CN112510847B - 一种用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构 - Google Patents

一种用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，该机构包括设置在降落面上的多个发射端和设置在无人机上的接收端，接收端绕制于无人机支架底部的无人机支架横梁上，接收端包括接收端磁芯和绕设在接收端磁芯上的接收端线圈，接收端磁芯为圆筒形，发射端包括发射端磁芯和设置在发射磁芯上的发射端线圈，发射端线圈包括至少两个分线圈，发射端磁芯为长方体型。解决现有无人机无线充电不共型，电磁干扰大的问题，提出一种用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，以提供无人机无线电能补给解决方案，提高无人机无人化水平，接收机构采用螺线管式线圈，能够与无人机支架共型，不改变无人机外形。

Description

一种用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构
技术领域
本发明涉及一种用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，属于无人机无线充电设备技术领域。
背景技术
无人机作为尖端科技成果，具有结构简单、尺寸小、造价低、生存率高、使用灵活、适应性强、零伤亡等诸多优势，其应用领域已涵盖科研、民用及军事等方面。然而，由于体积和负重能力的限制，无人机搭载电池容量有限，续航能力不足、巡航范围受限成为其普及应用的瓶颈问题。目前提升无人机续航途径主要有两种：携带更多电能或在任务中多次电能补给。对于前者，由于目前比较成熟的蓄电池技术已经发展到了瓶颈期，更大的电池容量就意味着更大的体积和重量，增加电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化。因此电能的快速补给方式成为研究热点。无线充电技术具有安全性高、便捷性强、充电范围大等多种优点。该技术克服了有线充电插电易产生火花、易磨损、不够灵活的弊端，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无人机面临的充电困难的问题。
对于无人机而言，机身允许额外搭载的物体在体积和重量上有着严格的限制，所设计的磁耦合机构要求做到：(1)接收机构应满足小型化和轻量化要求，不过多增加无人机的负重。(2)接收机构尽可能与无人机支架实现共型化设计，能够与平台结构融为一体，否则凸出的接收装置对载体外形结构和空气动力学等影响较大。(3)避免对机身设备产生电磁干扰，无线充电系统在充电过程中会产生交变磁场，需要保证该交变磁场对机身电子设备没有影响。(4)具有较强的抗偏移性能，能够保证无人机在非对准情况下正常工作。
现有技术一：申请号为201811242776的中国专利公开了一种无线充电装置及无人机无线充电系统，接收端磁耦合机构安装在无人机支架中间，实现无线能量传输。但这种接收线圈只适用于此类具有矩形框支架结构的无人机，当无人机支架类型改变时，耦合机构无法与支架共型，且难以固定，不具备通用性。
现有技术二：申请号为201911270730的中国专利公开了一种无人机无线充电系统、无人机及其无线充电方法。接收线圈安装于无人机旋翼外侧的防护圈内，采用多个发射线圈串联、多个接收线圈串联的方法传递能量。但这种方法需要额外增加保护支架，对无人机外型改变较大，且带来了安全性问题。
现有技术三：申请号为202010253706的中国专利公开了一种无线充电耦合机构及无人机。接收线圈安装在无人机支架上，符合共型化的设计需求，但是该方案电磁兼容特性较差，无人机摄像设备暴露在高频磁场内，易受干扰，平面的接收线圈垂直安装在支架上，线圈体积较大、不够轻便，当线圈匝数较多时阻碍无人机飞行时的空气流动。
发明内容
本发明为了解决背景技术提到的现有无线充电装置的问题，提出一种用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，以提供无人机无线电能补给解决方案，提高无人机无人化水平，接收机构采用螺线管式线圈，能够与无人机支架共型，不改变无人机外形。
本发明提出一种用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，包括设置在降落面上的多个发射端和设置在无人机上的接收端，接收端绕制于无人机支架底部的无人机支架横梁上，所述接收端包括接收端磁芯和绕设在接收端磁芯上的接收端线圈，所述接收端磁芯为圆筒形，所述发射端包括发射端磁芯和设置在发射磁芯上的发射端线圈，发射端线圈包括至少两个分线圈，所述发射端磁芯为长方体型。
优选地，所述接收端磁芯为柔性纳米晶软磁体，贴附于无人机支架的底部无人机支架横梁上，不影响横梁的圆柱形结构。
优选地，所述接收端线圈呈螺旋管型，沿无人机支架横梁的方向，绕制于圆筒形接收端磁芯的外围，接收端线圈设置在无人机支架立柱的两侧，中间空余出立柱的位置，以保证无人机负重平衡。
优选地，所述接收端线圈的两端设置在无人机支架立柱的两侧。
优选地，所述发射端分线圈设置有两个，接收端线圈的两端与两个发射端分线圈位置对应。
优选地，所述发射端的多个分线圈的轴向与无人机所在方向平行。
优选地，所述发射端的多个分线圈的线圈间距小于接收端线圈的轴向长度。
优选地，所述发射端的分线圈的线圈呈圆形，按照“回”形线圈平面绕制。
优选地，所述发射端线圈外径大于接收端线圈外径，在无人机机身的长度方向上排列。
优选地，所述发射端的两个分线圈所走电流方向相反，两个分线圈产生的磁场方向在接收端线圈处产生的磁场能够叠加增强。
本发明所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构的有益效果为：
1、本发明所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，无人机无线充电磁耦合机构的接收端与无人机支架融为一体，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，现有无人机支架多为圆柱形空心碳纤维管，本发明的接收端采用纳米晶柔性磁材料，厚度很薄可弯曲，贴附在圆柱型支架外表面，形成圆筒型磁芯，起到聚集磁场、减少磁泄露的作用，接收线圈缠绕在圆筒形磁芯外表面，能够做到与无人机支架的共型。
2、本发明所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，该磁耦合机构的抗偏移能力强，发射线圈外径比接收线圈外径大，接收端线圈在一定范围内偏移下的耦合系数基本不变，在无人机对位不准时具有很强的容错性，降低了无人机的停靠精度，能够保证无人机在非对准情况下正常工作，大大提高了无人机的无人化自主无线充电能力。
3、本发明所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，磁耦合机构与无人机支架底部的横梁共型。本发明的磁耦合机构在无人机支架的底部，距离机身电子设备较远，漏磁对电子设备的干扰很小，并且副边具有磁芯，可以很好的起到电磁屏蔽的效果。
4、本发明所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，接收耦合机构为小螺线管型，缠绕在无人机支架底部横梁上实现共型，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圆筒型磁芯的结构示意图；
图2为本发明所述的接收端磁耦合机构的结构示意图；
图3为本发明所述的发射端磁耦合机构的结构示意图；
图4为本发明所述的接收端磁耦合机构套在无人机支架示意图；
图5为本发明所述的发射与接收磁耦合机构工作示意图；
图6为本发明所述的无人机无线充电示意图；
图7为本发明所述的机构耦合系数随偏移距离变化情况曲线图；
图8为本发明所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构的另外一种应用方式；
其中，1-接收端磁芯；2-接收端线圈；31-发射端第一个分线圈；32-发射端第二个分线圈；4-发射端磁芯；5-无人机支架横梁；6-无人机支架立柱；9-无人机机身。
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1-8说明本实施方式。本实施方式所述的用于无人机无线充电的共型螺线管式耦合机构，包括设置在降落面上的多个发射端和设置在无人机上的接收端，所述接收端绕制于无人机支架底部的无人机支架横梁5上，
所述接收端包括接收端磁芯1和绕设在接收端磁芯上的接收端线圈2，所述接收端磁芯1为圆筒形，所述发射端磁芯4为长方体型，
所述发射端包括发射端磁芯4和设置在发射磁芯上的发射端线圈，发射端线圈包括至少两个分线圈。
所述接收端磁芯1为柔性纳米晶软磁体，贴附于无人机支架的底部无人机支架横梁5的外围，不影响横梁的圆柱形结构。
所述接收端线圈2呈螺旋管型，沿无人机支架横梁5的方向，绕制于圆筒形接收端磁芯1的外围，接收端线圈2设置在无人机支架立柱6的两侧，中间空余出立柱的位置，以保证无人机负重平衡。
所述接收端线圈2的两端设置在无人机支架立柱6的两侧。
所述发射端分线圈设置有两个，接收端线圈2的两端与两个发射端分线圈位置对应。所述发射端的多个分线圈的轴向与无人机所在方向平行。
所述发射端的两个分线圈所走电流方向相反，两个分线圈产生的磁场方向在接收端线圈2处产生的磁场能够叠加增强。
所述发射端的多个分线圈的线圈间距小于接收端线圈2的轴向长度。
所述发射端的分线圈的线圈呈圆形，按照“回”形线圈平面绕制。
所述发射端线圈外径大于接收端线圈2外径，在无人机机身的长度方向上排列，抗偏移性能好。
共型是指所设计的接收端线圈能够与无人机支架同形状，不改变无人机支架的结构外形。比如无人机支架底部的横梁为圆柱型结构，本发明选用螺线管式的耦合机构缠绕在无人机圆柱型横梁上，而不是在机身额外安装一个模块实现无线充电。
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，所以很多专利采用接收端不加磁芯的方法，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，弯曲成圆筒型作为接收磁芯套在无人机支架横梁外表面，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质量轻且安全。
其三，现有无人机无线充电产品很少考虑系统的抗偏移性能，几乎都是人为对准后进行无线充电，难以实现无人化操作。本发明提出的发射端耦合机构具有较强的抗偏移性能，在一定范围内接收端线圈的偏移几乎不改变机构耦合系数，在无人机对位不准时具有较强的容错性，大大提高了无人机无线充电的无人化智能充电水平。本发明提供了一种无人机无线充电的共型螺线管式耦合结构，如图6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支架共型，不改变无人机外形结构。
具体地，接收端包括接收端磁芯1和接收端线圈2，接收端磁芯1形状如图1所示，选用薄片型柔性磁材料，粘贴于无人机底部支架的圆柱形横梁上，形成圆筒型结构，在不改变支架外形的基础上实现聚集磁场的效果。接收端线圈2呈螺旋管型，绕制于接收磁芯的外围，分布于支架立柱的两侧，为单个线圈，保证无人机负重平衡。支架立柱5两侧的接收端线圈2匝数和线径尺寸相同，如图2所示。
发射端包括发射端磁芯4和发射端线圈5。发射端线圈5为单层平面线圈，包括至少两个分线圈，呈圆形。两个分线圈沿接收端线圈5的轴向依次排列，两线圈圆心距小于或等于接收端线圈的轴向长度。
发射端的两个分线圈所走电流方向相反，即其中一个线圈电流流向为顺时针，另外一个线圈电流流向为逆时针。两个分线圈产生的磁场方向一个向上、一个向下，在接收线圈处产生的磁场能够叠加增强。
发射端线圈绕制于发射端磁芯4上，发射端磁芯2为长方体型，其宽度大于或等于发射端线圈的外径，发射端磁芯4的长度大于两个分线圈的轴向长度，可以是一整块大磁芯，也可以是多块小磁芯拼接而成。
当无人机进行充电时，无人机支架底部的横梁会落在发射平台上，使得接收端线圈2位于发射端线圈的正上方。接收端线圈2的中心轴线与发射端线圈圆心所组成的平面垂直于发射磁芯的上平面时，为最优对准位置，此时充电效率最高。接收端线圈2的中心轴线与发射端线圈两圆心连线夹角在大于等于0度，小于90度范围内，无人机均可实现无线充电。同时，由于无人机非对准降落造成接收线圈横向或纵向偏移小于发射端线圈的半径时，系统仍可正常工作。以原副边线圈均为10匝为例，磁耦合机构的耦合系数随系统偏移距离的变化情况如图7所示，无人机可在横或纵向偏移距离±40mm范围内实现正常功率输出。
本发明的另外一个应用方式如图8所示，无人机的两个支架横梁均可安装接收机构，充电平台对应设置发射机构，以满足无人机大功率的快速充电方式。
综上所述，本发明提出一种用于无人机无线充电的共型化磁耦合机构。本发明提出的磁耦合机构与现有机构相比，优势在于：接收机构与无人机支架共型，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抗偏移能力强，在对位不准的情况下，系统仍可正常工作。
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 (8)

1.一种用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，包括设置在降落面上的多个发射端和设置在无人机上的接收端，所述接收端绕制于无人机支架底部的横梁上，
所述接收端包括接收端磁芯(1)和绕设在接收端磁芯上的接收端线圈(2)，所述接收端磁芯(1)为圆筒形，
所述发射端包括发射端磁芯(4)和设置在发射磁芯上的发射端线圈，发射端线圈包括至少两个分线圈，所述分线圈为单层平面线圈，所述发射端磁芯(4)为长方体型，
当无人机进行充电时，无人机支架底部的横梁会落在发射平台上，使得接收端线圈(2)位于发射端线圈的正上方；
所述接收端磁芯(1)为柔性纳米晶软磁体，贴附于无人机支架的底部无人机支架横梁(5)上，不影响横梁的圆柱形结构；
所述接收端线圈(2)呈螺旋管型，沿无人机支架横梁(5)的方向，绕制于圆筒形接收端磁芯(1)的外围，接收端线圈(2)设置在无人机支架立柱(6)的两侧，中间空余出立柱的位置，以保证无人机负重平衡。
2.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述发射端多个分线圈的排列方向与无人机支架横梁(5)的轴向平行。
3.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述发射端的多个分线圈的线圈间距小于接收端线圈(2)在无人机支架横梁(5)的轴向上的长度。
4.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述发射端的分线圈的线圈呈圆形，按照“回”形线圈平面绕制。
5.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述发射端的分线圈外径大于接收端线圈(2)外径，在无人机机身的长度方向上排列。
6.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述接收端线圈(2)的两端设置在无人机支架立柱(6)的两侧。
7.根据权利要求6所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述发射端分线圈设置有两个，接收端线圈(2)的两端与两个发射端分线圈位置对应。
8.根据权利要求7所述的用于无人机无线充电的轻量化共型螺线管式耦合机构，其特征在于，所述发射端的两个分线圈所走电流方向相反，两个分线圈产生的磁场方向在接收端线圈(2)处产生的磁场能够叠加增强。
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