一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构

1.本发明属于无线充电领域，特别是涉及一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构。


背景技术：

2.无人机无线充电的接收端结构常安装于机腹位置或机架横轴的位置。机腹位置安装存在传输距离远、效率低，且机载端线圈较重、影响飞行的问题；机架横轴安装则需要精确对准，没有旋转偏移的容错特性。目前携带观测设备旋翼的无人机对于自主对位的位置精度较高，而对于旋转对准的精度较低，因此无人机自主无线充电系统需要优先解决磁耦合结构旋转不对准的问题。
3.以加入电流激励的单匝线圈为例，如图2所示，其产生的是圆周型磁力线，目前的无人机无线充电系统为了便于安装和不影响飞行，常采用平面接收线圈安装于机腹的设计，即利用其磁力线的垂直分量，由于线圈间间隔较远，耦合较弱，导致功率密度低。而将平面接收线圈置于脚架，也受限于线圈尺寸无法传输足够的能量。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，它包括接收线圈和发射线圈，所述接收线圈以螺线管形式缠绕在机架横轴上，所述接收线圈数量为多个，每个机架横轴上均缠绕有若干个接收线圈，同一机架横轴两侧的接收线圈串联相反，异轴同侧的接收线圈串联方向相同，所述发射线圈为圆形结构，所述接收线圈设置在发射线圈上方，接收线圈与发射线圈耦合。
6.更进一步的，所述接收线圈与机架横轴之间以软磁材料贴附。
7.更进一步的，所述软磁材料为铁基纳米晶带材。
8.更进一步的，所述软磁材料的长度与接收线圈长度的比例范围为1～1.2。
9.更进一步的，所述接收线圈的数量为4个，每个机架横轴两侧各缠绕一个接收线圈，分别为第一接收线圈、第二接收线圈、第三接收线圈和第四接收线圈，所述第一接收线圈和第二接收线圈反向串联，所述第三接收线圈和第四接收线圈反向串联，所述第一接收线圈和第三接收线圈同向串联，所述第二接收线圈和第四接收线圈同向串联。
10.更进一步的，所述接收线圈的数量为8个或12个。
11.更进一步的，所述发射线圈与电源相连，所述电源为高频逆变电源，工作频率为20khz～200khz，多个接收线圈均通过整流滤波电路与无人机电池相连。
12.更进一步的，所述发射线圈与电源之间设置有第一补偿电容，所述多个接收线圈与整流滤波电路之间设置有第二补偿电容。
13.更进一步的，所述接收线圈和发射线圈均由利兹线绕制形成，工作频率为20khz～
100khz选用单股线径0.1mm的利兹线，工作频率为100khz～200khz选用单股线径0.05mm的利兹线，利兹线股数为50～400股，载流密度不超过4a/mm2。
14.更进一步的，所述发射线圈采用多线圈正向串联形式，串联线圈的个数为2个、3个或4个，每个串联线圈的匝数为1～5匝。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了无人机自主无线充电传输效率低，位置精度要求较高的问题。本技术提出一种可以实现在360度旋转不对准和位置不对准的情况下，稳定为无人机进行无线充电的共形化磁耦合机构。本发明利用励磁线圈产生的横向磁场，使用圆形发射线圈获得强度较均匀的近场横向磁场，串联后的螺线管接收线圈上的感应电压会相叠加。由于发射线圈采用圆形形式，具有天然的旋转对称性，因此可以解决无人机停靠充电时的旋转不对准问题。同时，均匀横向磁场区域存在于圆形发射线圈导线的上方，与之配合的机载端螺线管接收线圈位置应在停靠时对应发射线圈导线的上方，随着发射线圈导线覆盖范围的扩大。
附图说明
16.图1为本发明所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构整体结构示意图；
17.图2为本发明所述的加入电流激励的单匝线圈；
18.图3为本发明所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构线圈结构示意图；
19.图4为本发明所述的无线充电电气拓扑图；
20.图5为本发明所述的具体实施方式尺寸图；
21.图6为本发明所述的互感随偏移量变化图。
22.1-机架横轴，2-第一接收线圈，3-第二接收线圈，4-第三接收线圈，5-第四接收线圈，6-软磁材料，7-发射线圈，8-电源，9-整流滤波电路，10-无人机电池，11-第一补偿电容，12-第二补偿电容。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
24.参见图1-6说明本实施方式，一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，它包括接收线圈和发射线圈7，接收线圈以螺线管形式缠绕在旋翼无人机的机架横轴1上，接收线圈数量为多个，每个机架横轴1上均缠绕有若干个接收线圈，同一机架横轴1两侧的接收线圈串联相反，异轴同侧的接收线圈串联方向相同，如此在串联的螺线管上的感应电压会相叠加。发射线圈7为圆形结构，接收线圈设置在发射线圈7上方，接收线圈与发射线圈7耦合，与之配合的机载端螺线管接收线圈位置应在停靠时对应发射线圈导线的上方，随着发射线圈导线覆盖范围的扩大。
25.接收线圈与机架横轴1之间以软磁材料6贴附，以增强耦合，软磁材料6为铁基纳米晶带材，也可以是其他柔性磁性材料，软磁材料6的长度与接收线圈长度的比例范围为1～1.2。
26.如图3所示，接收线圈的数量为4个，每个机架横轴1两侧各缠绕一个接收线圈，分别为第一接收线圈2、第二接收线圈3、第三接收线圈4和第四接收线圈5，第一接收线圈2和第二接收线圈3反向串联，第三接收线圈4和第四接收线圈5反向串联，第一接收线圈2和第三接收线圈4同向串联，第二接收线圈3和第四接收线圈5同向串联，串联后四个螺线管上的感应电压会相叠加。四个接收端螺线管对称放置的目的是保持无人机飞行时的平衡性，实际螺线管接收线圈的数量也可以是8个或12个，按需排布。
27.如图4所示，发射线圈7与电源8相连，电源8为高频逆变电源，工作频率为20khz～200khz，更高的频率可以得到更强的传输能力，多个接收线圈均通过整流滤波电路9与无人机电池10相连。发射线圈7与电源8之间设置有第一补偿电容11，多个接收线圈与整流滤波电路9之间设置有第二补偿电容12。
28.接收线圈和发射线圈7均由利兹线绕制形成，工作频率为20khz～100khz选用单股线径0.1mm的利兹线，工作频率为100khz～200khz选用单股线径0.05mm的利兹线，利兹线股数为50～400股，随所需传输功率增加而加额，载流密度不超过4a/mm2。
29.发射线圈7采用多线圈正向串联形式，串联线圈的个数为2个、3个或4个，每个串联线圈的匝数为1～5匝。
30.本实施例以磁耦合结构的发射端为三个圆形串联发射线圈为例，如图5所示，三个圆形串联发射线圈半径尺寸与匝数分别为200mm/5匝、150mm/3匝和120mm/3匝。每个接收线圈的螺线管外径为20mm，长度60mm，软磁材料6厚度为0.5mm、长度为60mm，绕制在直径为15mm的机架横轴1上。机架横轴1间距为200mm，同一机架横轴1上的两个螺线管接收线圈间距为80mm。螺线管接收线圈下端与发射线圈7上表面距离为4mm。所有绕制线圈的利兹线规格为0.1*200股利兹线，包装外径为2mm。
31.产生的效果为：在85khz电流频率下，在水平偏移
±
20mm，角度偏移为任意值时，磁耦合结构的x方向偏移互感变化小于3.5％，其在负载不变、不增加额外控制的情况下传输功率为270w～282w。y方向偏移互感变化小于7.5％。磁耦合结构的互感随无人机沿x方向、y方向和xy轴夹角45
°
方向的变化如图6所示。
32.以上对本发明所提供的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：它包括接收线圈和发射线圈(7)，所述接收线圈以螺线管形式缠绕在机架横轴(1)上，所述接收线圈数量为多个，每个机架横轴(1)上均缠绕有若干个接收线圈，同一机架横轴(1)两侧的接收线圈串联相反，异轴同侧的接收线圈串联方向相同，所述发射线圈(7)为圆形结构，所述接收线圈设置在发射线圈(7)上方，接收线圈与发射线圈(7)耦合。2.根据权利要求1所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述接收线圈与机架横轴(1)之间以软磁材料(6)贴附。3.根据权利要求2所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述软磁材料(6)为铁基纳米晶带材。4.根据权利要求2所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述软磁材料(6)的长度与接收线圈长度的比例范围为1～1.2。5.根据权利要求1所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述接收线圈的数量为4个，每个机架横轴(1)两侧各缠绕一个接收线圈，分别为第一接收线圈(2)、第二接收线圈(3)、第三接收线圈(4)和第四接收线圈(5)，所述第一接收线圈(2)和第二接收线圈(3)反向串联，所述第三接收线圈(4)和第四接收线圈(5)反向串联，所述第一接收线圈(2)和第三接收线圈(4)同向串联，所述第二接收线圈(3)和第四接收线圈(5)同向串联。6.根据权利要求1所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述接收线圈的数量为8个或12个。7.根据权利要求1所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述发射线圈(7)与电源(8)相连，所述电源(8)为高频逆变电源，工作频率为20khz～200khz，多个接收线圈均通过整流滤波电路(9)与无人机电池(10)相连。8.根据权利要求7所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述发射线圈(7)与电源(8)之间设置有第一补偿电容(11)，所述多个接收线圈与整流滤波电路(9)之间设置有第二补偿电容(12)。9.根据权利要求7所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述接收线圈和发射线圈(7)均由利兹线绕制形成，工作频率为20khz～100khz选用单股线径0.1mm的利兹线，工作频率为100khz～200khz选用单股线径0.05mm的利兹线，利兹线股数为50～400股，载流密度不超过4a/mm2。10.根据权利要求1所述的一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，其特征在于：所述发射线圈(7)采用多线圈正向串联形式，串联线圈的个数为2个、3个或4个，每个串联线圈的匝数为1～5匝。

技术总结
本发明提出了一种抗偏移共形化无人机无线充电磁耦合结构，属于无线充电领域。解决了无人机自主无线充电传输效率低，位置精度要求较高的问题。它包括接收线圈和发射线圈，所述接收线圈以螺线管形式缠绕在机架横轴上，所述接收线圈数量为多个，每个机架横轴上均缠绕有若干个接收线圈，同一机架横轴两侧的接收线圈串联相反，异轴同侧的接收线圈串联方向相同，所述发射线圈为圆形结构，所述接收线圈设置在发射线圈上方，接收线圈与发射线圈耦合。它主要用于无人机无线充电。要用于无人机无线充电。要用于无人机无线充电。


技术研发人员：宋凯 别致 张剑韬 逯仁贵 朱春波
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8