一种无人机无线充电磁耦合装置

1.本发明涉及无线充电技术领域，尤其是一种无人机无线充电磁耦合装置。


背景技术：

2.近年来，无人机被广泛用于边防检查、电力巡检、森林防火、以及军事侦察等领域。但是受电池功率密度的限制，如果要提高电池的续航能力，必定需要更大体积和重量的电池，这对无人机来说是十分不友好的。为了提高无人机的工作范围和续航时间，采用无线充电技术来实现无人机的高灵活充电是目前的研究热点之一。
3.目前，无线充电技术主要分为磁场耦合式、电场耦合式、微波式与激光式等。其中，微波式与激光式多应用于远场，并不适用于无人机无线充电；电场耦合式无线充电方式，由于其耦合程度不高，效率也处于较低水平，目前应用也比较小众；而磁场耦合式无线充电技术作为比较常见的无线充电方式，得到了广泛的研究。但是由于无人机的结构比较特殊，且其会携带具有特定功能的设备，所以在设计磁耦合式无线充电系统时，需要考虑接收装置与无人机特殊结构的适应性，同时应尽量避免耦合机构产生的磁场对无人机的电磁干扰，还要增强耦合机构的耦合系数，提高无线充电的效率。
4.目前应用于单无人机的无线充电磁耦合机构，最广泛的是采用全方向平行式耦合机构，其接收线圈或是安装在两起落架底部，或是安装在防撞架上，或是安装在无人机腹部等等，尽管具有结构简单、全方向能量传输的优点，但是还存在易出现大量漏磁干扰无人机、接收机构绕线面积大、重量大、耦合能力弱以及明显增加无人机空气阻力等必然存在的问题。为了提高无人机无线充电的耦合效率，降低漏磁干扰，出现了低漏磁型磁耦合机构及辅助对准装置，主要包括：在无人机起落架底端放置小型圆盘接收线圈的方案，该方案磁通利用率高、工作效率高，但耦合面小和线圈线径受限；又有垂直螺线管式耦合机构，该耦合机构保证了极低的漏磁和强耦合能力，但对降落位置精度要求高，且需改造起落架；还有一种正交耦合方案，具有对无人机结构适应性强、易安装、重量轻，且低电磁干扰的特点，但是耦合能力相对不高，且对降落方向和位置要求极高。这些结构应用于多无人机无线充电系统中无疑会增加系统的复杂程度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够降低电磁干扰，增强磁耦合机构的耦合系数，提高无线充电效率的无人机无线充电磁耦合装置。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种无人机无线充电磁耦合装置，包括固定在充电站上的发射单元和安装在无人机上的接收单元，所述发射单元包括第一磁芯和第二磁芯，二者的形状和结构相同且均呈l形，第一磁芯的短边上缠绕第一发射线圈，第二磁芯的短边上缠绕第二发射线圈，第一磁芯、第一发射线圈所在的平面与第二磁芯、第二发射线圈所在的平面垂直，第一发射线圈与第二发射线圈串联；所述接收单元包括空心接收线圈，所述空心接收线圈安装在无人机起落架上。
7.所述第一磁芯和第二磁芯采用软铁氧体构成。
8.所述第一发射线圈是由径向内侧向径向外侧延伸的多圈螺旋结构，所述第二发射线圈是由径向外侧向径向内侧收敛的多圈螺旋结构，第一发射线圈和第二发射线圈为单层或多层。
9.所述发射单元的个数为多个，多个发射单元呈一字紧密排列，构成供电平台。
10.直流电源经过高频的逆变电路将直流电逆变成可控的正负半周期对称的矩形波，经过补偿电路将电能传递给第一发射线圈和第二发射线圈，通过耦合关系将能量传递给空心接收线圈，然后补偿电路补偿空心接收线圈无功功率后输入整流电路，经过电池管理电路给电池充电。
11.当所述发射线圈与空心接收线圈对齐时，空心接收线圈宽度为l在发射线圈宽度m内，空心接收线圈侧补偿网络的输出电压为：
[0012][0013]
其中，lf是lcc-s补偿电路的电感值，m
ps
是发射线圈与空心接收线圈的互感值，u
in1
是发射线圈侧补偿网络的输入电压。
[0014]
当空心接收线圈处在两个发射单元的交界时，空心接收线圈宽度为l，其中l有l1的宽度在一个发射单元内，有l2的宽度在另外一个发射单元内，l1+l2＝l，输出电压为：
[0015][0016]
其中，m
ps1
是第一个发射单元的发射线圈与空心接收线圈的互感值，m
ps2
是第二个发射单元的发射线圈与空心接收线圈的互感值，u
in1
是发射线圈侧补偿网络的输入电压。
[0017]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明可以聚敛发射单元产生的耦合磁场，达到低漏磁与高耦合系数的目的，从而实现无人机的高效无线充电；第二，本发明的多无人机无线充电系统以无人机无线充电磁耦合机构为基础，构建供电平台，通过位置检测、辅助装置、负载识别、功率控制及负载匹配等技术手段，实现多无人机的无线充电，同时可以避免受到无人机功率等级与尺寸的限制。
附图说明
[0018]
图1是本发明中一个发射单元的结构示意图；
[0019]
图2是本发明中一个空心接收线圈和无人机起落架的结构示意图；
[0020]
图3是图1的磁力线分布情况及接收线圈的位置示意图；
[0021]
图4是无人机处于充电时的示意图；
[0022]
图5是本发明的一个发射单元与一个接收单元的电路原理示意图；
[0023]
图6是本发明中多个发射单元构成的供电平台示意图；
[0024]
图7是本发明中多个空心接收线圈处于供电平台的示意图；
[0025]
图8是本发明中空心接收线圈处在同一发射单元的示意图；
[0026]
图9是本发明中空心接收线圈处在两个发射单元交界时的示意图；
[0027]
图10是本发明中供电平台的电路原理示意图。
具体实施方式
[0028]
如图1、2所示，一种无人机无线充电磁耦合装置，包括固定在充电站上的发射单元和安装在无人机上的接收单元，所述发射单元包括第一磁芯1和第二磁芯2，二者的形状和结构相同且均呈l形，第一磁芯1的短边上缠绕第一发射线圈3，第二磁芯2的短边上缠绕第二发射线圈4，第一磁芯1、第一发射线圈3所在的平面与第二磁芯2、第二发射线圈4所在的平面垂直，第一发射线圈3与第二发射线圈4串联，通入电流后产生相差90
°
的双极性发射磁场，如图3所示；所述接收单元包括空心接收线圈5，所述空心接收线圈5安装在无人机起落架6上。
[0029]
所述第一磁芯1和第二磁芯2采用软铁氧体构成。所述第一发射线圈3是由径向内侧向径向外侧延伸的多圈螺旋结构，所述第二发射线圈4是由径向外侧向径向内侧收敛的多圈螺旋结构，第一发射线圈3和第二发射线圈4为单层或多层。所述发射线圈产生的磁力线经由第一磁芯1和第二磁芯2构成回路，其漏磁较小。
[0030]
将所述空心接收线圈5置于所述发射单元产生的双极性发射磁场中，实现能量收集，如图4所示。由于发射磁场具有聚敛磁场的效果，从而磁通更容易通过空心接收线圈截面，达到低漏磁和高耦合的效果。
[0031]
一个发射单元与一个接收单元的无线供电系统电路原理如图5所示，直流电源经过高频逆变电路将直流电逆变成可控的正负半周期对称的矩形波，经过补偿电路将电能传递给第一发射线圈3和第二发射线圈4，通过耦合关系将能量传递给空心接收线圈5，然后补偿电路补偿空心接收线圈5无功功率后输入整流电路，经过电池管理电路给电池充电。所述发射单元的个数为多个，多个发射单元呈一字紧密排列，构成供电平台8，如图6所示。
[0032]
如图6所示。多无人机无线充电系统的供电平台8与多个空心接收线圈5的位置关系，如图7所示；多无人机无线充电系统的电路原理，参照图10。每个发射单元均对应有独立的逆变电路和补偿电路，其原理同图5；每个无人机上对应有空心接收线圈5、整流电路、电池管理电路以及电池，当空心接收线圈5置于发射平台时相应的一个或几个发射单元开启工作，对无人机电池进行无线充电。
[0033]
当无人机降落到充电平台后通过简单的辅助装置，将无人机推至供电平台8的磁路内，供电平台8的供电单元通过识别负载是否存在，从而开启所涉及的发射单元产生发射磁场。
[0034]
为了保证励磁电流恒定，且不受耦合系数和负载变化的影响，原边采用lcc补偿结构；为了不给无人机增加额外较大的体积和重量，副边采用结构简单的s补偿结构；另外，采用电压型逆变结构，lcc-s具有恒压输出特性，输出电压不受负载变化的影响，通过简单控制便可给无人机电池充电。
[0035]
如图8所示，当所述发射线圈与空心接收线圈5对齐时，空心接收线圈5宽度为l在发射线圈宽度m内，空心接收线圈5侧补偿网络的输出电压为：
[0036][0037]
其中，lf是lcc-s补偿电路的电感值，m
ps
是发射线圈与空心接收线圈5的互感值，u
in1
是发射线圈侧补偿网络的输入电压。
[0038]
如图9所示，当空心接收线圈5处在两个发射单元的交界时，空心接收线圈5宽度为
l，其中l有l1的宽度在一个发射单元内，有l2的宽度在另外一个发射单元内，l1+l2＝l，输出电压为：
[0039][0040]
其中，m
ps1
是第一个发射单元的发射线圈与空心接收线圈5的互感值，m
ps2
是第二个发射单元的发射线圈与空心接收线圈5的互感值，u
in1
是发射线圈侧补偿网络的输入电压。
[0041]
综上所述，本发明可以聚敛发射单元产生的耦合磁场，达到低漏磁与高耦合系数的目的，从而实现无人机的高效无线充电；本发明的多无人机无线充电系统以无人机无线充电磁耦合机构为基础，构建供电平台8，通过位置检测、辅助装置、负载识别、功率控制及负载匹配等技术手段，实现多无人机的无线充电，同时可以避免受到无人机功率等级与尺寸的限制。