[发明专利]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

说明书

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。

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。