基于电磁耦合无线能量传输的空间大功率导电旋转关节

摘要

基于电磁耦合无线能量传输的空间大功率导电旋转关节，包括无线电力传输机构和驱动机构，其中无线电力传输机构又包括高频逆变模块(2)、电磁发射系统(3)、电磁接收系统(4)、整流模块(5)、导电滑环(6)，驱动结构包括电机驱动器(8)、电机(9)、减速器(10)和转轴(11)；高频逆变模块(2)、电磁发射系统(3)和导电滑环(6)固定于旋转侧外壳(14)上，电磁接收系统(4)、整流模块(5)、电机驱动器(8)、电机(9)、减速器(10)固定于静止侧外壳(15)上，静止侧外壳(15)上通过顶端轴承(16)和底端轴承(17)支撑在旋转侧外壳(14)内部。本发明可以实现太阳发电阵和发射天线阵的非接触电力连接，提高空间太阳能电站的工作寿命。

说明书

技术领域

本发明属于航天领域，涉及一种应用于空间太阳能电站连接太阳发电阵和 发射天线阵的大功率导电旋转关节。

背景技术

为了实现对空间太阳能的综合利用和开发，以美国和日本为主的发达国家 已经投入了大量人员开展广泛的空间太阳能电站技术研究。空间太阳能电站 SPSS(SPS-Solar Power Satellite，SSPS-Space Solar Power System，SBSP- Space Based Solar Power)是在空间将太阳能转化为电能，再通过其它方式 传输到地面供地面使用的电力系统。空间太阳能电站的建立旨在利用空间的太 阳能为地面提供GW级电力，其中空间太阳能电站的建造、运行、管理都是非 常宏大的工程。

为了保证空间太阳能电站的高效率工作，太阳能电池阵必须连续旋转跟踪 太阳的位置，而发射天线阵对地球接收站定向。在一个轨道周期内，太阳电池 阵与发射天线之间的相对位置变化达到360度，所以必须采用可以连续旋转的 大功率导电旋转机构实现供电设备(太阳发电阵)与用电设备(发射天线阵) 的连接。目前国内外航天领域，已经得到实际应用的大功率导电旋转关节主要 分为滑环式和滚环式两种，均为接触式结构。虽然这些接触式旋转导电关节已 经被广泛应用在卫星和空间站的各种旋转接口上，但由于滑环的摩擦力矩较大、 滑动接触表面磨损严重、接触电阻较大、局部过热，已经引起了短路或局部二 次放电的问题，这些局限性将难以满足空间太阳能电站更大传输功率、更长运 行寿命和更高可靠性的需求。

公开号为103076812，名称为“一种新型太阳帆板驱动机构”的中国专利 公布了一种太阳帆板驱动机构，该驱动机构为了克服导电滑环接触电阻热损和 摩擦放电的问题，取消了导电滑环，导致导电旋转关节不具有360度的旋转功 能，依靠驱动器控制太阳帆板多次正、反转来避免其做360度运动。作为大型 航天结构，驱动太阳发电阵旋转需要耗费很大的能量，如果不能进行360度旋 转，则需要将很大部分的能量用于太阳发电阵的往复旋转，其反向运动的巨大 惯性也会给驱动结构带来巨大损伤和控制难度，因此很难用于空间太阳能电站 或其他大型航天器。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有导电关节接触摩损、空间放电和局部 过热等问题，提供了一种基于电磁耦合无线能量传输的空间大功率导电旋转关 节，可以实现空间太阳能电站太阳发电阵和发射天线阵的非接触电力连接，提 高了空间太阳能电站的工作寿命、安全性以及工作效率。

本发明的技术解决方案是：基于电磁耦合无线能量传输的空间大功率导电 旋转关节，包括无线电力传输机构和驱动机构，其中无线电力传输机构又包括 高频逆变模块、电磁发射系统、电磁接收系统、整流模块、导电滑环，驱动结 构包括电机驱动器、电机、减速器和转轴；高频逆变模块、电磁发射系统和导 电滑环固定于旋转侧外壳上，电磁接收系统、整流模块、电机驱动器、电机、 减速器固定于静止侧外壳上，静止侧外壳上通过顶端轴承和底端轴承支撑在旋 转侧外壳内部；旋转侧外壳的末端通过紧固螺栓与太阳电池阵的中心转轴固定， 二者保持相对静止，静止侧外壳末端通过紧固螺栓与发射天线阵的中心转轴固 定，二者保持相对静止；转轴的一端穿过静止侧外壳和旋转侧外壳后与太阳电 池阵的中心转轴同轴，转轴的另一端与减速器同轴相连；太阳电池阵引出的电 源线缆从旋转侧外壳的末端底部的功率线通孔进入并与高频逆变模块的输入端 连接，太阳电池阵引出的信号线从旋转侧外壳末端底部的信号线通孔穿入导电 滑环；电磁发射系统紧贴旋转侧外壳的内侧，电磁发射系统的线圈与高频逆变 模块的输出端连接；电磁接收系统的线圈螺旋绕于磁芯上，磁芯固定于发射天 线阵的基座上；电机的转轴与减速器同轴相连，电机的后端固定于静止侧外壳， 整流模块和电机驱动器分别固定于静止侧外壳的上端和下端；电磁接收系统的 线圈与整流模块的输入端相连，整流模块的输出端以及导电滑环的信号出线端 均与发射天线阵相连；太阳电池阵内部的太阳敏感器将太阳方位信息通过导电 滑环传送给发射天线阵，发射天线阵内部的控制计算机获得太阳方位信息后计 算出太阳电池阵所需旋转的角度，并将旋转的角度对应的电机旋转圈数指令通 过信号线发送给电机驱动器，电机驱动器根据指令产生脉冲信号来驱动电机， 电机的转轴通过减速器提升转矩后带动转轴旋转所需角度，完成太阳电池阵的 对日跟踪定向；太阳电池阵收集的太阳能转换成直流电功率，通过线缆传送给 高频逆变模块，高频逆变模块将直流电功率逆变成交流电功率来驱动电磁发射 系统，电磁发射系统通过线圈以电磁耦合能量传输形式将电能发送给电磁接收 系统的线圈，整流模块将电磁接收系统接收到的交流电功率变换为直流电功率， 再经过线缆输送给发射天线阵。

所述的电磁发射系统的线圈与电磁接收系统的线圈采用非接触同轴安装方 式。所述的电磁发射系统的线圈和电磁接收系统的线圈均采用镀银铜管构成， 两个线圈之间的距离不超过10cm。所述的高频逆变模块所处理的高频电压频 率在0.5MHz至25MHz之间，优选为1MHz。所述的高频逆变模块由聚酰亚胺 板与导电滑环相隔。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明导电旋转关节的旋转端和静止 端采用同轴套筒式安装，旋转端作为外环，静止端作为内环，具有360度的旋 转功能，能够灵活实现对日定向功能，克服部分现有不能实现360度旋转的导 电关节必须通过驱动太阳发电阵的往复旋转实现对日定向造成的能量损耗大、 结构损伤严重和控制难度大的弊端。本发明的导电关节采用电磁耦合能量传输 的方式代替传统电刷与贵金属接触方式传输功率，由于旋转关节旋转端、静止 端不接触，不会产生摩屑，克服了现有导电关节的接触式导电滑环由于滑环的 摩擦力矩较大、滑动接触表面磨损严重、接触电阻较大、局部过热，引起短路 或局部二次放电的问题，显著提升了导电关节的工作寿命以及导电关节输电效 率。此外，本发明导电旋转关节采用电磁耦合能量传输系统和导电滑环组合方 式实现电功率和信号的同时传输，避免了单一使用电磁耦合能量传输只能传输 电功率无法准确传递信号的弊端。

附图说明

图1为本发明大功率导电旋转关节在空间太阳能电站系统的布局示意图；

图2为本发明大功率导电旋转关节的原理图；

图3为本发明大功率导电旋转关节的结构图。

具体实施方式

电磁耦合无线能量传输技术可实现将电能从供电设备无线输送到用电设 备，随着该技术的不断研究和发展，已经开始应用于小功率设备的充电，甚至 可以为电动汽车充电。利用该技术的非接触式能量传输特点，可将大型航天器 的导电旋转关节设计成具有电磁耦合无线传输功能的结构，克服传统导电关节 由于滑环接触部分磨擦导致的摩擦损耗、二次放电和局部过热问题，提高航天 器的工作寿命、安全性以及工作效率。

如图1所示，本发明的空间大功率导电旋转关节用于连接空间太阳能电站 的太阳发电阵和发射天线阵，其中南导电旋转关节连接南太阳电池阵和发射天 线阵，北导电旋转关节用于连接北太阳电池阵和发射天线阵。空间太阳能电站 的发电过程如下：太阳电池阵收集太阳能并转换成电能经过导电关节传输给发 射天线阵，发射天线阵将电能转换为微波能发射到地面；同时太阳电池阵通过 内部的太阳敏感器感应太阳的方位信息，经过导电旋转关节传给发射天线阵内 部的控制计算机，该控制计算机输出控制指令给导电旋转关节，使其旋转相应 角度以实现对太阳的追踪定向，从而满足太阳电池阵能够最大程度的获得太阳 能。

如图2所示，本发明的空间大功率导电旋转关节，包括无线电力传输机构 和驱动机构。无线电力传输机构又包括高频逆变模块2、电磁发射系统3、电 磁接收系统4、整流模块5、导电滑环6，驱动结构包括电机驱动器8、电机9、 减速器10和导电旋转关节的转轴11。

空间大功率导电旋转关节的工作原理如下：太阳电池阵1固定于导电旋转 关节的旋转端，太阳电池阵1内部的太阳敏感器将太阳方位信息通过导电滑环 6传送给星体或者发射天线阵7等负载。导电滑环6两侧均采用信号线与太阳 电池阵1和发射天线阵7相连。发射天线阵7内部的控制计算机获得太阳方位 信息后计算出太阳电池阵所需旋转的角度，并将旋转的角度对应的电机旋转圈 数指令通过信号线发送给电机驱动器8，电机驱动器8根据指令产生脉冲信号 来驱动电机9工作，电机9的转轴通过减速器10提升转矩后带动导电旋转关 节的转轴11旋转所需角度，完成太阳电池阵1的对日跟踪定向。太阳电池阵1 收集的太阳能转换成直流电功率，通过电源母线线缆传送给导电旋转关节的高 频逆变模块2，高频逆变模块2将直流电功率逆变成高频交流电功率来驱动电 磁发射系统3，高频电压频率可在0.5MHz至25MHz之间，最好选择1MHz 附近频率，电磁发射系统3通过发射线圈以电磁耦合能量传输形式将电能发送 给电磁接收系统4的接收线圈。其中，为了提高发射线圈与接收线圈的耦合系 数，增加无线电力传输机构的输电效率，发射线圈和接收线圈采用高品质因数 的线圈，并且二者距离应不超过10cm。电磁接收系统4接收到的交流电经过 整流模块5的电源变换，将高频交流电功率变换为直流电功率，再经过母线线 缆输送给发射天线阵7。

高频逆变模块2将大功率直流电能转换成高频交流电能，加载到电磁发射 系统的螺旋线圈电路，可采用现有的高频功率放大模块。电磁发射系统3和电 磁接收系统4由品质因素较高的耦合螺旋线圈和电容组成。整流模块5主要将 电磁接收系统的高频电能整流转换成直流电能输出给负载。导电滑环6可采用 典型的滑环式或滚环式导电滑环，该类产品已成功用于各国航天器的太阳帆板 驱动机构，如MOOG公司TOPEX/Poseidon SADA、瑞士RUAG公司SEPTA23 SADA。

本发明的空间大功率导电旋转关节内部结构如图3所示，该空间大功率导 电旋转关节的旋转侧包括：紧固螺栓13、旋转侧外壳14、高频逆变模块2、底 端轴承17、顶端轴承16、导电滑环6和电磁发射系统3。静止侧包括：电磁接 收系统4、磁芯12、转轴11、减速器10、电机9、电机驱动器8、整流模块5 和静止侧外壳15。

旋转侧外壳14末端通过紧固螺栓13与太阳电池阵1的中心转轴固定，二 者保持相对静止；静止侧外壳15末端通过紧固螺栓13与发射天线阵7的中心 转轴固定，二者保持相对静止。导电旋转关节的转轴11通过紧固螺栓13与旋 转侧外壳14末端固定，转轴11与太阳电池阵1的中心转轴同轴，转轴11为 钛合金空心轴。太阳电池阵1引出的电源线缆从旋转侧外壳14末端底部功率 线通孔进入并与高频逆变模块2连接，太阳电池阵1引出的信号线从旋转侧外 壳14末端底部信号线通孔穿入导电滑环6，高频逆变模块2由聚酰亚胺板与导 电滑环6相隔。电磁发射系统3的螺旋线圈紧贴旋转侧外壳14的内侧，磁芯 12形状为空心圆柱形，固定于发射天线阵7的基座上，电磁接收系统4的线圈 螺旋绕于磁芯12上，线圈可采用镀银铜管构成。电机9的前端通过紧固螺栓 13与减速器10同轴相连，电机9的后端通过紧固螺栓13固定于静止侧外壳 15，整流模块5和电机驱动器8分别固定于静止侧外壳15的上端和下端。静 止侧外壳15通过底端轴承17和顶端轴承16支撑在旋转侧外壳14内部。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。