CN111319483A - 无线充电耦合机构及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电耦合机构及无人机，耦合机构包括发射端和接收端，发射端包括E型磁芯和三个串接连接的发射线圈，所述接收端包括两个串接连接的接收线圈，所述E型磁芯卧式设置，所述三个发射线圈分别按照平面环形绕制在所述E型磁芯的每一根立柱上；所述接收端的两个接收线圈按预定的偏移角度侧立设置，当所述接收端靠近所述发射端时，两个接收线圈分别嵌入所述E型磁芯相邻的两根立柱之间。其效果是：接收端线圈无磁芯，质量轻，依托无人机卧式脚架设置，不用大幅度改装无人机结构，易于安装，对称性好，不会影响其平衡性，不会遮挡无人机的云台等摄像装置；同时具有较好的横向偏移特性。

Description

无线充电耦合机构及无人机
技术领域
本发明涉及一种无线充电耦合机构及无人机，属于无线充电技术领域。
背景技术
近年来，无人机市场极为火爆，续航时间短是目前无人机的通病，无人机在连续飞行20-30分钟就需要更换电池或充电，无人机自主执行工作任务的能力严重受续航能力的限制。
针对无人机的续航问题，主要三类解决方案，一是在无人机上搭载太阳能电池等新能源发电设备，使得无人机能自动补充电能；二是通过研发能量密度更大的电池，使得无人机一次性能携带更多电能；三是研发不需要人工辅助的自动化充电技术，使得无人机在巡航中途就可以实现电能补充，延长巡航范围。无线充电技术作为新兴充电技术的一种，可以实现非物理直接接触的方式对设备进行充电，充电过程不需要人为参与，能够有效用于无人机全自动化充电。
现有技术中为实现无人机无线充电，通常是在现有无人机机架结构上进行改装，常用的无线充电系统多采用单个平面线圈，为了确保其充电性能，线圈面积较大，直接用于现有的各种无人机模型中时，难以直接适应无人机现有的机架结构，而且容易增加无人机飞行阻力，影响飞行安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无线充电耦合机构及无人机，能够降低无线充电系统对无人机结构的影响。
为达到上述目的，本发明首先提供了一种无线充电耦合机构，包括发射端和接收端，其关键在于：所述发射端包括E型磁芯和三个串接连接的发射线圈，所述接收端包括两个串接连接的接收线圈，所述E型磁芯卧式设置，所述三个发射线圈分别按照平面环形绕制在所述E型磁芯的每一根立柱上；所述接收端的两个接收线圈按预定的偏移角度侧立设置，当所述接收端靠近所述发射端时，两个接收线圈分别嵌入所述E型磁芯相邻的两根立柱之间。
可选地，各所述发射线圈位于同一平面内。
可选地，各所述接收线圈和各所述发射线圈的均按照“回”形线圈平面绕制。
可选地，位于中间的一个发射线圈所通电流的流向与两侧的发射线圈所通电流的流向相反。
可选地，两个所述接收线圈所处平面的夹角呈20°～40°。
可选地，所述E型磁芯上相邻两根立柱上还相对设置有凸起部。
基于上述耦合机构，本发明还提供一种无人机，包括无人机启停架、无人机启停平台及上述任何一种无线充电耦合机构，所述无人机启停架上安装所述两个接收线圈，在所述无人机启停平台上安装所述E型磁芯和三个发射线圈，当无人机启停架停靠于无人机启停平台时，所述三个发射线圈能够与所述两个接收线圈相耦合实现无线充电。
可选地，所述无人机启停平台上连接有无线充电发射电路，包括依次连接的直流电源、高频逆变电路以及原边谐振电路；
所述无人机连接有无线充电接收电路，包括依次连接的副边谐振电路、整流滤波电路以及充电电池。
可选地，所述无人机启停平台上设有两条能够容纳所述无人机启停架的凹槽，所述E型磁芯与所述无人机启停平台上的两条凹槽结构匹配。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)接收端线圈无磁芯，质量轻，符合无人机对机载端的轻量化需求；
(2)接收线圈依托无人机卧式脚架设置，不用大幅度改装无人机结构，易于安装，对称性好，不会影响其平衡性，不会遮挡无人机的云台等摄像装置；
(3)具有较好的横向偏移特性，对于降落时对位精度不高的无人机依然适用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为根据本发明实施例提供的一种无人机的结构示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种无线充电耦合机构的结构示意图；
图3为根据本发明实施例提供的无线充电耦合机构的等效电路图；
图4为本发明提供的无线充电耦合机构互感随便宜距离变化曲线图。
图中标注：
1-无人机启停平台、2-无人机启停架、11-发射线圈、21接收线圈、12-E型磁芯，13-凸起部。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种无线充电耦合机构，包括发射端和接收端，所述发射端包括三个串接连接的发射线圈和E型磁芯，所述接收端包括两个串接连接的接收线圈，所述E型磁芯卧式设置，所述三个发射线圈分别按照平面环形绕制在所述E型磁芯的每一根立柱上；所述接收端的两个接收线圈按预定的偏移角度侧立设置，当所述接收端靠近所述发射端时，两个接收线圈分别嵌入所述E型磁芯相邻的两根立柱之间。
该机构采用多段分布式发射线圈和接收线圈，在确保无线充电效率的前提下，能够明显减少单一线圈的空间占用，降低无线充电系统对无人机机架结构的影响。
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3所示，针对无人机无线充电应用场景，在无人机启停平台1上设置发射端，在无人机启停架2上设置接收端，所述无人机启停平台1上设有两条能够容纳所述无人机启停架2的凹槽，所述发射端包括E型磁芯12和三个串接连接的发射线圈11，所述接收端包括两个串接连接的接收线圈21，所述E型磁芯12卧式设置，从而与所述无人机启停平台1上的两条凹槽结构匹配，所述三个发射线圈11分别按照平面环形绕制在所述E型磁芯12的每一根立柱上；所述接收端的两个接收线圈21按预定的偏移角侧立设置，在所述无人机启停平台1上连接有无线充电发射电路，包括依次连接的直流电源、高频逆变电路以及原边谐振电路；在无人机上连接有无线充电接收电路，包括依次连接的副边谐振电路、整流滤波电路以及充电电池，当所述接收端靠近所述发射端时，两个接收线圈21分别嵌入所述E型磁芯12相邻的两根立柱之间，使得每个接收线圈21能够同时与两侧的发射线圈11感应耦合，从而实现无人机无线充电。
通过图2可以看出，为了便于安装控制，各所述发射线圈11位于同一平面内，且各所述接收线圈21和各所述发射线圈11的均按照“回”形线圈平面绕制。基于上述设计，发射线圈11可以直接套设在E型磁芯12的立柱上，接收线圈21可以不用磁芯，直接固定在无人机启停架2上，从而降低无人机的自重。
在具体实施时，E型磁芯12可以采用多根条形的磁芯拼接而成，三个发射线圈分中，两侧的发射线圈通同向电流，中间一个发射线圈通反向电流，为了增强耦合度，所述E型磁芯上相邻两根立柱上还相对设置有凸起部13，无人机停留在无人机启停平台1上时，配合其凹槽结构，接收线圈21底部低于E型磁芯的立柱，从而嵌入在发射端的磁芯中，在磁芯的限制区域内偏移，耦合机构均有较好的耦合度。
为了适应无人机启停架2的安装，并保持高效的无线充电效率，两个所述接收线圈所处平面的夹角呈20°～40°，通常单个接收线圈按15°的偏移角度侧立设置。
基于上述耦合机构，在具体应用时，其等效电路如图3所示，图中AC表示高频交流电源，Cp为发射端的谐振电容，Cs为接收端的谐振电容，Lp1、Lp2、Lp3分别表示串联的三个发射线圈，三个发射线圈的绕制方向可以相同，通过对Lp2接线方式的改变，可以使其流通的电流反向，Rp1、Rp2和Rp3对应为各个发射线圈的等效内阻，Ls1和Ls2表示两个接收线圈，Rs1和Rs2对应为各个接收线圈的等效内阻，RL为等效负载，M11、M21、M22、M32表示发射线圈与接收线圈之间相对应的互感。
为了验证本发明构思的技术效果，在具体实施时，还通过在COMSOl仿真软件中对横向偏移下的互感值进行仿真，由于耦合机构具有对称性，因此只考虑单侧的横向偏移，仿真结果如表1所示：
表1：不同偏移条件下互感值变化情况
Figure BDA0002436437040000061
对应的，图4体现了不同偏移条件下互感值的拟合曲线，通过仿真结果可知，正对条件下互感有3.5uH，随着偏移距离的增加，互感值逐渐增大，最大时为8.3uH。
综上可以看出，本发明提出的无线充电耦合机构及无人机，接收线圈无需配置磁芯，质量轻，符合无人机对机载端的轻量化需求；可依托现有无人机卧式脚架安装，配合无人机启停平台使用，不用大幅度改装无人机结构，安装方便，对称性好，不会影响其平衡性，不会遮挡无人机的云台等摄像装置；同时，耦合结构具有较好的横向偏移特性，对于降落时对位精度不高的无人机依然适用。
最后需要说明的是，以上所揭露的技术方案仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种无线充电耦合机构，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端包括E型磁芯和三个串接连接的发射线圈，所述接收端包括两个串接连接的接收线圈，所述E型磁芯卧式设置，所述三个发射线圈分别按照平面环形绕制在所述E型磁芯的每一根立柱上；所述接收端的两个接收线圈按预定的偏移角度侧立设置，当所述接收端靠近所述发射端时，两个接收线圈分别嵌入所述E型磁芯相邻的两根立柱之间。
2.根据权利要求1所述的无线充电耦合机构，其特征在于，各所述发射线圈位于同一平面内。
3.根据权利要求1或2所述的无线充电耦合机构，其特征在于，各所述接收线圈和各所述发射线圈的均按照“回”形线圈平面绕制。
4.根据权利要求1所述的无线充电耦合机构，其特征在于，位于中间的一个发射线圈所通电流的流向与两侧的发射线圈所通电流的流向相反。
5.根据权利要求1所述的无线充电耦合机构，其特征在于，两个所述接收线圈所处平面的夹角呈20°～40°。
6.根据权利要求1所述的无线充电耦合机构，其特征在于，所述E型磁芯上相邻两根立柱上还相对设置有凸起部。
7.一种无人机，其特征在于，包括无人机启停架、无人机启停平台及权利要求1至6任一项所述的无线充电耦合机构，所述无人机启停架上安装所述两个接收线圈，在所述无人机启停平台上安装所述E型磁芯和三个发射线圈，当无人机启停架停靠于无人机启停平台时，所述三个发射线圈能够与所述两个接收线圈相耦合实现无线充电。
8.根据权利要求7所述的无人机，其特征在于，所述无人机启停平台上连接有无线充电发射电路，包括依次连接的直流电源、高频逆变电路以及原边谐振电路；
所述无人机连接有无线充电接收电路，包括依次连接的副边谐振电路、整流滤波电路以及充电电池。
9.根据权利要求7所述的无人机，其特征在于，所述无人机启停平台上设有两条能够容纳所述无人机启停架的凹槽，所述E型磁芯与所述无人机启停平台上的两条凹槽结构匹配。
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