空心谐振立体线圈、无线电能传输用耦合线圈及机械转轴用无线电能传输装置的制作方法

1.本发明属于无线电磁场与能源传输领域，涉及一种空心谐振立体线圈、无线电能传输用耦合线圈及机械转轴用无线电能传输装置。


背景技术：

2.随着卫星的功能和要求越来越高，单个卫星搭载各种载荷执行众多任务，为了满足载荷的需求，卫星不得采用了单翼的结构，采用单翼结构后整星功率由星外传往星内，sada成为唯一功率通路，在一定程度上，降低了整星功率的可靠性。唯一路径一旦发生问题将造成整星工作失效，这说明单翼卫星的sada 的可靠性尤为重要。另外，连续旋转中的接触式传导部件存在寿命短、可靠性差的问题，功率传输滑环中存在的接触和摩擦，使其成为卫星中最容易发生故障的部件之一，也成为制约航天器长寿命高可靠性高安全发展的瓶颈。历史上曾因太阳电池阵驱动机构的问题，造成了大量的航天器故障。从部组件来看，发生故障率最高的是太阳电池阵驱动装置，近年来发生故障的卫星中，就存在因为太阳电池阵驱动机构机械磨损故障导致卫星不能正常供电的问题，最后导致整星失效。从上述分析可知，太阳电池阵旋转过程中即能源传输过程中电力传输滑环的接触和摩擦是造成卫星可靠性瓶颈并且制约性能指标提升的根本原因。采用无线供电领域的非接触供电技术，可以彻底消除太阳电池阵旋转过程中即能源传输过程中电力传输滑环的接触和摩擦。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的在于提供一种空心谐振立体线圈、无线电能传输用耦合线圈及机械转轴用无线电能传输装置，以解决卫星采用功率传输滑环传输电能时太阳电池阵驱动机构机械磨损故障使得卫星不能正常供电最后导致整星失效的问题。
4.本发明实施例所采用的第一技术方案是：空心谐振立体线圈，包含至少一层线圈结构；每层线圈结构由内环线圈和外环线圈组成，且每层线圈结构的内环线圈和外环线圈的绕制方向相反。
5.进一步的，线圈结构层数大于等于二时，多层线圈结构上下分层设置，且所有内环线圈的绕制方向相同，所有外环线圈的绕制方向相同；每层线圈结构的内环线圈和外环线圈位于同一水平面上；所有内环线圈的直径一致，所有外环线圈的直径一致。
6.进一步的，所述的空心谐振立体线圈，由一根导电材料先从下往上顺时针/逆时针绕制所有外环线圈，然后从最顶层线圈结构的外环线圈绕至其内部，再从上往下逆时针/顺时针绕制所有内环线圈；或由一根导电材料先从上往下顺时针/逆时针绕制所有外环线圈，然后从最底层线圈结构的外环线圈绕至其内部，再从下往上逆时针/顺时针绕制所有内环线圈。
7.进一步的，所述的空心谐振立体线圈，由一根导电材料先从下往上顺时针/逆时针绕制所有内环线圈，然后从最顶层线圈结构的内环线圈绕至其外部，再从上往下逆时针/顺时针绕制所有内环线圈；或由一根导电材料先从上往下顺时针/逆时针绕制所有内环线圈，然后从最底层线圈结构的内环线圈绕至其外部，再从下往上逆时针/顺时针绕制所有外环线圈。
8.进一步的，线圈结构层数大于等于二时，上下相邻的两层线圈结构之间的距离，大于等于用于绕制该空心谐振立体线圈的导电材料的直径的1.5倍，但不超过50mm。
9.本发明实施例所采用的第二技术方案是：无线电能传输用耦合线圈，发射线圈和接收线圈均采用如上所述的空心谐振立体线圈。
10.进一步的，接收线圈和发射线圈的间距设置为0.01mm-100mm。
11.本发明实施例所采用的第三技术方案是：机械转轴用无线电能传输装置，包括：第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体内部均安装有传输线圈；其中：所述传输线圈采用如上所述的空心谐振立体线圈，两个传输线圈对应为发射线圈和接收线圈；所述第一壳体和第二壳体配合形成金属密封环结构，且第一壳体和第二壳体不固定连接，使得发射线圈和接收线圈相距一定间距设置在金属密封环结构内，且第一壳体和/或第二壳体可独立自由转动。
12.进一步的，金属密封环结构的内壁上设置有导磁材料层。
13.进一步的，金属密封环结构的中心设置有转轴，第一壳体和/或第二壳体与转轴固定连接；空心谐振立体线圈的每一层线圈结构均由多个与金属密封环结构固定连接的层板片固定支撑、分隔，层板片采用非金属材料。
14.本发明实施例的有益效果是：以电磁共振作为无线传能核心机理，结构主要包括空心谐振立体线圈、相应频率特性的超导磁材料层、金属密封环结构，空心谐振立体线圈由包漆铜线、铜管或者其他高导电轻质材料按照设计方法绕制而成，并通过层板片（非金属材料）固定在金属密封环结构内。使用超导磁材料层改变磁场传输路径，极大增加了磁场交换律，提高了能量在金属密封环结构内的传输效率，降低了电磁场在金属密封环结构内的损耗，避免使用固体磁芯材料易碎的情况，同时实现了旋转结构无线能量超高效率传输，且金属密封环结构保证了每一个独立无线电能传输通道的发射端和接收端可以严丝合缝的闭合在一起，在顺时针或者逆时针旋转时不会有相互碰撞、摩擦或间距变化，解决了卫星采用功率传输滑环传输电能时太阳电池阵驱动机构机械磨损故障使得卫星不能正常供电最后导致整星失效的问题。金属密封环结构与导磁材料共同作用限制无线能量传输时产生的无线电磁场的传输路径，将无线电磁场封闭在金属密封环结构内部不会外泄对其他通路或者外部设备产生影响。
附图说明
15.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。
16.图1是本发明实施例的机械转轴用无线电能传输装置的外观示意图。
17.图2是本发明实施例的单个传输线圈的结构示意图。
18.图3是本发明实施例的立体线圈结构示意图。
19.图4是本发明实施例的机械转轴用无线电能传输装置的结构示意图。
20.图5是本发明实施例的机械转轴用无线电能传输装置在谐振耦合的矢量磁场分布图。
21.图6是本发明实施例的发射线圈和接收线圈的耦合比例仿真结果图。
22.图7是本发明实施例的发射线圈和接收线圈的耦合比例实测结果图。
23.图中，1.导磁材料层，2.传输线圈，3.层板片，4.转轴，5.金属密封环结构，6.组装孔。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，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。
25.实施例1本发明实施例提供一种空心谐振立体线圈，如图1所示，包含至少一层线圈结构，每层线圈结构由内环线圈和外环线圈组成，且每层线圈结构的内环线圈和外环线圈的绕制方向相反，绕制方向分为顺指针和逆时针，对于每一层线圈结构而言，当其外环线圈逆时针绕制时，其内环线圈顺时针绕制，当其外环线圈顺时针绕制时，其内环线圈逆时针绕制。
26.在一些实施例中，线圈结构层数大于等于二时，多层线圈结构上下分层设置，且所有内环线圈的绕制方向相同，所有外环线圈的绕制方向相同，绕制方向如图1的黑色箭头所示，使得每层线圈结构的内环线圈和外环线圈之间形成对流，提高电能传输效率，达到高效率传输。通过上下设置多层内环线圈和外环线圈内电流方向相反的线圈结构，来增加一层线圈结构的内环线圈和外环先前在极限相对距离下产生的磁场耦合度。
27.在一些实施例中，每层线圈结构的内环线圈和外环线圈位于同一水平面上；所有内环线圈的直径一致，所有外环线圈的直径一致。
28.在一些实施例中，所述空心谐振立体线圈，由一根导电材料绕制而成，导电材料可选择高导电轻质材料，如包漆铜线、铜管等。
29.在一些实施例中，所述空心谐振立体线圈，由一根导电材料先从下往上顺时针/逆时针绕制所有外环线圈，然后从最顶层线圈结构的外环线圈绕至其内部，再从上往下逆时针/顺时针绕制所有内环线圈；或由一根导电材料先从上往下顺时针/逆时针绕制所有外环线圈，然后从最底层线圈结构的外环线圈绕至其内部，再从下往上逆时针/顺时针绕制所有内环线圈。
30.在一些实施例中，所述空心谐振立体线圈，由一根导电材料先从下往上顺时针/逆时针绕制所有内环线圈，然后从最顶层线圈结构的内环线圈绕至其外部，再从上往下逆时
针/顺时针绕制所有内环线圈；或由一根导电材料先从上往下顺时针/逆时针绕制所有内环线圈，然后从最底层线圈结构的内环线圈绕至其外部，再从下往上逆时针/顺时针绕制所有外环线圈。
31.在一些实施例中，线圈结构层数大于等于二时，上下相邻的两层线圈结构之间的距离，需要大于等于用于绕制该空心谐振立体线圈的导电材料的直径的1.5倍，以容纳更多的磁感线穿过，减少因磁感线在绕制用的导电材料上产生的损耗，保证谐振耦合效率，获得高效率传输，降低电磁场的损耗，但不宜超过50mm。
32.实施例2本发明实施例提供一种无线电能传输用耦合线圈，如图2所示，其发射线圈和接收线圈均采用实施例1所述的空心谐振立体线圈，且接收线圈和发射线圈的间距设置为0.01mm-100mm，传输效率》95%。
33.实施例3本发明实施例提供一种机械转轴用无线电能传输装置，如图3~4所示，包括：第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体内部均安装有传输线圈2；其中：所述传输线圈2采用实施例1所述的空心谐振立体线圈，两个传输线圈2对应为发射线圈和接收线圈；所述第一壳体和第二壳体配合形成金属密封环结构5，且第一壳体和第二壳体不固定连接，使得发射线圈和接收线圈相距一定间距设置在金属密封环结构5内，发射线圈和接收线圈关于第一壳体和第二壳体的接触面左右对称设置，且第一壳体和/或第二壳体可独立自由逆时针/顺时针转动而不影响功率传输的各项性能指标和传输效率，并保证较高emc屏蔽，这是系统发射端和接收端在特殊应用环境下进行持续机械转动时，保证大功率无线能量传输必须具备的关键特性，使得在任何旋转角度上，电能传输效率不变，电磁场分布均匀，机械转轴用无线电能传输装置的整体结构尺寸可按照旋转轴和系统要求进行任意调整。
34.进一步的，所述金属密封环结构5的内壁上设置有导磁材料层1，导磁材料层1可采用超高导磁体，以增强电磁场传输密度，使电磁场聚集在每层线圈结构的内环线圈和外环线圈之间，获得极高传输效率，并且降低电磁场在经过空心谐振立体线圈和金属密封环结构5时产生的损耗。
35.更进一步的，所述空心谐振立体线圈的每一层线圈结构均由多个与金属密封环结构5固定连接的层板片3固定支撑来保持其弧度，且空心谐振立体线圈的相邻两层线圈之间通过特定长度的层板片3进行绝缘分隔。层板片3采用非金属材料，其长度、宽度和厚度均应满足线圈设计需求，以保证线圈间的绝缘强度。
36.进一步的，所述金属密封环结构5上设置有组装孔6，用于固定层板片3。
37.进一步的，所述金属密封环结构5的中心设置有转轴4，第一壳体和/或第二壳体与转轴4固定连接，使得转轴4转动带动第一壳体和/或第二壳体转动，进而带动发射线圈和/或接收线圈转动。
38.图5为本发明实施例的基于谐振耦合的机械转轴用无线电能传输装置的矢量磁场分布图，该图显示了本发明实施例的基于谐振耦合的机械转轴用无线电能传输装置的矢量
磁场的大致矢量回路，其中颜色的改变跟箭头的大小成正比，可以看到矢量磁场分布很均匀，该仿真结果也证实导磁材料层和金属密封环结构5相邻而成的结构可以有效防止漏磁，耦合系统的发射线圈和接收线圈产生的电磁场完全封闭在金属密封环结构5的内壁间区域。图6显示的是仿真所得耦合比例，图7显示的是实际测试所得耦合比例，仿真结果显示在耦合结构才旋转状态下，发射线圈和接收线圈的耦合比例为0.985，而实际测试结果显示在耦合结构才旋转状态下，发射线圈和接收线圈的耦合比例值为0.972，有效说明了本发明实施例的机械转轴用无线电能传输装置的高传输效率。
39.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。