星上无线能量传输系统设计及实验验证

摘要

随着卫星技术的发展，卫星所能够承担的任务越来越多，星上载荷日趋复杂，对能源的要求也越来越高。同时，对于卫星长寿命、高可靠性、低成本的要求，促使星上搭载的传感器数量和种类不断增多，这对卫星的通信及供配电系统设计提出了更高要求。长寿命、高可靠性、高可用性、轻质量等需求综合在一起，对于卫星设计提出了更高挑战。相对于目前已经有实验验证和早期测试应用的星上无线通信方式，如ZigBee，2.4GHz，Sub-1GHz等，星上无线能量传输尚未得到验证，二者配合可以大大提高星内传感器布局的便利性，为全面检测卫星状态，实现卫星高可靠度，长预期寿命提供可能性。本文以星上应用为背景，设计一套星内无线能量传输系统，主要进行以下几个方面的工作:
　　对无线能量传输系统，特别是谐振式电感耦合无线能量传输系统的初次级耦合组件进行分析计算，针对四种谐振电路形式进行分析计算，得到无线能量传输系统的耦合系数、传输功率、漏感补偿等的公式化描述，比较四种系统特点、在星上应的优劣，并根据公式对电路元件参数进行计算，得到元件参数与传输功率、负载大小等的关系，并选定一种电路形式进行优化设计。
　　针对卫星应用环境下空间紧凑，电磁环境要求高，结构设计较为复杂，能量有限的特点，分析现有不同类型无线能量传输组件的电磁模型并进行仿真，对于目前无线能量传输组件电磁耦合系数低，漏磁大，不适合本设计应用的问题进行针对性改进，设计出一种高耦合系数，低漏磁，并且能够应用于初次级之间有相对转动的系统。通过实际仿真分析和优化改进，能够有效提高电磁耦合系数，减少电磁泄漏。
　　根据实际需求，结合系统整体设计，研制一套无线能量传输设备，包括初次级控制器，氧化物半导体场效应晶体管（MOS管）驱动电路，全桥开关，补偿电路，采样处理电路，整流滤波电路等，对各个部分元件参数进行计算，并根据计算结果在地面验证模型中搭建一套无线能量传输实验系统进行实际验证，并对实验结果进行分析，得出各部分损耗的具体数值。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景、目的和意义

1．2国内外研究现状分析

1．2．1近区场无线能量传输

1．2．2远区场无线能量传输

1．3主要研究内容及论文结构

第2章无线能量传输基本原理

2．1谐振电路原理

2．2谐振电磁耦合无线能量传输原理

2．3谐振电磁耦合无线能量传输补偿理论

2．4本章小结

第3章无线能量传输组件设计与仿真

3．1无线能量传输组件设计方法

3．2空心耦合线圈模型

3．2．1空心螺线管线圈

3．2．2空心平面线圈

3．3磁芯耦合线圈模型

3．3．1磁性材料特性

3．3．2非轴对称形磁芯模型

3．3．3轴对称形磁芯模型

3．4不同因素对耦合系数的影响

3．4．1初次级垂直方向间距对耦合系数的影响

3．4．2初次级水平方向间距对耦合系数的影响

3．5磁芯耦合线圈的优化设计

3．6本章小结

第4章星上无线能量传输系统设计

4．1初级控制器架构

4．2无线能量传输线圈设计

4．2．1初次级耦合线圈设计

4．2．2耦合线圈损耗

4．2．3磁芯损耗

4．2．4无线能量传输线圈参数计算

4．3次级控制器架构

4．4本章小结

第5章星上无线能量传输电路设计及实验验证

5．1系统电路设计

5．1．1初级控制器设计

5．1．2次级控制器设计

5．2系统实验验证及结果分析

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢