CN105529986A - 基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构 - Google Patents

基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，包括静止侧连接于空间飞行器的本体的电机、第二电磁机构、第一电磁机构，与所述空间飞行器本体连接的第一无线通信模块，以及与飞行器的太阳电池阵连接的第二无线通信模块；所述电机用以驱动所述太阳电池阵和第一电磁机构同步旋转，所述第一电磁机构与第二电磁机构沿其旋转轴心方向相对排布，所述太阳电池阵产生的电能经所述第二电磁机构转化为磁能并通过耦合传递至所述第一电磁机构，所述第一电磁机构用以将耦合得到的磁能转换为电能最终反馈至所述空间飞行器本体；所述本体与所述太阳电池阵之间通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块实现信号的交互。

Description

基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构
技术领域
本发明涉及航天领域，尤其涉及应用于空间驱动机构的无线能量传输和无线信息交互技术，以实现旋转机构的静止端与旋转端之间非接触功率和信号传输。
背景技术
目前，国内外航天器驱动机构为了实现0～360度旋转，其主动段与被动段之间的功率和信号传输主要通过滑环和滚环来实现，均为接触式电气传输机构。但由于滑环的摩檫力矩较大、滑动接触表面磨损严重，接触电阻较大，局部过热，可能引起短路或局部二次放电问题，这些不足导致难以满足未来航天器更大功率传输需求，也限制了其使用寿命和可靠性。
公开号为CN104158478A，名称为“基于电磁耦合无线能量传输的空间大功率导电旋转关节”的中国专利公布了一种用于空间太阳能电站连接太阳电池阵和发射天线的大功率旋转关节，用电磁耦合传输功率代替传统的电刷与贵金属接触方式传输功率，一定程度上克服了由于大功率传输和滑环接触电阻较大，而导致局部过热和二次放电问题。但仍然采用导电滑环组传递信号，并没有完全将电气传输功能从旋转组件中剥离出来，导致整个驱动机构仍然比较复杂，限制了其可靠度和使用寿命。并且，该专利采用谐振式耦合进行无线能量传输，谐振频率需要达到0.5MHz～25MHz才能保证正常工作，高频谐振使得穿过谐振线圈的转动轴承不宜使用金属材料，以避免产生涡流效应导致轴承严重发热，限制了该发明在航天领域的应用。
发明内容
为了解决以上提到的问题，本发明提供了一种基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，包括静止侧连接于空间飞行器的本体的电机、第二电磁机构、第一电磁机构，与所述空间飞行器本体连接的第一无线通信模块，以及与飞行器的太阳电池阵连接的第二无线通信模块；
所述电机用以驱动所述太阳电池阵和第一电磁机构同步旋转，所述第一电磁机构与第二电磁机构沿其旋转轴心方向相对排布，所述太阳电池阵产生的电能经所述第二电磁机构转化为磁能并通过耦合传递至所述第一电磁机构，所述第一电磁机构用以将耦合得到的磁能转换为电能最终反馈至所述空间飞行器本体；所述本体与所述太阳电池阵之间通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块实现信号的交互。
可选的，所述第二无线通信模块至少用以将太阳电池阵反馈的姿态信息反馈通过无线方式传输至所述第一无线通信模块，所述第一无线通信模块至少用以将所述姿态信息反馈至所述本体，使其能够据此控制所述电机的运作。
可选的，所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构还包括主动轴、从动轴和旋转轴承，所述电机驱动所述主动轴旋转，进而通过所述主动轴驱动所述从动轴绕同一轴心旋转，最终通过所述从动轴驱动所述太阳电池阵绕同一轴心旋转；
所述第一电磁机构设于所述主动轴外侧，且通过所述旋转轴承实现与所述主动轴的相对转动，所述第二电磁机构设于所述从动轴外侧。
可选的，所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构还包括全桥逆变模块和整流滤波模块，所述第二电磁机构产生的交流电经所述整流滤波模块转换为直流电后反馈至所述本体，所述太阳电池阵产生的直流电经所述全桥逆变模块转换为交流电后传至所述第一电磁机构。
可选的，所述全桥逆变模块还与所述第一无线通信模块连接，所述整流滤波模块还与所述第二无线通信模块连接，所述全桥逆变模块还用以将功率参数相关信息通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块传至所述整流滤波模块，进而反馈至所述本体。
可选的，所述第一无线通信模块、全桥逆变模块、第一电磁机构与所述太阳电池阵同步旋转。
可选的，所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构还包括第一补偿电容和第二补偿电容，所述全桥逆变模块输出的电能经所述第一补偿电容补偿后传至所述第一电磁机构，所述第二电磁机构输出的电能经所述第二补偿电容补偿后传至所述整流滤波模块。
可选的，所述全桥逆变模块的功率控制频率不大于200KHz。
可选的，所述第一电磁机构和第二电磁机构分别包括一磁芯和缠绕于所述磁芯中心轴的绕组，两磁芯的中心轴均与旋转轴心共线，两磁芯沿中心轴方向相对布置，使其关于中心轴的径向面对称。
可选的，所述磁芯采用罐装空心磁芯。
本发明及其可选实施例可以实现空间驱动机构静止端与旋转端非接触功率和信号传输，提高了空间驱动机构的使用寿命和安全性。解决了传统太阳电池阵驱动机构等空间驱动机构通过滑环和滚环来传递功率和信息，导致接触磨损、空间放电和局部过热等问题。
附图说明
图1是本发明一实施例中基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构的结构示意图；
图2是本发明一实施例中基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构的电气原理示意图；
图中，1-本体；2-电机；3-整流滤波模块；4-第二无线通信模块；5-第二补偿电容；6-旋转轴承；7-静止侧外壳；8-第二电磁机构；9-主动轴；10-从动轴；11-第一电磁机构；12-第一无线通信模块；13-第一补偿电容；14-全桥逆变模块；15-太阳电池阵。
具体实施方式
以下将结合图1和图2对本发明提供的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1和图2，本发明提供了本发明提供了一种基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，包括静止侧连接于空间飞行器的本体的电机2、第二电磁机构8、第一电磁机构11，与所述空间飞行器的本体1连接的第一无线通信模块12，以及与飞行器的太阳电池阵15连接的第二无线通信模块4；
所述电机2用以驱动所述太阳电池阵15和第一电磁机构11同步旋转，所述第一电磁机构11与第二电磁机构8沿其旋转轴心方向相对排布，所述太阳电池阵15产生的电能经所述第二电磁机构8转化为磁能并通过耦合传递至所述第一电磁机构11，所述第一电磁机构11用以将耦合得到的磁能转换为电能最终反馈至所述空间飞行器本体1；所述本体1与所述太阳电池阵15之间通过所述第一无线通信模块12和第二无线通信模块4实现信号的交互。
在本发明可选的实施例中，所述第二无线通信模块4至少用以将太阳电池阵15反馈的姿态信息反馈通过无线方式传输至所述第一无线通信模块12，所述第一无线通信模块12至少用以将所述姿态信息反馈至所述本体1，使其能够据此控制所述电机2的运作。
在本发明一可选的实施例中，所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构还包括主动轴9、从动轴10和旋转轴承6，所述电机2驱动所述主动轴9旋转，进而通过所述主动轴9驱动所述从动轴10绕同一轴心旋转，最终通过所述从动轴10驱动所述太阳电池阵15绕同一轴心旋转；
所述第一电磁机构11设于所述主动轴9外侧，且通过所述旋转轴承6实现与所述主动轴9的相对转动，所述第二电磁机构8设于所述从动轴10外侧。
主动轴9一端穿过第二电磁机构8，与旋转轴承6保持同轴线相连，第二电磁机构8、第二补偿电容5、整流滤波模块3、第二无线通信模块4固定安装于静止侧外壳7。
在本发明一可选的实施例中，所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构还包括全桥逆变模块14和整流滤波模块3，所述第二电磁机构8产生的交流电经所述整流滤波模块3转换为直流电后反馈至所述本体1，所述太阳电池阵15产生的直流电经所述全桥逆变模块14转换为交流电后传至所述第一电磁机构11。
在本发明可选的实施例中，所述全桥逆变模块14还与所述第一无线通信模块12连接，所述整流滤波模块3还与所述第二无线通信模块4连接，所述全桥逆变模块14还用以将功率参数相关信息通过所述第一无线通信模块12和第二无线通信模块4传至所述整流滤波模块3，进而反馈至所述本体1。其中，所述全桥逆变模块14的功率控制频率不大于200KHz。
在本发明可选的实施例中，所述第一无线通信模块12、全桥逆变模块14、第一电磁机构11与所述太阳电池阵15同步旋转。具体来说，所述第一无线通信模块12、全桥逆变模块14和第一电磁机构均设于所述从动轴10外侧。第一无线通信模块12固定于旋转端的从动轴10外壳上，从动轴10的一端穿过第一电磁机构11中心与主动轴9连接，从动轴10另一端连接太阳电池阵15中心轴，且太阳电池阵15保持相对静止。
在本发明可选的实施例中，所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构还包括第一补偿电容13和第二补偿电容5，所述全桥逆变模块14输出的电能经所述第一补偿电容补偿13后传至所述第一电磁机构11，所述第二电磁机构8输出的电能经所述第二补偿电容5补偿后传至所述整流滤波模块3。
在本发明可选的实施例中，所述第一电磁机构11和第二电磁机构8分别包括一磁芯和缠绕于所述磁芯中心轴的绕组，两磁芯的中心轴均与旋转轴心共线，两磁芯沿中心轴方向相对布置，使其关于中心轴的径向面对称。其中，所述磁芯采用罐装空心磁芯。且俩两磁芯需保持同轴线对称安装。换言之，第一电磁机构11和第二电磁机构8采用完全相同的磁芯，沿着轴线方向对称安装，第一电磁机构中的绕组围绕其磁芯中心轴螺旋多层缠绕，第二电磁机构中的绕组围绕其磁芯中心轴螺旋多层缠绕。
本发明图1和图2示意的方案的具体工作过程为：
旋转侧太阳电池阵15所产生的直流电能通过电缆传输至全桥逆变模块14，变换为交流电，然后经第一补偿电容13补偿，最后通过第一电磁机构11将电能转换为磁能；第二电磁机构8经磁耦合将磁能转换为电能，然后经第二补偿电容5补偿，最后经整流滤波模块3将交流电转化直流电提供给空间飞行器的本体1。第一无线通信模块12主要接收第二无线通信模块4反馈的整流滤波模块3输出给空间飞行器的本体1的功率相关参数，并将这些参数传递给全桥逆变模块14，全桥逆变模块14可以将这些参数引入功率传输闭环控制，保证空间飞行器本体功率接收端的电能质量。同时，第一无线通信模块12还可以将太阳电池阵15的姿态等信息发送个第二无线通信模块4，以便空间飞行器本体1对太阳电池阵15的姿态进行闭环控制。
综上所述，本发明及其可选实施例可以实现空间驱动机构静止端与旋转端非接触功率和信号传输，提高了空间驱动机构的使用寿命和安全性。解决了传统太阳电池阵驱动机构等空间驱动机构通过滑环和滚环来传递功率和信息，导致接触磨损、空间放电和局部过热等问题。

Claims (10)

1.一种基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：包括静止侧连接于空间飞行器的本体的电机、第二电磁机构、第一电磁机构，与所述空间飞行器本体连接的第一无线通信模块，以及与飞行器的太阳电池阵连接的第二无线通信模块；
所述电机用以驱动所述太阳电池阵和第一电磁机构同步旋转，所述第一电磁机构与第二电磁机构沿其旋转轴心方向相对排布，所述太阳电池阵产生的电能经所述第二电磁机构转化为磁能并通过耦合传递至所述第一电磁机构，所述第一电磁机构用以将耦合得到的磁能转换为电能最终反馈至所述空间飞行器本体；所述本体与所述太阳电池阵之间通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块实现信号的交互。
2.如权利要求1所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：所述第二无线通信模块至少用以将太阳电池阵反馈的姿态信息反馈通过无线方式传输至所述第一无线通信模块，所述第一无线通信模块至少用以将所述姿态信息反馈至所述本体，使其能够据此控制所述电机的运作。
3.如权利要求1所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：还包括主动轴、从动轴和旋转轴承，所述电机驱动所述主动轴旋转，进而通过所述主动轴驱动所述从动轴绕同一轴心旋转，最终通过所述从动轴驱动所述太阳电池阵绕同一轴心旋转；
所述第一电磁机构设于所述主动轴外侧，且通过所述旋转轴承实现与所述主动轴的相对转动，所述第二电磁机构设于所述从动轴外侧。
4.如权利要求1所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：还包括全桥逆变模块和整流滤波模块，所述第二电磁机构产生的交流电经所述整流滤波模块转换为直流电后反馈至所述本体，所述太阳电池阵产生的直流电经所述全桥逆变模块转换为交流电后传至所述第一电磁机构。
5.如权利要求4所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：所述全桥逆变模块还与所述第一无线通信模块连接，所述整流滤波模块还与所述第二无线通信模块连接，所述全桥逆变模块还用以将功率参数相关信息通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块传至所述整流滤波模块，进而反馈至所述本体。
6.如权利要求4所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：所述第一无线通信模块、全桥逆变模块、第一电磁机构与所述太阳电池阵同步旋转。
7.如权利要求4所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：还包括第一补偿电容和第二补偿电容，所述全桥逆变模块输出的电能经所述第一补偿电容补偿后传至所述第一电磁机构，所述第二电磁机构输出的电能经所述第二补偿电容补偿后传至所述整流滤波模块。
8.如权利要求4所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：所述全桥逆变模块的功率控制频率不大于200KHz。
9.如权利要求1所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：所述第一电磁机构和第二电磁机构分别包括一磁芯和缠绕于所述磁芯中心轴的绕组，两磁芯的中心轴均与旋转轴心共线，两磁芯沿中心轴方向相对布置，使其关于中心轴的径向面对称。
10.如权利要求9所述的基于松耦合变压器无线能量传输的空间驱动机构，其特征在于：所述磁芯采用罐装空心磁芯。
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