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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术与传统磁耦合机构相比，其显著优点在于：本专利技术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是本专利技术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，进一步说明本专利技术方案。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，可知本专利技术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所示为本专利技术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，而且对线圈的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，牛萍娟，刘宝丹，隋宇，李名洋，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12