CN112953032A - 一种高距径比无线电能传输装置、组合装置及传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高距径比无线电能传输装置、组合装置及传输系统，传输装置包括转轴，转轴外部套设有线圈，线圈及转轴的外部设有柱状的壳体，壳体、线圈与转轴同轴线，转轴的表面和壳体的内表面均覆盖有导磁媒介层。本发明提高距径比的同时，保证了高效率稳定的无线电能传输，磁屏蔽性能好，可靠性高，冗余性强，提高了旋转结构的使用寿命。

Description

一种高距径比无线电能传输装置、组合装置及传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种高距径比无线电能传输装置、组合装置及传输系统。

背景技术

帆板驱动机构(简称SADA)是三轴稳定航天器太阳电池阵保持对日定向的执行机构，其安装位置贯穿卫星内外表面。航天太阳能滑环替代方案中要求，传输线圈直径需要小于30cm，传输距离1-300mm，传输效率95％@30cm，传输功率5kW。这对传输线圈耦合结构提出了极高的要求，整个能量传输系统必须突破常规结构限制，突破线圈尺寸和传输距离的物理限制条件，满足1-300mm内大范围传输距离可靠传输，航天领域的多路备份和可靠性需要等。

在常规的无线电能传输技术/产品解决方案中，传输媒介都是以空气或者真空环境为基础，在大自然空气/真空(relative permittivity(epsilon)和relativepermeability(Mu)都是无限接近1)内，只要发射接收电磁波耦合结构工作频率一致，都可以达到无线电能传输的基础条件。

无线电能传输线圈的传输距离和传输效率的相互关系是源自于线圈基本结构，最短对边或者最短直径的三分之一到二分之一左右，如图1；如果发射接收线圈是那些形状，那么有可能达到95％效率的有效距离，Dη95粗略估计为≤a/3；电磁场在空气中的衰减是无法避免的，这是由基本物理特性所决定的。就算是优化到极致的线圈设计，电磁场在距离上的衰减程度仍然存在，这就是目前无线电能传输的瓶颈所在。MIT研究人员发过的相关文章中也存在上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高距径比无线电能传输装置、组合装置及传输系统，提高距径比的同时，保证了高效率稳定的无线电能传输，磁屏蔽性能好，可靠性高，冗余性强，提高了旋转结构的使用寿命，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一方面，提供一种高距径比无线电能传输装置，包括转轴，转轴外部套设有线圈，线圈及转轴的外部设有柱状的壳体，壳体、线圈与转轴同轴线，转轴的表面和壳体的内表面均覆盖有导磁媒介层。

进一步的，所述线圈包括发送线圈和接收线圈，发送线圈和接收线圈之间的传输距离为B，发送线圈和接收线圈的直径均为A，B：A为(0.5-3)：1。

进一步的，所述导磁媒介层的厚度为2-30mm。

进一步的，所述导磁媒介层采用高导磁率低电阻率材料。

进一步的，所述线圈为平面线圈或立体环状线圈。

另一方面，提供一种高距径比无线电能传输组合装置，包括尺寸逐渐变化的多个上述高距径比无线电能传输装置，每个高距径比无线电能传输装置为独立的无线电能传输单元，尺寸较小的所述无线电能传输单元的壳体为尺寸较大的所述无线电能传输单元的旋转轴。

进一步的，组合装置包括转轴，转轴外部套设有一级线圈，一级线圈及转轴的外部设有一级柱状壳体；一级柱状壳体的外壁安装有二级线圈，二级线圈的外部设有二级柱状壳体；如此重复，设置多级线圈，最外层的柱状壳体即航天旋转密封腔体的外壳；所有线圈、柱状壳体与转轴同轴线，转轴的表面、最外层的柱状壳体的内表面、其余柱状壳体的内外表面均覆盖有导磁媒介层。

进一步的，所述一级线圈、二级线圈、三级线圈的直径比为1:2:4或1:3:9。

进一步的，所述线圈直径为对应壳体直径的0.8-0.9倍。

第三方面，提供一种无线电能传输系统，包括上述高距径比无线电能传输装置。

本发明的有益效果是：

1.本发明实施例的导磁媒介层使得磁场有效传播距离有效延长，促使耦合电磁场拉伸至更远的位置，突破了现有耦合电磁线圈的物理传输距离瓶颈，让近场谐振耦合可以在更远距离获得更高效率。本发明耦合谐振结构的距径比高于1:1，保证高效率稳定的无线电能传输的同时，确保了电能传输系统远距离高效率稳定的无线电能传输。

2.本发明实施例的单体耦合谐振结构做到了完全磁屏蔽，解决了电磁泄露问题；同轴多路结构可以独立工作，也可以同时工作，满足太阳能阵列供能特点，可靠性高，冗余性强。

3.本发明实施例将滑环接触传能变成无线电能传输，大幅度提高旋转结构的使用寿命，由原有的3年左右延长为10-15年。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是现有不同形状线圈的直径标注示意图。

图2是电磁近场谐振无线电能传输系统的基础结构示意图。

图3a是对比例1的平面线圈结构示意图。

图3b是对比例1的传输效率曲线图。

图3c是对比例1的磁场仿真图。

图4a是对比例2的立体螺旋线圈结构示意图。

图4b是对比例2的传输效率曲线图。

图4c是对比例2的磁场仿真图。

图5是本申请实施例的综合增益系统结构框图。

图6是本申请实施例航天旋转密封腔体的结构示意图。

图7是实施例1的结构示意图。

图8a是实施例1磁场仿真图。

图8b是实施例1的传输效率曲线图。

图9是实施例2的结构示意图。

图10a-10c是实施例2中线圈直径分别为3cm、10cm、30cm的传输效率曲线图。

图11a-11c是实施例2中线圈直径分别为3cm、10cm、30cm的磁场仿真图。

图中，1.航天旋转密封腔体，2.线圈，201.一级线圈，202.二级线圈，203.三级线圈，3.壳体，301.一级柱状壳体，302.二级柱状壳体，4.转轴，5.导磁媒介层，6.sma仿真结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

长久以来电磁近场谐振是无线电能传输公认的发展路径。谐振利用共振回路，在其所连接的两个电磁波耦合结构之间产生谐振耦合效应，达到跨越一定距离的空间或媒介进行无线电能传输的效果，如图2所示。以图2为基础框架，大多利用电路增强技术提高无线能量传输系统的有效传输距离和传输效率；如：超导材料作为电磁波耦合结构的结构材料(Metamaterial)，优化各模块电路和引进新器件来设计高效低耗谐振电路(Optimization)，额外激励线圈/中继线圈(Loop Excitation)，线圈阵列(Array)，介电谐振器(Dielectric Resonator)，混合线圈阵列和介电谐振器。以上各种增益方式，一般都可以提高1-5％左右的传输效率，但是仍然没有摆脱线圈物理结构和传输媒介对整个系统的枷锁。因为基础模块里的基本器件(半导体等等)和各种新增电路和器件的突破所带来的影响并不大，它们所带来的效果并不是一个量级的提升。基于器件和结构设计对耦合传输效率没有显著提高。

对比例1，

如图3a所示，平面线圈的直径A为30cm，传输距离B为30cm；根据图3b的试验结果可知，能量传输效率ηA＝B介于50-70％@30cm；即使使用电路增强技术，传输效率也不可能达到95％。根据图3c的试验结果可知，在谐振条件下磁场最远只能有线圈半径距离，距径比仅二分之一。

对比例2，

如图4a所示，多层立体螺旋线圈(弹簧体)的直径A为30cm，传输距离B为30cm；根据图4b-4c的试验结果可知，能量传输效率在60-75％@30cm以内，体积较大，对周围EMC影响较大，不如平面线圈方便。平面线圈由于表面螺旋圈数较多，一般带宽较大，谐振磁场比较远，它们的ηA＝B往往都会接近立体螺旋线圈的效率。根据图4c的试验结果可知，这种磁场也无法延伸非常远。

可见，对比例1-2均不能满足直径30cm线圈耦合结构在30cm的传输距离上达到95％的效率及电磁兼容等要求，即无法满足高效率高距径比传输的要求。

本申请实施例通过改变无线耦合传输通道的空间媒介的电磁特性有效增加了无线电能传输效率。

实施例1，

本申请实施例的应用场景为航天旋转密封腔体，即SADA(帆板驱动机构)，如图6所示，航天旋转密封腔体1的电能传输旋转轴内，无线电能传输距离远、内部空间有限、主轴不断旋转、电磁环境复杂，需要多路备份高稳定性等。不适合磁芯盘，且磁芯的自重大，易碎裂，容易造成稳定性差的问题；线圈部分通高频交流电，因此如果频率在1MHz以下，采用紫铜利兹线绕制平面线圈，以消除趋肤效应的影响，降低铜损。同时在一些实施例中，运用方形横切面的利兹线，更适合空间有限的应用情况。

设于航天旋转密封腔体1内的高距径比无线电能传输装置，即单体耦合谐振结构，如图7所示，航天旋转密封腔体1内部设有柱状的壳体3和转轴4，转轴4外部套设有线圈2，转轴4、线圈2均位于壳体3内部，壳体3、线圈2与转轴4同轴线，转轴4的表面和壳体3的内表面均覆盖有导磁媒介层5，转轴4上安装有sma仿真结构6，壳体3的直径>线圈2的直径>转轴4的直径。

转轴4采用纯钛金属，航天旋转密封腔体1的外壳采用纯铝金属，线圈2通过支撑架安装于转轴4上，线圈2包括发送线圈和接收线圈，发送线圈和接收线圈相隔1-300mm，发送线圈和接收线圈的直径为30-300mm。航天旋转密封腔体1保证了传输能量都处于腔体内，提高了能量传输效率，同时避免EMC能量外泄干扰其他电子设备，及超出航天EMC要求。线圈2为平面线圈，平面线圈与腔体结构的地面平行，磁场平滑传输效率更高。

导磁媒介层5的厚度为2-30mm，使得能量沿着壳体3内壁传输更远，增大传输距离的同时有效提高了传输能量功率，不带来额外重量；如果仅在转轴4或仅在壳体3的内表面覆盖导磁媒介层5，难以实现该技术效果。

实施例1的试验结果如图8a-8b所示，8b中S1,2与S2,1曲线表示两个平面线圈之间的谐振耦合比，S1,1与S2,2曲线表示矢量分布；由图8b可以看出，实施例1中两个平面线圈的距径比为1，耦合效率突破90％；原因是，在密封空间下磁场本身有效地利用导磁媒介形成的桥梁在两个平面线圈之间相互耦合，这样的谐振现象下，能量并不会因Friis理论下的空间损耗而导致其几何性地消失。

传输径距比是指无线电能传输距离与线圈直径之间的比值，一般情况距径比小于0.5：1，可以高效率传输能量；大于0.5：1时，传输效率会急剧降低；本申请特定结构的无线电能传输装置的距径比为(0.05-3)：1的时候仍有较高传输效率；距径比为3：1时，传输效率为85％。

一些实施例中，导磁媒介层5的厚度为1mm，5mm，10mm，15mm，20mm，25mm或30mm中的任意一种；一些实施例中，导磁媒介层5采用高导磁率低电阻率材料；一些实施例中，导磁媒介层5采用铁氧体物质。

一些实施例中，线圈2为立体环状线圈。

实施例2，

以实施例1的高距径比无线电能传输装置为基础，针对SADA多路并联能量传输的需求，设计了多路同轴并联无线电能传输耦合结构，即高距径比无线电能传输组合装置，如图9所示，包括尺寸逐渐增大或逐渐缩小的高距径比无线电能传输装置，每个高距径比无线电能传输装置为独立的无线电能传输单元，尺寸较小的无线电能传输单元的壳体3作为尺寸较大的无线电能传输单元的转轴。

高距径比无线电能传输组合装置包括转轴4，转轴4外部通过支撑架安装有一级线圈201，一级线圈201及转轴4的外部设有一级柱状壳体301，一级柱状壳体301的外壁通过支撑架安装有二级线圈202，二级线圈202的外部设有二级柱状壳体302；二级柱状壳体302的外壁通过支撑架安装有三级线圈203，三级线圈203的外部设有三级柱状壳体；如此重复，设置多级线圈，最外层的柱状壳体即航天旋转密封腔体1的外壳；所有线圈、柱状壳体与转轴4同轴线，转轴的表面、最外层的柱状壳体的内表面、其余柱状壳体的内外表面均覆盖有导磁媒介层5。一级柱状壳体301、二级柱状壳体302都是独立的旋转体，使得太阳电池阵保持对日定向的航天需求。

一些实施例中转轴4为钛合金材质，一级柱状壳体301、二级柱状壳体302、三级柱状壳体均为铝合金材料。3组高距径比无线电能传输装置完全独立，同时，一级柱状壳体301、二级柱状壳体302、三级柱状壳体有效降低了电磁干扰和互耦，易于工程化实现。

一级线圈201、二级线圈202、三级线圈203的直径逐渐增大(3cm、10cm，30cm)、传输距离逐渐增大(3cm、10cm、30cm)，使得小结构体为较大结构体的旋转轴，在一些实施例中，一级线圈201、二级线圈202、三级线圈203的直径比为1:2:4或1:3:9。

在一些实施例中，线圈直径为对应壳体直径的0.8-0.9倍，这样更好的利用空间，也不会干扰腔体内壁的磁场流动。

在一些实施例中，一级线圈201、二级线圈202、三级线圈203的安装位置能沿轴向调整，且不会影响无线电能传输的传输效率，符合航天SADA的电能传输和旋转结构的需要。

实施例2的试验结果如图10a-11c所示，三个独立耦合结构(直径3cm、10cm、30cm)在传输距离为3cm、10cm、30cm的传输效率均高于95％；3组耦合结构可以独立工作，也可同时工作，满足太阳能阵列的需求，提高系统可靠性；两种方式的电路连接为航天标准操作。导磁媒介层5很好的延伸了耦合结构的磁回路，提升了距径比，使得电磁能量高效传输至更远的距离。同时电磁场可以有效控制在独立耦合结构内，不会产生互耦现象，控制EMC干扰，避免或降低EMC影响其他模组和系统工作。同轴多路并联耦合结构对于某线圈停止运行的故障状态也具备较高的冗余特性，使得SADA系统进入降额运行状态，一定程度上避免了功率波动击穿情况的发生。

实施例3，

一种无线电能传输系统，包括上述高距径比无线电能传输装置，如图5所示，包括电源、数控电路、感应模块、线圈、高频全桥整流模块、智能调控稳压模块、BMS智能电池控制模块、电池组、分流模块等。太阳能阵列给系统提供大功率直流电，经DC-DC稳压模块分流给数控电路+感应模块和逆变器。由于腔体结构尺寸不同，可利用空间的大小和传输距离的远近均会影响频率的选择，为了较高的转化率和传输效率，整个系统工作频率在200-500KHz。其后，高频交流流向线圈，电磁能量经过接收线圈转成高频交流后经过匹配电路转换进入高频全桥整流模块。高频全桥整流模块把交流电能转换成500Vrms左右的直流，经过智能调控稳压模块进而供给最终的输出端，系统的最终输出功率是5kW。接收端包括了BMS智能电池控制模块、电池组和分流模块。BMS智能电池控制模块用于控制并保护电池组。分流模块则将电池电量平均分给接收端的数控电路和真正的负载。太阳能帆板旋转的结构是密封式钛合金转轴，如同图7的套轴结构。本申请实施例通过媒介复合传输改变了传输通道电磁特性和电磁回路，传输磁场沿导磁媒介延伸到接收端，使得耦合效率突破90％，再联合增益电路，传输效率提升至95％。

本申请实施例的优势：

1、导磁媒介层使得磁场有效传播距离可以有效延长约四分之一直径，促使耦合电磁场拉伸至更远的位置，突破了现有耦合电磁线圈的物理传输距离瓶颈，让近场谐振耦合可以在更远距离获得更高效率。实施例1-2耦合谐振结构的距径比达到1:1，保证了高效率稳定的无线电能传输的同时，确保了电能传输系统在5-30cm的大范围内高效率稳定的无线电能传输；实施例1做到了完全磁屏蔽，解决了电磁泄露问题；实施例2中3组耦合结构可以独立工作，也可以同时工作，满足了太阳能阵列供能特点，可靠性高，冗余性强。

2、由于传输距离相对于线圈直径的比例较大，使用本申请高距径比无线电能传输装置的同时再选取合适的频率作为线圈的工作频率，整个系统工作频率在200-500KHz，能进一步提高输效率和系统的稳定性；包括本申请高距径比无线电能传输装置的无线电能传输系统通过低耗增益电路、导磁增益媒介两种方式进一步提高谐振耦合结构的Dη传输效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高距径比无线电能传输装置，其特征在于，包括转轴(4)，转轴(4)外部套设有线圈(2)，线圈(2)及转轴(4)的外部设有柱状的壳体(3)，壳体(3)、线圈(2)与转轴(4)同轴线，转轴(4)的表面和壳体(3)的内表面均覆盖有导磁媒介层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种高距径比无线电能传输装置，其特征在于，所述线圈(2)包括发送线圈和接收线圈，发送线圈和接收线圈之间的传输距离为B，发送线圈和接收线圈的直径均为A，B：A为(0.5-3)：1。

3.根据权利要求1所述的一种高距径比无线电能传输装置，其特征在于，所述导磁媒介层(5)的厚度为2-30mm。

4.根据权利要求1所述的一种高距径比无线电能传输装置，其特征在于，所述导磁媒介层(5)采用高导磁率低电阻率材料。

5.根据权利要求1所述的一种高距径比无线电能传输装置，其特征在于，所述线圈(2)为平面线圈或立体环状线圈。

6.一种高距径比无线电能传输组合装置，其特征在于，包括尺寸逐渐变化的多个如权利要求1-5任一项所述的一种高距径比无线电能传输装置，每个高距径比无线电能传输装置为独立的传输单元，尺寸较小的所述无线电能传输单元的壳体(3)为尺寸较大的所述传输单元的旋转轴。

7.根据权利要求6所述的一种高距径比无线电能传输组合装置，其特征在于，包括转轴(4)，转轴(4)外部套设有一级线圈(201)，一级线圈(201)及转轴(4)的外部设有一级柱状壳体(301)；一级柱状壳体(301)的外壁安装有二级线圈(202)，二级线圈(202)的外部设有二级柱状壳体(302)；如此重复，设置多级线圈，最外层的柱状壳体即航天旋转密封腔体(1)的外壳；所有线圈、柱状壳体与转轴(4)同轴线，转轴的表面、最外层的柱状壳体的内表面、其余柱状壳体的内外表面均覆盖有导磁媒介层(5)。

8.根据权利要求7所述的一种高距径比无线电能传输组合装置，其特征在于，所述一级线(201)圈、二级线圈(202)、三级线圈(203)的直径比为1:2:4或1:3:9。

9.根据权利要求7所述的一种高距径比无线电能传输组合装置，其特征在于，所述线圈直径为对应壳体直径的0.8-0.9倍。

10.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的高距径比无线电能传输装置。

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