CN112117834A - 一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，该机构主体包括发射端与接收端两个部分，所述发射端包括螺旋形发射线圈、发射端铁氧体和发射线圈屏蔽器；所述接收端包括螺旋形接收线圈、接收端铁氧体和接收线圈屏蔽器。本发明与传统磁耦合机构相比，既符合箭地无线供电系统对传输距离和传输功率的要求，又具有良好的尺寸来适应火箭底部的空间结构要求，并且能提供良好的互感能力和耦合程度，此外还一定程度的减少了线圈磁场分布对火箭内部敏感元件以及人体的影响，从而达到高效、安全、稳定传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别涉及一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构及设计方法。
背景技术
无线电能传输技术通过高频电磁场、电磁波、激光、微波方式、超声波方式等，将电能以电气隔离的形式由发射端传输至接收端。与传统的通过导线和金属接触传输电能的方式相比，无线电能传输技术跨越一定的空间距离，能使得电能在无电气直接接触的状态下由电源端传输到负载端，不仅提供了极为灵活的无线电能传输方式，而且可以实现电能的高效传输和利用。
无线电能的应用领域十分广泛，在航空航天领域，箭地大功率无线供电系统、空间站无线供电系统等方面也具有很大的应用需求。对于传统火箭发射的供电装备，分为火箭上的电源和地面电源。火箭发射准备过程中耗电量大、时间长，一般都是采用地面电源供电，直到火箭起飞前才转由箭上电源供电。通过地面电源给火箭供电需要进行复杂的电缆铺设，工作量大、成本高，在火箭完成地面充电准备进入发射环节之前需要把与火箭相连接的电缆砍断，这与发展低成本、可重复使用火箭的目标背道而驰，传统的火箭发射前有线箭地供电已经无法满足未来火箭的发展需求。
磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借着较高的能量传输效率，较远的传输距离，以及传输方向要求不严格等优势，可以克服传统火箭供电系统成本高，不经济的缺点，而线圈结构则是磁耦合谐振式无线电能传输技术的关键。一般的磁耦合线圈例如平面线圈，复合线圈等，由于火箭空间的特殊性，且其传输距离远，很难同时满足箭地无线供电系统传输距离和传输效率的要求，甚至还会对火箭中的敏感元件和人体安全产生影响。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构及设计方法，解决现有的线圈不能很好地适应火箭空间结构上的特殊性，及其对于传输距离和传输效率的要求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，该机构主体包括发射端与接收端两个部分，所述发射端包括螺旋形发射线圈、发射端铁氧体和发射线圈屏蔽器；所述接收端包括螺旋形接收线圈、接收端铁氧体和接收线圈屏蔽器。
所述发射线圈使用螺旋线圈作为耦合机构，形状为矩形状且处于水平位置，发射线圈呈上开口状，用以向接收线圈传输电能。
所述接收线圈使用螺旋线圈作为耦合机构，形状为矩形状且处于水平位置，接收线圈呈下开口状，用以接收从发射端传递过来的电能从而向整个火箭供电。
所述发射与接收线圈采用相同的几何尺寸，尺寸为20cm×15cm×6cm，线圈间距为20cm，以满足火箭内部空间结构的有限性、特殊性。
所述发射线圈与接收线圈均采用线径为0.15cm的利兹线绕制，线圈磁芯采用Mn-Zn铁氧体材料。
所述线圈的参数(匝数、匝间距)及自感、互感按照下式确定：
其中N为线圈匝数，R为线圈半径N1、N2分别为发射线圈和接收线圈的匝数，R1、R2分别发射线圈和接收线圈的半径，L、M分别为线圈的自感和互感，d为系统间距离，μ0为真空磁导率。
所述发射线圈与接收线圈的匝数均为9匝，线圈匝间距为0.1mm。
所述发射线圈与接收线圈铁氧体层均包裹于两线圈外部，其尺寸与线圈尺寸相匹配。
所述发射线圈与接收线圈的电磁屏蔽器形状为矩形，采用铝制材料制成，其尺寸均为20cm×20cm×0.2cm。
所述发射线圈与接收线圈的电磁屏蔽器的位置，分别位于发射线圈和接收线圈的上、下方0.5cm处。
一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合设计方法，包括如下步骤：
(1)根据传输要求，确定适合于箭地间无线供电系统的电磁耦合线圈及其绕线、磁芯类型；
(2)根据火箭结构的要求，确定线圈的放置方式，设计合适的线圈尺寸；
(3)获得最优自感、互感变化规律，确定匝数、匝间距等线圈参数；
(4)在线圈四周包裹铁氧体层，其尺寸与线圈尺寸相匹配；
(5)确定线圈屏蔽器的材料、尺寸及其位置。
本发明与传统磁耦合机构相比，其显著优点在于：本发明在其线圈结构能够符合箭地无线供电系统对传输距离和传输功率的要求，又具有良好的尺寸来适应火箭底部的空间结构要求，并且能提供良好的互感能力和耦合程度，此外还一定程度的减少了线圈磁场分布对火箭内部敏感元件以及人体的影响，从而达到高效、安全、稳定传输。
附图说明
图1是一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构示意图。
图2是一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构的设计方法流程图。
图3是本发明耦合机构所选用螺旋形线圈与几种常见线圈的外观示意图。
图4是研究匝数、匝间距对自、互感影响时极坐标下的理论螺旋线圈模型示意图。
图5是系统两侧都存在金属时电磁耦合机构的等效电路模型。
图6是未加金属板时线圈周围磁场强度分布的正视图、右视图及上视图。
图7是上、下各放置一块铝板(20cm×20cm×0.2cm的金属板距耦合机构0.5cm)时线圈周围磁场强度分布的正视图、右视图和上视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1为一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，该机构主体包括发射端与接收端两个部分。发射端部分由螺旋形发射线圈、发射端铁氧体和发射线圈屏蔽器组成；接收端部分由螺旋形接收线圈、接收端铁氧体和接收线圈屏蔽器组成。
在发射端，发射线圈采用螺旋线圈作为耦合机构，形状为矩形状且处于水平位置，发射线圈呈上开口状，线圈采用利兹线绕制，其磁芯采用Mn-Zn铁氧体材料。线圈的尺寸为20cm×15cm×6cm，间距为20cm，线径为0.15cm。线圈匝数共有9匝，其匝间距为0.1mm。发射端铁氧体层包裹于发射线圈的外部，其尺寸与线圈尺寸相匹配。发射端屏蔽器形状为矩形，采用铝制材料制成，其尺寸为20cm×20cm×0.2cm，放置于发射线圈上方0.5cm处。
在接收端，接收线圈采用螺旋线圈作为耦合机构，形状为矩形状且处于水平位置，接收线圈呈下开口状，线圈采用利兹线绕制，其磁芯采用Mn-Zn铁氧体材料。线圈的尺寸为20cm×15cm×6cm，间距为20cm，线径为0.15cm。线圈匝数共有9匝，其匝间距为0.1mm。接收端铁氧体层包裹于接收线圈的外部，其尺寸与线圈尺寸相匹配。接收端屏蔽器形状为矩形，采用铝制材料制成，其尺寸为20cm×20cm×0.2cm，放置于接收线圈下方0.5cm处。
结合图2与上述结构，可知本发明设计的一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构的设计方法，此设计方法包括以下步骤：
步骤1、根据传输要求，确定适合于箭地间无线供电系统的电磁耦合线圈及其绕线、磁芯类型；
如图3所示为本发明耦合机构所选用螺旋形线圈与几种常见线圈的外观示意图。几种较常见线圈的特点如表1所示：
表1常见线圈特点表
对于火箭与地面间的无线电能传输系统来说，传输距离较远，而且对线圈的直径有较严格的限制。由表1可知螺旋线圈与其他几种常见的线圈相比，其磁场随着距离的增加衰减较慢，因此在火箭与地面间这种远距离传输的情况下，则相比于平面线圈来说耦合特性更强，故选择螺旋形线圈作为其电磁耦合线圈。
在无线电能传输系统中，谐振线圈通常采用利兹线绕制，利兹线包含多股细铜线可有效减少高频电阻，从而降低系统损耗，所以线圈采用利兹线绕制。
而采用铁氧体磁芯则可以增加线圈的电感量，提高线圈的品质因数，故采用Mn-Zn铁氧体磁芯。
步骤2、根据火箭结构的要求，确定线圈的放置方式，设计合适的线圈尺寸；
根据资料显示的火箭一级尾段的布局，无线供电接收装置应贴于一级外壳内侧，横截面积应小于30cm×30cm，且应处于水平位置；而无线供电装置则水平安装于底座上，其中原脱拔插头尺寸为：20cm(长)×15cm(宽)×6cm(高)，所以发射线圈尺寸不宜超过该尺寸。
综上所述，综合考虑到尺寸与线圈形状，设计的线圈按照矩形螺旋线圈设计，发射和接收线圈均处于水平方向位置，发射线圈呈上开口状，接收线圈呈下开口状。发射线圈和接收线圈采用同样的几何尺寸，尺寸为：20cm×15cm×6cm，线径为0.15cm，线圈间距为20cm。
步骤3、获得最优自感、互感变化规律，确定匝数、匝间距等线圈参数。
为了确定线圈相关尺寸(匝数与匝间距)对系统互感的影响，下面介绍相关理论推导过程：
在极坐标下，半径为R，匝间距为r，匝数为N的螺旋线圈可以通过式(1)来描述，外观如图4所示：
此时的电感可以表示为：
同理，可计算螺旋线圈中距离为r的两个半径相同的同轴圆环互感为：
式中Mij为螺旋线圈中距离为r的两个半径相同的同轴圆环互感；E(k)和K(k)分别为关于k的函数；μ0为真空磁导率；k为中间变量，它和线圈半径R、匝间距r之间存在如下的关系：
而在实际计算中，一般采用式(5)进行估算：
其中N为线圈本身匝数；R为线圈本身的半径；N1、N2分别为发射和接收线圈的匝数；R1、R2分别两个线圈的半径；L、M分别为线圈的自感和互感；d为系统间距离；μ0为真空磁导率。
通过公式(5)与公式(2)可知，螺旋线圈半径越大，匝数越多，则螺旋线圈的互感与自感越大。因此从理论分析的角度分析，螺旋线圈在此条件下是最优的，即半径越大匝数越多最终效果越好。但由于尺寸的限制，半径不可能很大，所以考虑匝数和匝间距。而对于线圈匝间距r，匝间距越大，则中间变量k越小，而在式(3)中2/k-k一项则会增大，则整个互感会增大，但由于线圈尺寸有限制，又不可能有很大的匝间距。
综合考虑以上分析，分别通过改变矩形螺旋线圈的匝数、匝间距来进行优化设计，线圈测试采用串串拓扑，谐振频率为100kHz，恒定输出功率为500W。得出最优设计参数的过程如下：
(1)、线圈匝数
由以上分析知匝数越多则对应的互感越大，耦合性能越好。鉴于火箭特殊的空间结构综合考虑，分别将发射接收线圈的匝数N设为9，8，7，6，观察仿真参数变化。匝数为6-9时的参数变化如表2所示。
表2改变螺旋形线圈匝数仿真结果表
根据公式(2)和公式(5)可知，螺旋形线圈的自感和互感都与匝数N有较直接的线性关系，其中自感与线圈本身匝数的平方N2成正比，互感与两个线圈匝数乘积(原副边匝数一样的情况下也为N2)成正比，表2则很好地印证了上述结论。若以8匝为基础值来比较，在匝数从8增大为9时，互感系数由0.825μH应变为0.825×92/82＝1.04μH，而实际值为1.23μH大于8匝时的互感；而在匝数减小时，其互感也相应的不断减小。综合对比其互感变化比，并且考虑到空间与尺寸的影响，将线圈匝数设置为9匝，这样既可以满足火箭空间特殊性的要求，又可以达到较高的互感值。
(2)、线圈匝间距
在确定线圈匝数为9匝后，分别将发射和接收线圈的匝间距改为0.05mm，0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，观察仿真参数变化。对应的仿真数据如表3所示。
表3改变螺旋形线圈匝间距仿真结果表
根据公式(2)和公式(5)可知，螺旋形线圈的自感和互感都与匝间距没有直接的关系，自感和互感的公式中均没有出现匝间距及和匝间距有关的公式，因此可以认为螺旋形线圈参数与匝间距没有关系。表3很好地印证了上述结论，若以0.1mm为基础尺寸，在匝间距变动的时候，对比其互感变化比可知，无论变大变小，自感互感参数均没有较大的变动，因此采用匝数N为9，匝间距为0.1mm作为螺旋形线圈设计参数，并由此仿真确定自感互感，则最终确定线圈类型及各设计参数如表4所示：
表4线圈类型及设计参数
步骤4、在线圈四周包裹铁氧体层，其尺寸与线圈尺寸相匹配；
按照步骤3确定的线圈尺寸，分别在发射线圈和接收线圈的四周包裹铁氧体板，来作为线圈的铁氧体层。
步骤5、确定线圈屏蔽器的材料、尺寸及其位置。
为减少线圈周围磁场对火箭敏感元件及人体安全的影响，我们通过在线圈周围放置金属板来对线圈磁场进行调控。为确定线圈周围设置金属板对无线电能传输系统磁场的影响，下面介绍相关理论推导过程：
初、次级线圈周围存在铜、铝、铁等金属介质，系统阻抗矩阵会发生相应的变化。通过在系统周围放置金属板，金属板对无线电能传输系统磁场的干扰作用就可以通过金属的相对磁导率来反映。不同金属的电导率和磁导率如下表5所示。
表5电导率和相对磁导率
由表5可知，3种金属材料的电导率数量级都达到107，但是它们的相对磁导率却相差很大。金属铁是铁磁性金属材料，它的相对磁导为4000；金属铜和金属铝的相对磁导率与真空的相对磁导率都为1，视为非铁磁性金属材料。由于不同金属的相对磁导率的不同，因此导致无线电能传输系统周围磁场变化也不同，非铁磁性材料可以对磁场有电磁屏蔽作用，从而导致线圈自感及其互感发生变化。故以下建立线圈自感、互感、高频电阻的数值分析模型，分析加装金属板对线圈参数的影响。
若耦合系统两侧均存在相同的金属板，金属板将对原副边线圈的自感产生完全相同的影响，此时的原副边线圈具有相同的电气参数。由于两金属板间距相对较远，故忽略金属板之间的互感。考虑其涡流效应，等效为两个具有内阻和电感的闭合回路，涡流回路参数分别为ZA＝RA+jXA和ZB＝RB+jXB，ZA、ZB分别为两侧金属板在高频下的等效阻抗；RA、RB为两侧金属板在高频下的等效电阻；XA、XB为两侧金属板在高频下的等效电抗。其等效电路如图5所示。
式中IA、IB为两侧金属板等效回路中的电流；RA、RB为两侧金属板在高频下的等效电阻；XA、XB为两侧金属板在高频下的等效电抗；ZA、ZB为两侧金属板在高频下的等效阻抗；LA、LB分别为两侧金属板的等效电感；M1、M2分别为发射线圈、接收线圈和金属板之间的互感；M为两线圈之间的互感；U1为等效电压；I1、I2分别为两线圈中的等效电流；R1、R2为其等效电阻；Z1、Z2分别为两个线圈的等值阻抗。
列写基尔霍夫电压方程(KVL)：
将金属板等效回路阻抗反射到初次级线圈回路，将式(6)改写：
相对于无金属板环境下，由金属涡电流导致的耦合系统产生变化的阻抗变量矩阵ΔZ′为：
涡电流参量反射到初级的阻抗：
涡电流参量反射到次级的阻抗：
涡流回路的感性电抗反映到初、次级回路的反射电抗同样为容性，反射阻抗的实部造成的有功损耗，会在一定程度上降低传输功率；涡电流参量影响初、次级耦合状态的阻抗：
影响初、次级耦合状态的阻抗也同样为容性，线圈间的耦合程度削弱，将直接降低传输效率。
反射到初级和次级的阻抗为：
次级回路反射到初级回路以及初级回路反射到次级回路的总等效阻抗：
此时初、次级线圈回路中的电流：
通过以上分析可知，在耦合系统上方加装铝板或铜板等非磁性金属板时，系统初、次级回路的阻值均有所增大，回路电抗均有所降低，初、次级线圈的耦合程度均有所削弱，对耦合系统造成一定的影响，但影响的程度总的来看并不是很明显。综合考虑，为了削弱耦合机构周围的磁场并考虑减轻耦合系统整体的重量，屏蔽金属板材质选用密度较小的铝较为合适。
在空间磁场分布方面，通过对比图6即未加金属板时线圈周围磁场强度分布的正视图、右视图及上视图与图7，即上、下各放置一块铝板(20cm×20cm×0.2cm的金属板距耦合机构0.5cm)时线圈周围磁场强度分布的正视图、右视图和上视图可知，加装铝金属板对耦合系统上部磁场有一定削弱作用，能够减少线圈磁场对火箭内部敏感元件和人体的影响。
金属板尺寸的增大，对系统线圈耦合程度的削弱也会越大，但是对耦合系统上部磁场削弱作用变化不大。从系统线圈耦合程度和减轻系统重量的角度综合考虑，金属板的尺寸不宜过大，稍大于线圈的尺寸即可。所以尺寸设置为20cm×20cm×0.2cm。
在耦合系统上、下方各0.5cm处加装一块非磁性金属板铝板时，随着金属板与耦合系统间距的减小，系统初、次级回路的阻值增大得越多，回路电抗降低得越多，初、次级线圈的耦合程度削弱得越多。在空间磁场分布方面，随着非磁性金属板接近耦合系统，对上下部分的磁场削弱作用增强。
因此为了保证一定的磁场削弱作用并且尽可能的不影响系统耦合，选择在耦合机构的上下方0.5cm处各放置一块20cm×20cm×0.2cm的铝板来调控系统周围的电磁场，从而降低系统磁场对火箭中的其他敏感器件以及人体的影响。
Claims (10)
1.一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，该机构主体包括发射端与接收端两个部分，所述发射端包括螺旋形发射线圈、发射端铁氧体和发射线圈屏蔽器；所述接收端包括螺旋形接收线圈、接收端铁氧体和接收线圈屏蔽器。
2.根据权利要求1所述的适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈均使用螺旋线圈作为耦合机构，形状为矩形状且处于水平位置，发射线圈呈上开口状，接收线圈呈下开口状。
3.根据权利要求1所述的适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述线圈为矩形线圈，发射线圈与接收线圈均采用相同的几何尺寸，尺寸为20cm×15cm×6cm，线圈间距为20cm。
4.根据权利要求1所述的适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈均采用线径为0.15cm的利兹线绕制，线圈磁芯采用Mn-Zn铁氧体材料。
5.根据权利要求1所述的适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述线圈的匝数、匝间距及自感、互感按照下式确定：
其中N为线圈本身匝数，R为线圈本身半径，N1、N2分别为发射和接收线圈的匝数，R1、R2分别两个线圈的半径，L、M分别为线圈的自感和互感，d为系统间距离，μ0为真空磁导率。
6.根据权利要求1所述的适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈的匝数为9匝，线圈匝间距为0.1mm。
7.根据权利要求1所述的适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈铁氧体层均包裹于两线圈外部，其尺寸与线圈尺寸相匹配。
8.根据权利要求1所述的一适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈的电磁屏蔽器形状为矩形，采用铝制材料，其尺寸均为20cm×20cm×0.2cm。
9.根据权利要求1所述的一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈的电磁屏蔽器的位置，分别位于发射线圈和接收线圈的上、下方0.5cm处。
10.基于权利要求1-9任意一项所述的适用于火箭与地面间电能传输的磁耦合机构的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据传输要求，确定适合于箭地间无线供电系统的电磁耦合线圈及其绕线、磁芯类型；
(2)根据火箭结构的要求，确定线圈的放置方式，设计合适的线圈尺寸；
(3)获得最优自感、互感变化规律，确定匝数、匝间距等线圈参数；
(4)在线圈四周包裹铁氧体层，其尺寸与线圈尺寸相匹配；
(5)确定线圈屏蔽器的材料、尺寸及其位置。
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|---|---|---|---|
| CN202011099683.2A CN112117834A (zh) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | 一种适用于火箭与地面间无线电能传输的磁耦合机构及设计方法 |
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- 2020-10-14 CN CN202011099683.2A patent/CN112117834A/zh active Pending
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