CN214755752U - 一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于航天电源供配电领域，具体涉及一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，该装置包括发射端和接收端；发射端包括发射端电能变换装置和发射端磁耦合线圈；接收端包括卫星结构板、接收端磁耦合线圈以及接收端电能变换装置；所述发射端电能变换装置通过高频Litz线缆与所述发射端磁耦合线圈连接；所述接收端磁耦合线圈与所述接收端电能变换装置连接，并嵌入到卫星结构板中；所述发射端磁耦合线圈与所述接收端磁耦合线圈通过谐振补偿拓扑结构进行无线能量传输，形成卫星无线供电装置；采用本装置可以有效避免多次插拔电连接器引起的电连接器磨损和接口松动问题，减少卫星结构开孔和电连接器。

Description

一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置

技术领域

本实用新型属于航天电源供配电领域，具体涉及一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置。

背景技术

卫星供配电模块是卫星平台中的关键模块，它的输出性能直接影响卫星上各载荷单机与星载计算机的性能。卫星供配电模块主要包括太阳翼、蓄电池组、电源控制与配电单元等设备，其主要功能是实现卫星载荷支撑模块和有效载荷供电，以满足卫星在各种工作模式下的功率需求。卫星在轨运行期间使用太阳翼将太阳能转化为电能为整个卫星供电，在地面联试时使用地面直流电源为整星供电。

在卫星地面测试及各种地面试验期间，目前使用有线连接方式为连接直流电源和卫星供配电单元的地测口，给卫星提供能源输入；采用上述这种连接方式存在一些缺陷，包括：(1)地面直流电源与卫星供配电模块采用有线连接，在震动实验和老化实验中裸露的线缆给设备带来了很多局限性，容易引起连接器松动、接触不良等问题；(2)星载蓄电池组在完成整星测试后到卫星到达发射场准备发射之间的时间里会损耗较多能量，若蓄电池电量不足，卫星入轨时将有能源危机的风险，然而在整星总装后使用有线方式对蓄电池组充电不方便；(3)有线方式需在卫星结构上预留充电接口和线缆，裸露的线缆和接口不仅增加整体设备成本，而且容易引起短路等风险。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足，本实用新型提出了一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，该装置包括发射端和接收端；发射端包括发射端电能变换装置7和发射端磁耦合线圈4；接收端包括卫星结构板2、接收端磁耦合线圈3以及接收端电能变换装置1；所述发射端电能变换装置7通过高频Litz线缆6与所述发射端磁耦合线圈4连接；所述接收端磁耦合线圈3与所述接收端电能变换装置1连接，并嵌入到卫星结构板2中；所述发射端磁耦合线圈4与所述接收端磁耦合线圈3通过谐振补偿拓扑结构进行无线能量传输，形成卫星无线供电装置。

优选的，发射端电能变换装置7包括直流变换电路和高频逆变电路；所述直流变换电路用于将幅值固定的直流电压变换成幅值和极性可变的直流电压；所述高频逆变电路采用高频DC/AC变换技术将低压直流电逆变为高频低压交流电。

优选的，发射端磁耦合线圈4和接收端磁耦合线圈3均采用Litz线进行平面环式绕制，形成的线圈都设置在非金属壳体中，线圈的底面紧贴有铁氧体软磁片。

进一步的，非金属壳体包括接收端非金属壳体和发射端非金属壳体；所述接收端的非金属壳体为圆柱型壳体，圆柱型壳体的侧面设置有螺栓孔，采用螺栓将圆柱型壳体固定在卫星结构板2；所述发射端非金属壳体为圆环型。

优选的，所述接收端电能变换装置1包括整流电路和直流稳压电路；所述整流电路将接收端磁耦合线圈3中的高频交流电压转换为直流电压；所述直流稳压电路通过DC/DC变换技术将直流电压调节为幅值稳定、输出纹波值小的直流电压。

优选的，采用的谐振补偿拓扑结构为双边LCC拓扑结构，双边LCC拓扑结构为发射端和接收端均采用LCC谐振补偿拓扑结构。

进一步的，LCC谐振补偿拓扑结构包括第一电感、第二电感、第一电容以及第二电容；第二电容与第二电感串联，将串联后的第二电容和第二电感与第一电容并联，将并联后的电路与第一电感串联，形成LCC谐振补偿拓扑结构。

优选的，发射端还设置有非金属材料支柱5，发射端磁耦合线圈4设置在非金属材料支柱5顶部，通过非金属材料支柱5调节发射端与接收端的距离。

本实用新型所提供的装置在整星测试阶段可实现地面电源与卫星电源之间的隔离，有效避免多次插拔电连接器引起的电连接器磨损和接口松动问题，减少卫星结构开孔和电连接器的使用；在性能方面，卫星无线供电装置的电能接收装置通过LCC谐振补偿拓扑结构，具有恒流输出的特点，能有效模拟太阳电池阵的输出特性，系统整体效率高、输出功率高、设备重量轻，具有使用位置灵活、安全方便、易用的优点。

附图说明

图1为本实用新型的一种无线供电装置结构示意图；

图2为本实用新型的接收端电能变换装置的安装结构示意图；

图3为本实用新型的无线供电谐振补偿拓扑示意图；

图4为本实用新型的磁耦合线圈示意图；

其中，1、接收端电能变换装置，2、卫星结构板，3、接收端磁耦合线圈，4、发射端磁耦合线圈，5、非金属材料支柱，6、高频Litz线缆，7、发射端电能变换装置。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置的具体结构，如图1所示，该装置包括发射端和接收端；发射端包括发射端电能变换装置7和发射端磁耦合线圈4；接收端包括卫星结构板2、接收端磁耦合线圈3以及接收端电能变换装置1；所述发射端电能变换装置7通过高频Litz线缆6与所述发射端磁耦合线圈4连接；所述接收端磁耦合线圈3与所述接收端电能变换装置1连接，并嵌入到卫星结构板2中；所述发射端磁耦合线圈4与所述接收端磁耦合线圈3通过谐振补偿拓扑结构进行无线能量传输，形成卫星无线供电装置。

优选的，发射端磁耦合线圈4安装于非金属材料支柱5上，发射端电能变换装置7和非金属材料支柱5安装于地面或者桌面。支柱的作用是保持两个磁耦合线圈在无线电能传输中的合适距离，因此除支柱外，其他非金属支架或者安装平面均可视为等同效果。

优选的，非金属材料支柱5为一种可活动的支柱；该支柱包括底座、固定杆、活动轴承以及支撑杆；所述固定杆的底部设置在底座上，使得整个非金属材料支柱的位置固定；采用活动轴承将固定杆的顶部和支撑杆的底部连接；通过活动轴承可以使得支撑杆进行前后左右的移动，调整发射端磁耦合线圈4的位置。

优选的，所述固定杆为一种可伸缩的调节杆；调节杆的结构包括外杆和内杆，内杆设置在外杆的内部，且内杆能在外杆中上下移动。外杆上设置有刻度，每个刻度上设置有卡槽；内杆上设置有与卡槽对应的卡扣，当内杆调节到指定位置后用卡扣固定。采用本实施例采用的可伸缩调节杆，可以调节发射端磁耦合线圈4的高度，保持发射端磁耦合线圈4和接收端磁耦合线圈3的距离在设计范围，完成电磁波的高效率接收与发送。

发射端电能变换转置7包括直流变换电路和高频逆变电路；所述直流变换电路用于将幅值固定的直流电压变换成幅值和极性可变的直流电压；所述高频逆变电路采用高频DC/AC变换技术将低压直流电逆变为高频低压交流电。

发射端磁耦合线圈4和接收端磁耦合线圈3均采用Litz线进行平面环式绕制，形成的线圈都设置在非金属壳体中，线圈的底面紧贴有铁氧体软磁片。

非金属壳体包括接收端非金属壳体和发射端非金属壳体；所述接收端的非金属壳体为圆柱型壳体，圆柱型壳体的侧面设置有螺栓孔，采用螺栓将圆柱型壳体固定在卫星结构板2；所述发射端非金属壳体为圆环型。

如图2所示，接收端磁耦合线圈3安装于卫星结构外表面，正对于发射端磁耦合线圈4，接收端电能变换装置1安装于卫星内部，其输出与卫星能源设备相连。

如图3所示，本装置的谐振补偿拓扑采用双边LCC拓扑，所述双边LCC拓扑结构为发射端和接收端均采用LCC谐振补偿拓扑结构。LCC谐振补偿拓扑结构包括第一电感、第二电感、第一电容以及第二电容；第二电容与第二电感串联，将串联后的第二电容和第二电感与第一电容并联，将并联后的电路与第一电感串联，形成LCC谐振补偿拓扑结构。LCC谐振补偿拓扑结构具有输出端恒流、传输功率高、发射端电能变换装置电路和接收端电能变换装置控制方式简单等特点。

本实用新型采用无线供电技术，能量来源为地面直流电源。地面直流电源的电能输入给发射端电能变换装置7，经内部的变压、逆变电路变化为高频交流电，再经过发射端谐振补偿拓扑经高频Litz线6输出给发射端磁耦合线圈4，高频交流电在发射端磁耦合线圈4产生高频的交变磁场。接收端磁耦合线圈3感应到高频的交变磁场并在线圈上产生高频交流电，经过接收端谐振补偿拓扑后流入接收端电能变换装置1中，最后经接收端电能变换装置1处理后传入卫星能源模块为卫星提供电能。

如图4所示，接收端磁耦合线圈3包含线圈和铁氧体软磁片，发射端磁耦合线圈4包含线圈和铁氧体软磁片。接收端的磁耦合线圈和发射端的磁耦合线圈为平面环式线圈，其材料为Litz线。铁氧体软磁片可有效屏蔽线圈产生的高频交变磁场，增强线圈间的互感，提升无线传输电能的功率。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“底部”、“一端”、“上”、“一侧”、“内”、“前部”、“后部”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，该装置包括发射端和接收端，其特征在于，发射端包括发射端电能变换装置(7)和发射端磁耦合线圈(4)；接收端包括卫星结构板(2)、接收端磁耦合线圈(3)以及接收端电能变换装置(1)；所述发射端电能变换装置(7)通过高频Litz线缆(6)与所述发射端磁耦合线圈(4)连接；所述接收端磁耦合线圈(3)与所述接收端电能变换装置(1)连接，并嵌入到卫星结构板(2)中；所述发射端磁耦合线圈(4)与所述接收端磁耦合线圈(3)通过谐振补偿拓扑结构进行无线能量传输，形成卫星无线供电装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，发射端电能变换装置(7)包括直流变换电路和高频逆变电路；所述直流变换电路用于将幅值固定的直流电压变换成幅值可变的直流电压；所述高频逆变电路采用高频DC/AC变换技术将低压直流电逆变为高频低压交流电。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，发射端磁耦合线圈(4)和接收端磁耦合线圈(3)均采用Litz线进行平面环式绕制，形成的线圈都设置在非金属壳体中，线圈的底面紧贴有铁氧体软磁片。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，非金属壳体包括接收端非金属壳体和发射端非金属壳体；所述接收端的非金属壳体为圆柱型壳体，圆柱型壳体的侧面设置有螺栓孔，采用螺栓将圆柱型壳体固定在卫星结构板(2)；所述发射端非金属壳体为圆环型。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，所述接收端电能变换装置(1)包括整流电路和直流稳压电路；所述整流电路将接收端磁耦合线圈(3)中的高频交流电压转换为直流电压；所述直流稳压电路通过DC/DC变换技术将直流电压调节为幅值稳定、输出纹波值小的直流电压。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，采用的谐振补偿拓扑结构为双边LCC拓扑结构，双边LCC拓扑结构为发射端和接收端均采用LCC谐振补偿拓扑结构。

7.根据权利要求6所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，LCC谐振补偿拓扑结构包括第一电感、第二电感、第一电容以及第二电容；第二电容与第二电感串联，将串联后的第二电容和第二电感与第一电容并联，将并联后的电路与第一电感串联，形成LCC谐振补偿拓扑结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合式的卫星无线供电装置，其特征在于，发射端还设置有非金属材料支柱(5)，发射端磁耦合线圈(4)设置在非金属材料支柱(5)顶部，通过非金属材料支柱(5)调节发射端与接收端的距离。

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