[发明专利]基于电磁耦合无线能量传输的空间大功率导电旋转关节

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。