第二线圈302直接集成了直流变压功能，因此减小了系统的整体体积和重量。
作为一种实施例，如图2所示，所述高频电力电子变流器为桥式高频电力电子变流器。
所述桥式高频电力电子变流器的基本原理如图2所示，包括输入电容101，电力电子开关102~105，和控制器106。
电力电子开关102~105可以是MOSFET、结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，缩写JFET）、绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，缩写IGBT)、或双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，缩写BJT），同时每个电力电子开关都安装有反并联二极管。
控制器106控制电力电子开关102~105高速开关动作，生成高频交流电输出至第一线圈202。
作为一种实施例，所述第一线圈202的匝数小于所述第二线圈302的匝数。通过选择第一线圈202和第二线圈302的匝数比可以实现各种直流变压比例，例如，可以使用低压直流输入，利用第一线圈202和第二线圈302的匝数比实现升压，以高压直流电的形式输出至长电缆6，高压有利于长距离输电。
作为一种实施例，如图4和图5所示，所述第一线圈202中设有磁芯202。
作为一种实施例，如图4和图5所示，所述第二线圈302中设有磁芯203。所述第一线圈202和/或第二线圈302缠绕并固定于所述磁芯202、203的中心轴和外壁之间的环形空槽中。
如图6所示，所述第一线圈202所在磁芯202与所述第二线圈302所在磁芯203之间设有空气间隙4，这种非接触的结构有效提高了器件的使用寿命。
基于同一发明构思，本发明还提供一种系留飞行器，包括上述的直流供电系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流供电系统，其特征在于，包括固定部分和旋转部分；所述固定部分包括供电端和第一线圈；所述旋转部分包括第二线圈；
所述供电端将交流电传输至所述第一线圈，通过该第一线圈产生一交变磁场，所述第二线圈感应所述交变磁场产生交变的感应电流；所述第二线圈的旋转中心轴、所述第二线圈的中心轴、所述第一线圈的中心轴三轴共线；所述旋转部分以所述第二线圈的旋转中心轴正向或反向旋转，从而实现长电缆的收卷和释放。
2.根据权利要求1所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述旋转部分还包括整流部分，所述整流部分用于将所述感应电流整流为输出直流。
3.根据权利要求2所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述旋转部分还包括卷线器，所述卷线器上绕设所述长电缆，所述卷线器用于：与所述第二线圈同步旋转，从而实现所述长电缆的收卷和释放。
4.根据权利要求2所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述整流器为桥式整流器。
5.根据权利要求1所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述供电端还包括高频电力电子变流器，所述高频电力电子变流器用于将输入直流变成高频交流电传输至所述第一线圈。
6.根据权利要求5所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述高频电力电子变流器为桥式高频电力电子变流器。
7.根据权利要求1所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述第一线圈的匝数小于所述第二线圈的匝数。
8.根据权利要求1所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述第一线圈中设有磁芯。
9.根据权利要求1所述的一种直流供电系统，其特征在于，所述第二线圈中设有磁芯。
10.一种系留飞行器，其特征在于，包括权利要求1-9所述的直流供电系统。
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