CN112510846A - 一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化u形磁耦合机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，该机构包括设置在降落面上的发射端和设置在无人机上的接收端，接收端固定于无人机的腹部，发射端和接收端线圈均为弧面U形，能与固定翼无人机的腹部外表面相贴合；接收端的接收端磁芯紧贴无人机腹部，与无人机椭圆形腹部曲面外形一致，接收端U形线圈设置在接收端磁芯上，发射端包括发射端磁芯和绕设在发射端磁芯上的发射端U形线圈。解决目前用于其无线充电的产品或现有技术研究较少，其中一些安装在机身外的无线充电装置改变了无人机的外形结构，对空气动力学影响较大的，以及机身材料有局限性的问题，本发明以提供无人机无线电能补给解决方案，提高固定翼无人机的无人化水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，属于无人机无线充电设备技术领域。
背景技术
固定翼无人机由于具有飞行速度快、航程远、侦察面积广等优势，被广泛应用于科研、民用及军事等方面。然而，无人机搭载电池容量有限，电能的快速补给成为研究热点。近年来兴起的无线充电技术具有安全性高、便捷性强、充电速度快等多种优点，克服了有线充电方式不够灵活的弊端。该技术可不拆卸电池进行远距离充电，为智能化充电的发展提供了技术基础，可以较好地解决目前固定翼无人机面临的充电困难的问题。
固定翼无人机的外表为圆弧的U形柱面，目前用于其无线充电的产品或现有技术研究较少，其中一些安装在机身外的无线充电装置改变了无人机的外形结构，对空气动力学影响较大。另外一些采用平面或正交型线圈结构，接收端放置于电池仓内，磁场由外向内传递，要求机身材料必须为非金属，有一定的局限性；而且较大的漏磁对无人机内部器件产生干扰，还会占用仓内较多的空间。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术所提出的问题，提出一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，以提供无人机无线电能补给解决方案，提高固定翼无人机的无人化水平。
本发明提出一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，包括设置在降落面上的发射端和设置在无人机上的接收端，所述接收端固定于无人机的腹部，发射端和接收端线圈均为弧面U形，能够与固定翼无人机的腹部外表面相贴合；
所述接收端包括接收端磁芯和接收端U形线圈，所述接收端磁芯紧贴无人机腹部，与无人机椭圆形腹部曲面外形一致，所述接收端U形线圈设置在接收端磁芯上，所述发射端包括发射端磁芯和绕设在发射端磁芯上的发射端U形线圈。
优选地，所述接收端磁芯为矩形条状的软磁体材料，安装于无人机腹部的舱内，或固定于无人机的腹部外侧。
优选地，所述接收端磁芯上平行设置有若干条形磁芯，相邻条形磁芯拼接成U形。
优选地，所述接收端线圈为单层线圈，螺旋绕制，外形为与无人机腹部相同曲率的弧形，能够紧贴于接收端磁芯。
优选地，所述发射端磁芯为曲面拼接的矩形磁芯。
优选地，所述发射端U形线圈为单层线圈，螺旋绕制于发射端磁芯上，外形为与无人机腹部相似的U形。
优选地，所述发射端U形线圈外尺寸等于或小于发射端磁芯，发射端磁芯和发射端U形线圈的中心轴线重合。
优选地，所述发射端还包括发射平台，发射端从下到上依次为发射平台、发射端磁芯和发射端U形线圈，发射端U形线圈中间所形成的环形凹部能够与无人机腹部和其外表面装载的接收端U形线圈1所匹配。
优选地，所述发射平台下方安装有发射平台底座，无人机的圆柱U形腹部与发射平台适配，避免了无人机充电过程受外力影响造成侧移，提高了无线充电的安全性。
本发明所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构的有益效果为：
1、本发明所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，该固定翼无人机无线充电磁耦合机构的接收端能够与无人机腹部U形柱面融为一体，不改变无人机的外形结构，不影响空气动力学。本发明共型化，接收耦合机构能够与无人机支架共型，本发明的接收端采用轻量化的纳米晶柔性磁材料，厚度很薄可弯曲，贴附在无人机腹部，起到聚集磁场、减少磁泄露的作用，能够做到与无人机腹部外壳的共型。
2、本发明所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，磁耦合机构安装于无人机腹部外表面，电磁兼容特性好，对无人机仓内电子器件的影响小，条形磁芯分散排列，体积小，不占用舱内空间。
3、本发明所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，配合发射底座和发射平台，具有较强的稳定性，避免了无人机充电过程中风力等外力引起的错位问题。
4、本发明所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，接收耦合机构贴合在无人机支腹部，满足小型化和轻量化要求，不过多增加无人机负重。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的接收端U形线圈的结构示意图；
图2为本发明所述的发射端磁耦合机构的结构示意图；
图3为本发明所述的接收端磁耦合机构套在无人机腹部示意图；
图4为本发明所述的发射平台的结构示意图；
图5为本发明所述的固定翼无人机无线充电示意图；
其中，1-接收端U形线圈；2-接收端磁芯；3-固定翼无人机；4-发射端U形线圈；5-发射端磁芯；6-发射平台；7-发射平台底座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-5说明本实施方式。本实施方式所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，包括设置在降落面上的发射端和设置在无人机上的接收端，所述接收端固定于无人机的腹部，发射端和接收端线圈均为圆弧面，能够与固定翼无人机的腹部外表面相贴合；
所述接收端包括接收端磁芯2和接收端U形线圈1，所述接收端磁芯2紧贴无人机腹部，与无人机椭圆形腹部曲面外形一致，所述接收端U形线圈1设置在接收端磁芯2上，
所述发射端包括发射端磁芯5和绕设在发射端磁芯5上的发射端U形线圈4。
所述接收端磁芯2为矩形条状的软磁体材料，安装于无人机腹部的舱内，或固定于无人机的腹部外侧。
所述接收端磁芯2上平行设置有若干条形磁芯，相邻条形磁芯拼接成U形。
所述接收端U形线圈1为单层线圈，螺旋绕制，外形为与无人机腹部相同曲率的弧形，能够紧贴于接收端磁芯2。
所述发射端磁芯5为曲面拼接的矩形磁芯。
所述发射端U形线圈4为单层线圈，螺旋绕制于发射端磁芯5上，外形为与无人机腹部相似的U形。
所述发射端U形线圈4外尺寸等于或小于发射端磁芯5，发射端磁芯5和发射端U形线圈4的中心轴线重合。
所述发射端还包括发射平台6，发射端从下到上依次为发射平台6、发射端磁芯5和发射端U形线圈4，发射端U形线圈4中间所形成的环形凹部能够与无人机腹部和其外表面装载的接收端U形线圈1所匹配。
所述发射平台6下方安装有发射平台底座7。
所述接收端磁芯2紧贴无人机腹部，与无人机椭圆形腹部曲面外形一致，不影响无人机的外形，不过多占用舱内空间。
所述接收端线圈1绕制于接收端磁芯2或无人机腹部的外围，由内到外依次为无人机外壳、磁芯和接收端线圈1。
本申请提供了一种固定翼无人机无线充电的U形磁耦合结构，如图5所示。所设计的磁耦合结构包括设置在无线充电平台上的发射端和设置在无人机上的接收端，用于对无人机进行无线充电。当需要充电时，无人机会停靠在无线充电平台上方进行无线充电，所设计的磁耦合机构能够与无人机U形腹部共型，不改变无人机外形结构。
具体地，接收端包括接收磁芯和接收线圈。接收端磁耦合机构如图1所示，接收端磁芯2选用矩形条状磁材料，安装于固定翼无人机的腹部仓外，不占用仓内空间。条形磁芯依次排列，紧贴无人机腹部，与无人机椭圆形腹部外形一致，形成曲面结构，在不改变无人机外形的基础上实现聚集磁场的效果。接收端线圈1为方形的螺旋线圈，呈U形，绕制在接收端磁芯2的外侧，如图3所示。接收端线圈1匝数不易过多，否则会增加无人机负重。
发射端包括发射端磁芯5和发射端线圈4。发射端磁芯5整体呈方形弧面，发射端磁芯5可以是一整块大磁芯，也可以是多块小磁芯拼接而成。发射端线圈4绕制在发射端磁芯5上，外形为与无人机腹部相似的弧形，发射端线圈4外尺寸等于或小于发射端磁芯5，发射端磁芯5和发射端线圈4的中心轴线重合。
发射端从下到上依次为底座、发射端磁芯5和发射端线圈4。发射端线圈4中间所形成的环形凹部能够与无人机腹部和其外表面装载的接收线圈所匹配。
发射平台底座7呈圆柱形结构，发射平台6预留出了安装发射端线圈4和发射端磁芯5的空间，无人机可放置于发射平台6上进行无线充电，可避免充电过程中的风力等外力影响造成对位偏移的弊端。
当无人机进行充电时，无人机腹部会落在发射平台6的凹部内，使得接收线圈位于发射端线圈4的正上方。接收曲面线圈的中心轴线与发射弧形线圈的中心轴线重合时，为最优对准位置，此时发射端线圈4平行于接收螺旋线圈，充电效率最高。
本发明还提出了一种针对固定翼无人机的无线充电发射底座。无人机的圆柱U形腹部可与发射平台6恰好适配，避免了无人机充电过程受外力影响造成侧移，提高了无线充电的安全性。
本发明克服现有技术偏见，因为现有技术多从申请专利的角度去设计磁耦合机构，很多不具备实用性。
其一，现有技术纳米晶这种磁材料在大功率无线充电领域的应用较少，以块状的锰锌铁氧体磁芯为主，块状磁芯体积大，重量沉，在无人机无线充电系统设计时，需要考虑轻量化，所以很多副边不加磁芯，容易发生漏磁，带来了电磁兼容特性差干扰摄像设备的问题。本发明选用薄片纳米晶磁材料，拼接成U形，作为接收磁芯，重量很轻，屏蔽特性好。
其二，无人机无线充电的现有产品较少，多处于实验室研究阶段，目前多以平面对平面的耦合机构为主，但很难实现共型化设计，有些现有技术额外增加保护支架，改变了无人机外型结构，接收线圈为多个，负重增加，带来了安全性问题，有的是增加了耦合线圈的匝数，质量较重，会给无人机额外增加较大的负重，可见现有技术在共型方面无法兼顾共型、质量轻且安全。
综上所述，本实例提出一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构。本发明提出的磁耦合机构与现有机构相比，优势在于：接收机构与无人机U形的腹部机身共型，对无人机的外形结构和空气动力学等影响甚微；无人机无线充电系统的电磁兼容性好，对仓内电子器件干扰小，不占用无人机仓内空间；抗外力干扰能力强，充电安全性高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，包括设置在降落面上的发射端和设置在无人机上的接收端，所述接收端固定于无人机的腹部，发射端和接收端线圈均为弧面U形，能够与固定翼无人机的腹部外表面相贴合；
所述接收端包括接收端磁芯(2)和接收端U形线圈(1)，所述接收端磁芯(2)紧贴无人机腹部，与无人机椭圆形腹部曲面外形一致，所述接收端U形线圈(1)设置在接收端磁芯(2)上，
所述发射端包括发射端磁芯(5)和绕设在发射端磁芯(5)上的发射端U形线圈(4)。
2.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述接收端磁芯(2)为矩形条状的软磁体材料，安装于无人机腹部的舱内，或固定于无人机的腹部外侧。
3.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述接收端磁芯(2)上平行设置有若干条形磁芯，相邻条形磁芯拼接成U形。
4.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述接收端线圈1为单层线圈，螺旋绕制，外形为与无人机腹部相同曲率的弧形，能够紧贴于接收端磁芯(2)。
5.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述发射端磁芯(5)为曲面拼接的矩形磁芯。
6.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述发射端U形线圈(4)为单层线圈，螺旋绕制于发射端磁芯(5)上，外形为与无人机腹部相似的U形。
7.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述发射端U形线圈(4)外尺寸等于或小于发射端磁芯(5)，发射端磁芯(5)和发射端U形线圈(4)的中心轴线重合。
8.根据权利要求1所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述发射端还包括发射平台(6)，发射端从下到上依次为发射平台(6)、发射端磁芯(5)和发射端U形线圈(4)，发射端U形线圈(4)中间所形成的环形凹部能够与无人机腹部和其外表面装载的接收端U形线圈(1)所匹配。
9.根据权利要求8所述的用于固定翼无人机无线充电的轻量化U形磁耦合机构，其特征在于，所述发射平台(6)下方安装有发射平台底座(7)，无人机的圆柱U形腹部与发射平台(6)适配，避免了无人机充电过程受外力影响造成侧移，提高了无线充电的安全性。
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