CN112510848A - 一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构 - Google Patents

一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构 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正交型螺线管磁耦合机构，该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，接收端绕制于无人机支架底部横梁上，接收端包括接收端磁芯和绕设在接收端磁芯上的两个接收端线圈，接收端磁芯套在无人机支架底部横梁上，发射端的发射端磁芯的三个发射端凸起的磁柱分别相互平行的设置在发射端磁性底板的两端和中间，每个发射端凸起的磁柱均绕有发射端线圈，两个接收端线圈分别位于三个发射端凸起的磁柱的两个间隙上。解决了接收机构与无人机支架不共型，以及电磁干扰的问题，提出一种用于无人机无线充电的正交型螺线管磁耦合机构，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。

Description

一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构
技术领域
本发明涉及一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，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
本发明为了解决上述背景技术所提出的接收机构与无人机支架不共型，以及电磁干扰的问题，提出一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，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。
本发明提出一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，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，接收端绕制于无人机支架底部横梁上，所述接收端包括接收端磁芯和绕设在接收端磁芯上的两个接收端线圈，所述接收端磁芯为圆筒形，其套在无人机支架底部横梁上，所述发射端包括发射端磁芯和绕设在发射磁芯上的发射端线圈，所述发射端磁芯包括三个发射端凸起的磁柱和发射端磁性底板，三个发射端凸起的磁柱分别相互平行的设置在发射端磁性底板的两端和中间，每个发射端凸起的磁柱均绕有发射端线圈，两个接收端线圈分别位于三个发射端凸起的磁柱的两个间隙上。
优选地，所述接收端磁芯为柔性的纳米晶软磁体，贴附于无人机支架底部横梁上，与支架横梁同轴嵌套，形成圆筒形磁芯，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，沿无人机支架底部横梁的方向，绕制于圆筒形接收端磁芯的外围，同轴嵌套，由内到外依次为无人机支架底部横梁、接收端磁芯和接收端线圈。
优选地，所述接收端线圈包括接收端第一个横向螺旋线圈和接收端第二个横向螺旋线圈，所述接收端第一个横向螺旋线圈和接收端第二个横向螺旋线圈在无人机支架底部横梁上对称分布，中间空余出一段距离，两线圈串联。
优选地，相邻两个发射端凸起的磁柱的间距小于单个接收端线圈的轴向长度，中间磁柱的边长大于两接收端线圈的间距。
优选地，三个发射端线圈自上而下顺时针绕制，呈竖直的螺线管形，每个线圈的匝间距为0-10mm。
优选地，所述发射端凸起的磁柱为立方体柱，发射端线圈的截面呈方形，发射端线圈螺线管外径大于接收端线圈外径。
优选地，每个发射端线圈的匝数为10-20匝。
优选地，发射端的两端线圈所走电流相同，中间发射端线圈所走电流与两侧线圈电流相反，发射端的两侧线圈产生的磁场方向相同，中间发射端线圈产生的磁场方向与两侧发射端线圈的磁场方向相反，这样在接收线圈处产生的磁场能够叠加增强。
优选地，接收端线圈的中心轴线与发射端线圈中心轴线所组成的平面垂直于发射平台时，为最优对准位置，此时发射端线圈正交于接收端线圈，充电效率最高。
本发明所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁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，该磁耦合结构抗偏移能力强，发射螺线管线圈外径比接收螺线管线圈外径大，接收端线圈在一定范围内偏移下的耦合系数基本不变，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，磁耦合机构安装于无人机支架底部，本发明的磁耦合机构在无人机支架的底部，距离电子设备较远，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无人机偏移距离的变化情况；
图8为本发明所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构的另一种应用方式；
其中，1-接收端磁芯；2-接收端第一个横向螺旋线圈；3-接收端第二个横向螺旋线圈；4-发射端第一个纵向螺旋线圈；5-发射端第二个纵向螺旋线圈；6-发射端第三个纵向螺旋线圈；7-发射端凸起的磁柱，8-发射端磁性底板，7和8组成发射端“卧E”型磁芯；9-无人机支架底部横梁；10-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轻量化正交型螺线管磁耦合机构，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，接收端绕制于无人机支架底部横梁9上，
所述接收端包括接收端磁芯1和绕设在接收端磁芯1上的两个接收端线圈，所述接收端磁芯1为圆筒形，其套在无人机支架底部横梁9上，所述发射端包括发射端磁芯和绕设在发射磁芯上的发射端线圈，所述发射端磁芯包括三个发射端凸起的磁柱7和发射端磁性底板8，三个发射端凸起的磁柱7分别相互平行的设置在发射端磁性底板8的两端和中间，每个发射端凸起的磁柱7均绕有发射端线圈，两个接收端线圈分别位于三个发射端凸起的磁柱7的两个间隙上。
所述接收端磁芯1为柔性的纳米晶软磁体，贴附于无人机支架底部横梁9上，与支架横梁同轴嵌套，形成圆筒形磁芯，不影响横梁的圆柱形结构。
所述接收端线圈呈螺旋管型，沿无人机支架底部横梁9的方向，绕制于圆筒形接收端磁芯1的外围，同轴嵌套，由内到外依次为无人机支架底部横梁9、接收端磁芯1和接收端线圈。
所述接收端线圈包括接收端第一个横向螺旋线圈2和接收端第二个横向螺旋线圈3，所述第一个横向螺旋线圈2和接收端第二个横向螺旋线圈3在无人机支架底部横梁9上对称分布，中间空余出一段距离，两线圈串联。
相邻两个发射端凸起的磁柱7的间距小于单个接收端线圈的轴向长度，中间磁柱的边长大于两接收端线圈的间距，抗偏移性能好。
三个发射端线圈自上而下顺时针绕制，呈竖直的螺线管形，每个线圈的匝间距为0-10mm。
所述发射端凸起的磁柱7为立方体柱，发射端线圈的截面呈方形，发射端线圈螺线管外径大于接收端线圈外径。
整体来看，发射端线圈的三个线圈呈竖直的螺线管形，接收端线圈的两个线圈为横卧的螺线管形，发射端线圈与接收端线圈的轴线相互正交。
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的无线充电领域应用较少，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，弯曲成圆筒型作为接收磁芯，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。
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能力。
本发明提供了一种无人机无线充电的轻量化正交型(垂直型)螺线管磁耦合结构，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。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。接收端线圈为两个螺旋管型线圈，绕制于接收端磁芯1的外围，中间间隔一段距离，分布于支架立柱的两侧，串联连接，保证无人机负重平衡。支架立柱两侧的接收端线圈匝数和线径尺寸相同，如图2所示。接收端线圈匝数不易过多，否则会增加无人机负重，影响无人机飞行。
发射端包括发射端磁芯和发射端线圈。发射端磁芯整体呈“卧E”型，有三个凸起的磁柱7，分别设置在磁芯的两端和中间，呈方形。发射端磁芯可以是一整块大磁芯，也可以是多块小磁芯拼接而成。发射端磁芯相邻两个磁柱的间距小于单个接收线圈的轴向长度，单个磁柱的边长应大于两接收线圈的中间间距。发射端线圈包括至少三个发射端线圈，分别绕制在发射端磁芯的磁柱上。每个发射端线圈自上而下顺时针绕线，形成竖直的多层螺旋线圈，呈方形。发射线圈匝数10-20匝即可，过多会增加发射平台的高度。
发射端两端的两个发射端线圈所走电流相同，中间发射端线圈所走电流与两侧线圈电流相反，即中间线圈电流流向为顺时针，侧边的两个线圈电流流向则为逆时针。两侧发射端线圈产生的磁场方向相同，中间发射端线圈产生的磁场方向与两侧发射端线圈的磁场方向相反，即两侧线圈向上、中间线圈向下，这样在接收线圈处产生的磁场能够叠加增强。
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，使得接收端线圈位于发射端线圈的正上方。接收端线圈的中心轴线与发射端线圈中心轴线所组成的平面垂直于发射平台时，为最优对准位置，此时发射端线圈正交于接收螺旋线圈，充电效率最高。接收端线圈的中心轴线与发射端线圈的三个中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大于等于±50mm以上实现正常功率输出。
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，充电平台对应设置两个充电位，以满足无人机大功率的快速充电方式。
综上所述，本实例提出一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构。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 (10)

1.一种用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，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，接收端绕制于无人机支架底部横梁(9)上，
所述接收端包括接收端磁芯(1)和绕设在接收端磁芯(1)上的两个接收端线圈，所述接收端磁芯(1)为圆筒形，其套在无人机支架底部横梁(9)上，所述发射端包括发射端磁芯和绕设在发射磁芯上的发射端线圈，所述发射端磁芯包括三个发射端凸起的磁柱(7)和发射端磁性底板(8)，三个发射端凸起的磁柱(7)分别相互平行的设置在发射端磁性底板(8)的两端和中间，每个发射端凸起的磁柱(7)均绕有发射端线圈，两个接收端线圈分别位于三个发射端凸起的磁柱(7)的两个间隙上。
2.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，所述接收端磁芯(1)为柔性的纳米晶软磁体，贴附于无人机支架底部横梁(9)上，与支架横梁同轴嵌套，形成圆筒形磁芯，不影响横梁的圆柱形结构。
3.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，所述接收端线圈呈螺旋管型，沿无人机支架底部横梁(9)的方向，绕制于圆筒形接收端磁芯(1)的外围，同轴嵌套，由内到外依次为无人机支架底部横梁(9)、接收端磁芯(1)和接收端线圈。
4.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，所述接收端线圈包括接收端第一个横向螺旋线圈(2)和接收端第二个横向螺旋线圈(3)，所述接收端第一个横向螺旋线圈(2)和接收端第二个横向螺旋线圈(3)在无人机支架底部横梁(9)上对称分布，中间空余出一段距离，两线圈串联。
5.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，相邻两个发射端凸起的磁柱(7)的间距小于单个接收端线圈的轴向长度，中间磁柱的边长大于两接收端线圈中间空余的间距。
6.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，三个发射端线圈自上而下顺时针绕制，呈竖直的螺线管形，每个线圈的匝间距为0-10mm。
7.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，所述发射端凸起的磁柱(7)为立方体柱，发射端线圈的截面呈方形，发射端线圈螺线管外径大于接收端线圈外径。
8.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，每个发射端线圈的匝数为10-20匝。
9.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，发射端的两侧线圈所走电流相同，发射端的中间线圈所走电流与两侧线圈电流相反，发射端的两侧线圈产生的磁场方向相同，发射端中间线圈产生的磁场方向与发射端两侧线圈的磁场方向相反，这样在接收线圈处产生的磁场能够叠加增强。
10.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的轻量化正交型螺线管磁耦合机构，其特征在于，接收端线圈的中心轴线与发射端线圈中心轴线所组成的平面垂直于发射平台时，为最优对准位置，此时发射端线圈正交于接收端线圈，充电效率最高。
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