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航天器多通道近场无线能量传输系统设计

刘治钢 朱立颖 张晓峰 杨世春 刘卿君

刘治钢, 朱立颖, 张晓峰, 等 . 航天器多通道近场无线能量传输系统设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(1): 51-59. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174
引用本文: 刘治钢, 朱立颖, 张晓峰, 等 . 航天器多通道近场无线能量传输系统设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(1): 51-59. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174
LIU Zhigang, ZHU Liying, ZHANG Xiaofeng, et al. Design of spacecraft multi-channel near-field wireless energy transfer system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(1): 51-59. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174(in Chinese)
Citation: LIU Zhigang, ZHU Liying, ZHANG Xiaofeng, et al. Design of spacecraft multi-channel near-field wireless energy transfer system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(1): 51-59. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174(in Chinese)

航天器多通道近场无线能量传输系统设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174
详细信息
    作者简介:

    刘治钢  男, 博士, 高级工程师。主要研究方向:航天器电源技术

    朱立颖  女, 博士, 高级工程师。主要研究方向:航天器电源技术

    通讯作者:

    朱立颖, E-mail:350909269@qq.com

  • 中图分类号: V19;TM46

Design of spacecraft multi-channel near-field wireless energy transfer system

More Information
  • 摘要:

    针对航天领域空间交会对接、航天器配电、在轨服务与维护等领域对无缆化的需求,提出了多通道近场无线能量传输系统,建立了多通道磁耦合近场无线能量传输系统数学模型,分析了影响系统传输效率的重要参数,并对关键参数对系统效率的影响进行了仿真分析。通过线圈高效耦合设计,实现了多通道近场无线能量传输系统的效率最优。所提系统解决了能量的无线传输,并实现多负载接收的问题。通过一台1 000 W多通道近场无线能量传输样机进行了实验研究,结果表明,所提多通道近场无线能量传输装置具有传输效率高的特点,解决了航天器无线能量传输的多负载问题。

     

  • 图 1  多通道近场无线能量传输系统

    Figure 1.  Multi-channel near-field wireless energy transfer system

    图 2  多通道近场无线能量传输系统等效电路模型

    Figure 2.  Multi-channel near-field wireless energy transfer system equivalent circuit model

    图 3  多通道近场无线能量传输系统的MATLAB电路仿真模型

    Figure 3.  MATLAB circuit simulation model of multi-channel near-field wireless energy transfer system

    图 4  副边电压曲线

    Figure 4.  Secondary voltage curve

    图 5  副边电流曲线

    Figure 5.  Secondary current curve

    图 6  传输效率曲线

    Figure 6.  Transmission efficiency curve

    图 7  多通道近场无线能量传输系统磁场仿真模型

    Figure 7.  Magnetic field simulation model of multi-channel near-field wireless energy transfer system

    图 8  线圈磁通密度主视图

    Figure 8.  Coil flux density main view

    图 9  线圈磁通密度俯视图

    Figure 9.  Coil flux density top view

    图 10  多通道近场无线能量传输系统实物图

    Figure 10.  Photo of multi-channel near-field wireless energy transfer system

    图 11  圆盘形线圈示意图

    Figure 11.  Schematic diagram of a disc coil

    图 12  长方形跑道形线圈

    Figure 12.  Rectangle-racetrack coil

    图 13  非同轴线圈模型

    Figure 13.  Non-coaxial coil model

    图 14  实际绕制的原副边线圈实物图

    Figure 14.  Actually wound original secondary coil photo

    图 15  输入端电压电流波形

    Figure 15.  Waveforms of input voltage and current

    图 16  输出端电压电流波形

    Figure 16.  Waveforms of output voltage and current

    图 17  单线圈位置变化传输效率

    Figure 17.  Single coil position change transmission efficiency

    图 18  单线圈空间变化传输效率

    Figure 18.  Transmission efficiency when single coil space change

    图 19  双线圈负载变化传输效率

    Figure 19.  Transmission efficiency of double coil when load change

    表  1  系统参数

    Table  1.   System parameters

    参数 数值
    工作频率/kHz 50
    初级线圈1输入电压/V 100±10
    初级线圈1输入电流/A 0~10
    次级线圈2输出功率/W 50~300
    次级线圈2输出电压/V 28±1
    次级线圈3输出功率/W 300~500
    次级线圈3输出电压/V 42±1
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    表  2  线圈尺寸参数

    Table  2.   Coil size parameters

    参数 线圈1 线圈2 线圈3
    外径D0/mm 238 238 238
    内径D1/mm 167.4 105 105
    线圈层数c 2 2 2
    线径d/mm 3.5 3.5 3.5
    单层线圈匝数N 8 15 15
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    表  3  线圈距离参数

    Table  3.   Coil distance parameters

    相对的线圈 横向距离t/mm 径向距离h/mm
    1和2 119 100
    1和3 119 100
    2和3 238 0
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    表  4  单线圈水平移动实验结果

    Table  4.   Single coil horizontal movement experimental results

    原边 横向位置 副边1 传输效率/% 加入DC-DC变换器后的传输效率/%
    电压/V 电流/A 电压/V 电流/A
    100 7.87 0 77.80 7.57 74.83 70.34
    100 10.17 1/4 90.50 8.63 75.96 71.40
    100 10.50 3/8 91.93 8.77 76.76 72.15
    100 9.43 1/2 87.13 8.43 77.90 73.22
    100 9.37 5/8 86.17 8.23 75.74 71.20
    100 8.20 3/4 80.07 7.73 75.51 70.98
    100 7.47 0 76.93 7.30 75.22 70.70
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    表  5  单线圈轴向移动实验结果1

    Table  5.   Single coil axial movement experimental results 1

    原边 横向距离/cm 副边1 传输效率/% 加入DC-DC变换器后的传输效率/%
    电压/V 电流/A 电压/V 电流/A
    100 8.03 5 84.03 8.03 84.03 78.99
    100 7.83 10 77.50 7.40 73.21 68.82
    100 4.27 15 48.70 4.60 52.50 49.35
    100 3.47 20 30.07 2.80 24.28 22.83
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    表  6  单线圈轴向移动实验结果2

    Table  6.   Single coil axial movement experimental results 2

    原边 横向距离/cm 副边1 传输效率/% 加入DC-DC变换器后的传输效率/%
    电压/V 电流/A 电压/V 电流/A
    100 7.13 5 80.10 7.57 84.97 79.87
    100 8.73 10 84.33 7.93 76.61 72.01
    100 5.03 15 56.27 5.27 58.88 55.35
    100 3.03 20 35.17 3.23 37.49 35.24
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    表  7  单线圈轴向移动实验结果3

    Table  7.   Single coil axial movement experimental results 3

    原边 横向距离/cm 副边1 传输效率/% 加入DC-DC变换器后的传输效率/%
    电压/V 电流/A 电压/V 电流/A
    100 7.73 5 82.27 7.77 82.62 77.66
    100 8.97 10 85.37 8.03 76.48 71.89
    100 5.47 15 59.47 5.53 60.19 56.58
    100 3.27 20 37.53 3.43 39.45 37.08
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    表  8  双线圈轴向移动实验结果

    Table  8.   Double coils' axial movement experimental results

    原边 副边1 副边2 传输效率/% 加入DC-DC变换器后的传输效率/%
    电压/V 电流/A 横向距离/cm 电压/V 电流/A 横向距离/cm 电压/V 电流/A
    100 5.40 5 46.37 4.33 5 51.97 4.87 84.04 79.00
    100 7.53 5 70.67 6.83 10 39.47 3.67 83.34 78.34
    100 7.80 5 78.67 7.63 15 24.43 2.17 83.75 78.73
    100 7.80 5 81.33 7.83 20 14.30 1.20 83.84 78.81
    100 9.90 10 65.33 6.27 10 61.53 5.70 76.80 72.19
    100 8.33 10 70.67 6.77 15 38.30 3.47 73.39 68.99
    100 7.37 10 70.33 6.73 20 23.37 2.03 70.66 66.42
    100 6.20 15 47.40 4.53 15 42.97 3.90 61.66 57.96
    100 4.97 15 47.83 4.57 20 25.73 2.27 55.73 52.39
    100 3.83 20 30.93 2.90 20 28.50 2.57 42.54 39.99
    注:副边线圈加入DC-DC变换器调节电压后, 使接收端电压分别为:(28±1) V和(42±1) V。
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    表  9  双线圈负载变化实验结果

    Table  9.   Double coils' load change experimental results

    原边 副边1 副边2 传输效率/% 加入DC-DC变换器后的传输效率/%
    电压/V 电流/A 电压/V 电流/A 电阻/Ω 电压/V 电流/A 电阻/Ω
    100 9.10 49.20 9.37 5 52.70 4.90 10 79.02 74.28
    100 9.90 65.33 6.27 10 61.53 5.70 10 76.80 72.19
    100 10.10 71.00 4.50 15 70.97 6.73 10 78.94 74.20
    100 10.73 75.40 4.17 20 74.53 7.03 10 78.11 73.42
    100 9.83 76.33 3.13 25 75.60 6.90 10 77.37 72.73
    100 9.73 77.67 2.47 30 76.67 7.37 10 77.71 73.05
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-22
  • 录用日期:  2019-07-05
  • 刊出日期:  2020-01-20

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