CN110729820A - 无人机及其机携无线接收单元、为其无线充电的抗偏移耦合线圈 - Google Patents

无人机及其机携无线接收单元、为其无线充电的抗偏移耦合线圈 Download PDF

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Abstract

一种无人机及其机携无线接收单元、为其无线充电的抗偏移耦合线圈，所述无人机机携无线接收单元，用于与安装在无线充电平台单元的发射线圈通过共振磁耦合传输电能。所述无人机机携无线接收单元包括主接收线圈（21）、与主接收线圈串联的两个副接收线圈（22、23）；主接收线圈为平面圆形螺旋线圈结构，两个副接收线圈为长条形结构。本发明用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，包括无人机机携无线接收单元和安装在无人机无线充电平台单元的发射线圈（12）和调压变频模块。本发明一种无人机，包括无人机本体及无人机机携无线接收单元。本发明可保证无人机着陆在充电平台上的任意位置时都有磁场耦合，实现无人机无障碍稳定充电。

Description

无人机及其机携无线接收单元、为其无线充电的抗偏移耦合 线圈
技术领域
本发明涉及一种无人机及其机携无线接收单元、为其无线充电的抗偏移耦合线圈，属无人机技术领域。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，以下简称WPT)这一概念最开始是由19世纪科学家尼古拉·特斯拉提出的。近年来，当麻省理工学院(MIT)Marin Soljacic研究团队利用这一技术隔空点亮了距离两米处的60瓦灯泡之后，其再度成为学术界的研究热点。
无线充电系统的工作原理是：高频交流电源产生的高频交流电通入发射线圈，在其周围的空间内产生交变的高频磁场；当高频磁场通过接收线圈时，根据电磁感应定律，接收线圈中形成将高频感应电流，之后经过整流、滤波等环节，负载便可获得稳定的电能。
在无线充电系统中，能量的发射与接收装置间并不存在物理上的连接，这就摆脱了输电线路的束缚，实现了电能的自由传输。而且由于磁场的分布范围较为广阔，在理论上，邻近空间内携带无线接收装置的物体均可进行充电。
正是由于磁场的这种分布特点，当发射与接收装置不能完全对准时，部分磁场将无法有效地耦合利用。随着偏移量的增大，耦合到的有效磁场将越来越少，传输效率随之下降，无法满足负载相应的需求，即系统无法在偏移量较大时仍保持稳定工作。
发明内容
本发明的目的是，为了提升无人机无线充电系统的稳定性和抗偏移性，提出一种无人机、无人机机携无线接收单元、用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈。
本发明实现的技术方案如下，
第一个方面，本发明提供了一种无人机机携无线接收单元，所述无人机机携无线接收单元用于与安装在无线充电平台单元的发射线圈通过共振磁耦合传输电能。所述无人机机携无线接收单元包括主接收线圈、与主接收线圈串联的两个副接收线圈；所述主接收线圈为平面圆形螺旋线圈结构，所述两个副接收线圈为长条形结构；两个副接收线圈分别安装在主接收线圈两侧旁。
所述主接收线圈的两端分别连接两个副接收线圈的一端，两个副接收线圈的另一端连接整流稳压模块的输入端；整流稳压模块的输出端连接蓄电池。
两个副接收线圈为一体化封装结构设计，与无人机脚架结构结合在一起。
所述主接收线圈和两个副接收线圈设置在无人机底部脚架之间中心的同一平面上。
所述主接收线圈平面与无人机的中轴线垂直，主接收线圈的中心位于无人机的中轴线上。
第二个方面，本发明提供了一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，所述耦合线圈包括如上所述的无人机机携无线接收单元和安装在无人机无线充电平台单元的发射线圈和调压变频模块；
所述发射线圈连接所述调压变频模块的输出端，所述调压变频模块的输入端连接工频电源；
所述发射线圈为方形平面结构线圈；发射线圈底部平面设有铁氧体磁芯，用于产生单极分布的磁通。
所述发射线圈的线圈匝间距为一倍线径。
所述发射线圈的线圈采用利兹线制作。
所述发射线圈中心为空心结构。
第三个方面，本发明提供了一种无人机，包括无人机本体、以及所述的一种无人机机携无线接收单元，所述无人机机携无线接收单元安装在无人机底部脚架之间的水平平面上。
所述无线充电平台单元的发射线圈将高频振荡磁场中的能量发射出去；无人机机携无线接收单元的主接收线圈和两个副接收线圈接收发射线圈所发出的能量，通过整流稳压模块，向蓄电池充电。
本发明的工作原理如下，无线充电平台单元通过调压变频模块向发射线圈提供高频磁场能量，发射线圈将高频振荡磁场中的能量发射出去，当无人机飞入无人机无线充电平台单元上空一定高度时，安装在无人机脚架上的所述无人机机携无线接收单元的主接收线圈和两个副接收线圈接收发射线圈所发出的能量，通过整流稳压模块，向蓄电池充电。由于发射线圈中心采用空心结构，使磁场分布趋于均匀，降低了对无人机的要求；由于发射线圈底部设置了磁芯结构，增加了发射线圈对接收线圈的耦合系数；而主接收线圈采用了平面螺旋线圈结构为能量接收线圈，也增加了接收线圈对发射线圈的耦合系数；通过对无人机机携无线接收单元线圈和发射线圈的设计，大大提高了无人机无线充电系统的稳定性和抗偏移性。
本发明的有益效果是，本发明对无人机无线充电的抗偏移耦合线圈的设计，提升了无人机无线充电系统的稳定性和抗偏移性，可以使位于无线充电平台表面的待充电无人机的充电效率不因为降落位置的不同而发生急剧改变，保证了无人机着陆在充电平台上的任意位置时都有较强的磁场耦合，实现无障碍充电。
附图说明
图1为本发明用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈的整体功能示意图；
图2为本发明用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈的整体结构示意图；
图3为本发明实施例发射线圈结构设计流程图；
图4为本发明实施例的发射线圈磁场分布仿真分析图；
图5为本发明实施例的发射线圈分布式磁芯结构图；
图6为本发明实施例的接收线圈结构设计流程图；
图7为本发明实施例的接收线圈不同偏移下的耦合系数，
图7(1)为主接收线圈21不同偏移下的耦合系数，
图7(2)为副接收线圈22不同偏移下的耦合系数，
图7(3)为副接收线圈23不同偏移下的耦合系数；
图8为本发明实施例无人机机携接收线圈支架结构示意图。
其中：1为无人机充电平台单元；2为无人机机携无线接收单元；11为调压变频模块； 12为发射线圈；21为无人机机携主接收线圈、22为副接收线圈；23为副接收线圈；24为整流调压模块。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如附图所示。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，包括无人机无线充电平台单元1和无人机机携无线接收单元2。
无人机无线充电平台单元1包括调压变频模块11和发射线圈12。
无人机机携无线接收单元2包括串联的主接收线圈21，两个副接收线圈22、23和整流稳压模块24。
无人机无线充电平台单元1与所述无人机机携无线接收单元2之间通过共振磁耦合传输电能，所述调压变频模块11与发射线圈12连接，三个接收线圈21、22、23之间通过串联连接，然后再与整流稳压模块24连接。
本实施例中无人机机携主接收线圈21，采用平面圆形线圈作为能量接收线圈；主接收线圈21和两个长条形副接收线圈22、23，安装在无人机底部脚架中心。如图2所示，本实施例中采用圆形线圈结构的主接收线圈，保证无人机降落机头角度的偏差不会影响无线充电效果；在不同偏移情况下耦合系数峰值集中在无线充电平台的中心，且能够达到最大耦合系数。
本实施例中发射线圈12的结构设计如图3所示。
本实施例中，为了降低对无人机降落精度的要求，发射线圈12采用大面积的方形结构线圈增大磁场辐射面积，线圈中心采用空心结构减少磁场过分集中，使磁场分布趋于均匀；为了增加发射线圈12与主接收线圈21、副接收线圈22、23的耦合系数，在发射线圈12底部布置磁芯，以减少漏磁，使磁通单极分布；为了降低发射线圈的趋肤效应，发射线圈的匝间距采用一倍线径并采用利兹线绕制。
本实施例的发射线圈磁场分布仿真分析图如图4所示。
本实施例中发射线圈12的线圈底部增加铁氧体磁芯，使磁通单极分布，增加与接收线圈的耦合系数。本实施例的发射线圈分布式磁芯结构如图5所示。
本实施例中发射线圈12，线圈匝间距采用一倍线径，并采用利兹线制作线圈，降低发射线圈趋肤效应，提高品质因数。
本实施例的无人机无线充电平台单元1以及发射线圈12，为无人机提供降落平台的同时，可靠提供大范围的磁场进行无线充电，充电平台发射线圈12结构参数设计如下：线圈外边长 500mm；线圈内边长400mm；线圈线径2.5mm；线圈匝数10匝；线圈匝间距2.5mm；底部磁屏蔽铁氧体边长600mm，厚度4mm；磁屏蔽与线圈气隙6.5mm；线圈自感170uH；线圈内阻0.1135Ω。
本实施例无人机机携主接收线圈21和两个副接收线圈22、23的结构设计如图6所示。为了增加与发射线圈12的耦合系数，主接收线圈21采用平面螺旋线圈作为能量接收线圈；为了保证无人机降落机头角度的偏差不会影响无线充电效果，在无人机脚架中心安装圆形主接收线圈；为了提高无人机接收功率，加快充电速度，在无人机脚架两侧各安装一个长条形副接收线圈。
图7为本发明实施例的接收线圈在不同偏移下的耦合系数；其中，图7(1)为主接收线圈21在不同偏移下的耦合系数；图7(2)为副接收线圈22在不同偏移下的耦合系数；图7(3)为副接收线圈23在不同偏移下的耦合系数。
如图8所示无人机机携接收线圈支架结构示意图。两个副接收线圈22、23采用一体化设计，在无人机脚架两侧安装长条形线圈，线圈面积较小，便于安装，同时双接收线圈配置可以提高无人机接收功率，加快充电速度。
实施例2
一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈的设计方法，包括对发射线圈和接收线圈的设计。
所述发射线圈设计方法包括：
(1)发射线圈中心采用空心结构，使磁场分布趋于均匀，以降低对无人机降低的要求；
(2)发射线圈底部布置磁芯结构分布，以增加发射线圈对接收线圈的耦合系数；
(3)发射线圈绕制方法上，线圈匝间距采用一倍线径并用利兹线制作，以降低发射线圈的趋肤效应。
所述接收线圈设计方法包括：
(1)采用平面螺旋线圈结构为能量接收线圈，以增加接收线圈对发射线圈的耦合系数；
(2)主接收线圈设计为圆形，安装在无人机脚架平面中心，与副接收线圈处同一平面，以使无人机降落偏差不至影响充电效果；
(3)两个副接收线圈设计为长条形，分别安装于无人机脚架平面两侧，以提高无人机接收功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机机携无线接收单元，其特征在于，所述无人机机携无线接收单元用于与安装在无线充电平台单元的发射线圈通过共振磁耦合传输电能；所述无人机机携无线接收单元包括主接收线圈、与主接收线圈串联的两个副接收线圈；所述主接收线圈为平面圆形螺旋线圈结构，所述两个副接收线圈为长条形结构；两个副接收线圈分别安装在主接收线圈两侧旁。
2.根据权利要求1所述的一种无人机机携无线接收单元，其特征在于，所述主接收线圈的两端分别连接两个副接收线圈的一端，两个副接收线圈的另一端连接整流稳压模块的输入端；整流稳压模块的输出端连接蓄电池。
3.根据权利要求1所述的一种无人机机携无线接收单元，其特征在于，两个副接收线圈为一体化封装结构设计，与无人机脚架结构结合在一起。
4.根据权利要求1所述的一种无人机机携无线接收单元，其特征在于，所述主接收线圈和两个副接收线圈设置在无人机底部脚架之间中心的同一平面上。
5.根据权利要求1所述的一种无人机机携无线接收单元，其特征在于，所述主接收线圈平面与无人机的中轴线垂直，主接收线圈的中心位于无人机的中轴线上。
6.一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，其特征在于，所述耦合线圈包括如权利要求1至5任一所述的无人机机携无线接收单元和安装在无人机无线充电平台单元的发射线圈和调压变频模块；
所述发射线圈连接所述调压变频模块的输出端，所述调压变频模块的输入端连接工频电源；
所述发射线圈为方形平面结构线圈；发射线圈底部平面设有铁氧体磁芯，用于产生单极分布的磁通。
7.根据权利要求6所述的一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，其特征在于，所述发射线圈的线圈匝间距为一倍线径。
8.根据权利要求6所述的一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，其特征在于，所述发射线圈的线圈采用利兹线制作。
9.根据权利要求6所述的一种用于无人机无线充电的抗偏移耦合线圈，其特征在于，所述发射线圈中心为空心结构。
10.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括无人机本体、以及如权利要求1至5任一所述的一种无人机机携无线接收单元。
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