CN113060021B - 无人机无线充电平台发射及接收线圈设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，无线充电平台发射线圈包括发射端中心部磁芯骨架和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架、发射端中心部磁芯骨架上缠绕有中心绝缘线圈，每个发射端外侧包围部分磁芯骨架上均缠绕有外侧绝缘线圈，多个发射端外侧包围部分磁芯骨架均匀分布在发射端中心部磁芯骨架外侧；无线充电平台接收线圈包括接收端中心部磁芯骨架和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架、接收端中心部磁芯骨架上缠绕有中心绝缘线圈，每个接收端外侧包围部分磁芯骨架上均缠绕有外侧绝缘线圈，多个接收端外侧包围部分磁芯骨架均匀分布在接收端中心部磁芯骨架外侧。本发明解决了现有供电方式的不足。

Description

无人机无线充电平台发射及接收线圈设备

技术领域

本发明涉及输变电运维技术领域，具体地指一种无人机无线充电平台发射及接收线圈设备。

背景技术

架空电力线路的覆盖区域广、穿越区域地形复杂并且自然环境恶劣，为了掌握线路的运行状况，及时排除线路的潜在隐患，电力部门需要对输电线路及周边情况进行定期巡查，尽早发现可能存在的隐患，及时通知有关部门进行检修，确保输电线路供电安全。传统输电线路巡视主要依靠线路维护人员翻山越岭，通过人工配合相机及望远镜的方式巡查。遇到电网紧急故障和异常气候条件，传统巡线方式时间长、劳动强度大，不能完全适应现代化电网建设与发展的需求。

近年来，无人机技术的兴起与高速发展，为输电线路巡视提供了全新的思路。无人机具有携带方便、操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务用途广泛、起飞降落对环境的要求低、可自主飞行等优势。将无人机应用到电力巡线方面可大大提高电力维护和检修的速度和效率，降低作业人员劳动强度，提高作业人员安全性，降低作业成本，并且巡线速度快、应急迅速，在出现自然灾害的情况下仍然能够对受灾区域的电力线路进行巡检，同时能够及时发现各类缺陷、避免各种线路事故的发生。因此，巡线无人机一经问世，就在国内各地电网公司得到了广泛的关注。但是，无人机续航时间短是缺点之一。如何提高续航能力也一直是研究热点，目前采用增加电池容量、减轻无人机机身、激光供电、太阳能供电等方法，但是效果不佳。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，本发明采用共振磁耦合无线输电规律，并将该技术应用到无人机系统中，提高了无人机巡检距离，解决了现有供电方式的不足。

为实现此目的，本发明所设计的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：它包括位于无线充电平台上的无线充电平台发射线圈和位于无人机上的无线充电平台接收线圈，所述无线充电平台发射线圈包括发射端中心部磁芯骨架和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架、所述发射端中心部磁芯骨架上缠绕有中心绝缘线圈，每个发射端外侧包围部分磁芯骨架上均缠绕有外侧绝缘线圈，所述多个发射端外侧包围部分磁芯骨架均匀分布在发射端中心部磁芯骨架外侧；

无线充电平台接收线圈包括接收端中心部磁芯骨架和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架、所述接收端中心部磁芯骨架上缠绕有中心绝缘线圈，每个接收端外侧包围部分磁芯骨架上均缠绕有外侧绝缘线圈，所述多个接收端外侧包围部分磁芯骨架均匀分布在接收端中心部磁芯骨架外侧。

本发明的有益效果：

本发明采用的上述设计，使得无线充电平台发射线圈和无线充电平台接收线圈中空间的磁通分布的设计是均匀的，磁场转换效率高，空间漏磁小。另外上述结构的结构简单，重量轻，能减小无人机巡检时需携带的重量，减小巡航阻力，节约能耗。

附图说明

图1为本发明中无线充电平台发射线圈的结构示意图；

图2为本发明中无线充电平台接收线圈的结构示意图。

其中，1—无线充电平台发射线圈、1.1—发射端中心部磁芯骨架、1.2—发射端外侧包围部分磁芯骨架、2—无线充电平台接收线圈、2.1—接收端中心部磁芯骨架、2.2—接收端外侧包围部分磁芯骨架、3—中心绝缘线圈、4—外侧绝缘线圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，它包括位于无线充电平台上的无线充电平台发射线圈1和位于无人机上的无线充电平台接收线圈2，所述无线充电平台发射线圈1，如图1所示，包括发射端中心部磁芯骨架1.1和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2、所述发射端中心部磁芯骨架1.1上缠绕有中心绝缘线圈3，每个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2上均缠绕有外侧绝缘线圈4，所述多个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2均匀分布在发射端中心部磁芯骨架1.1外侧；

无线充电平台接收线圈2，如图2所示，包括接收端中心部磁芯骨架2.1和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2、所述接收端中心部磁芯骨架2.1上缠绕有中心绝缘线圈3，每个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2上均缠绕有外侧绝缘线圈4，所述多个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2均匀分布在接收端中心部磁芯骨架2.1外侧，上述无线充电平台发射线圈1和无线充电平台接收线圈2实现了多发射线圈的组合排布的阵列型线圈结构。发射端中心部磁芯骨架1.1和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2，以及接收端中心部磁芯骨架2.1和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2为并行独立阵列形式，各个磁芯骨架上的线圈均无电连接关系。上述设计方案使得无线充电平台发射线圈1和无线充电平台接收线圈2中空间的磁通分布的设计是均匀的，磁场转换效率高，空间漏磁小。另外上述结构的结构简单，重量轻，能减小无人机巡检时需携带的重量，减小巡航阻力，节约能耗。

上述技术方案中，所述无线充电平台发射线圈1与无线充电平台接收线圈2之间通过磁共振耦合进行无线能量传递。解决了输电线路高压侧与低压侧的绝缘问题；

本发明中无线充电平台通过阵列线圈与无人机接收线圈进行耦合并采用共振磁耦合方式无线传递能量，增加了无人机的有效续航(当前无人机巡航能源来源于电池，而受限于重量因素，电池往往不能配得太多，通常无人机电池支持2小时续航就必须返航换电池，而采用无线充电方式无人机沿杆塔附近就可以无接触补电，可以边飞行边充电，不需要返航)，解决了无人机返航精度不足的问题(无人机运行电量不足时，会优先保证飞行的动力，其它定位、飞行控制、操作所需能量会减少，定位、飞行控制等方面的性能也会有所降低)。

上述技术方案中，所述发射端中心部磁芯骨架1.1和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2均固定在无线充电平台的环氧树脂骨架上，上述设计可以减轻重量，保证磁场分布更均匀；

接收端中心部磁芯骨架2.1和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2均固定在无人机底部的环氧树脂骨架上，便于充电。

上述技术方案中，所述发射端中心部磁芯骨架1.1和接收端中心部磁芯骨架2.1均为圆柱体磁芯骨架，发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2和接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2均为圆台展开体磁芯骨架。

上述技术方案中，所述发射端中心部磁芯骨架1.1上缠绕的中心绝缘线圈3与各个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2上缠绕的外侧绝缘线圈4之间的距离均相等，且距离范围均为6～10mm；

相邻的两个发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2上缠绕的外侧绝缘线圈4之间的距离均相等，且距离范围均为2～4mm；

所述接收端中心部磁芯骨架2.1上缠绕的中心绝缘线圈3与各个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2上缠绕的外侧绝缘线圈4之间的距离均相等，且距离范围均为6～10mm；

相邻的两个接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2上缠绕的外侧绝缘线圈4之间的距离均相等，且距离范围均为2～4mm，上述设计既保证安装装配的便捷性，也能保证磁场分布的均匀性及磁场的聚集。

上述技术方案中，所述发射端中心部磁芯骨架1.1和接收端中心部磁芯骨架2.1上缠绕中心绝缘线圈3时每绕N匝则绕一层铜带；

所述发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2和接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2上缠绕外侧绝缘线圈4时每绕N匝则绕一层铜带，N的选取由线圈及磁芯的实际参数来确定，本实施例中N取14。该设计形式能得到较低的谐振频率，该频率是本发明中线圈和磁芯的组合拥有的固有谐振频率。

上述技术方案中，所述无线充电平台发射线圈1与无线充电平台接收线圈2为同轴布置，无线充电平台发射线圈1与无线充电平台接收线圈2之间的距离范围为5～30cm。该设计可以保证充电效率最高，也可以满足不接触充电的需求。

上述技术方案中，所述发射端中心部磁芯骨架1.1、发射端外侧包围部分磁芯骨架1.2、中心部磁芯骨架2.1和接收端外侧包围部分磁芯骨架2.2均为铁氧体磁芯骨架。铁氧体磁芯骨架为高磁导率材料，它能够在不改变发射端体积的情况下减弱近场衰减提升电能传输能力。

上述技术方案中，所述中心绝缘线圈3和外侧绝缘线圈4均为平面螺旋线圈。平面螺旋线圈空间磁场利用率更高，漏磁小。

上述技术方案中，所述无线充电平台发射线圈1的能量来自上级高压取能设备发射线圈，无线充电平台接收线圈2用于将能量传输给无人机电源部分的整流电路。安置在无人机底部。

本发明采用共振磁耦合无线输电规律，提高无人机巡检距离(这种方式最大的特点是可以在巡检过程中为电池补电而不需要无人机返航更换电池，且可以实现在杆塔充电平台上充电)，解决现有供电方式的不足。本发明提升无人机现场运维充电效率(按现有方式：换电池，或是将电池拿到最近的休息点或操作室进行充电，而实际巡检地理条件都很艰苦，有些需要在大山里面，很难找到满足条件的充电点)，通过共振磁耦合技术对无人机进行无线充电，待电量充足时继续巡检。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：它包括位于无线充电平台上的无线充电平台发射线圈(1)和位于无人机上的无线充电平台接收线圈(2)，所述无线充电平台发射线圈(1)包括发射端中心部磁芯骨架(1.1)和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)、所述发射端中心部磁芯骨架(1.1)上缠绕有中心绝缘线圈(3)，每个发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)上均缠绕有外侧绝缘线圈(4)，所述多个发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)均匀分布在发射端中心部磁芯骨架(1.1)外侧；

无线充电平台接收线圈(2)包括接收端中心部磁芯骨架(2.1)和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)、所述接收端中心部磁芯骨架(2.1)上缠绕有中心绝缘线圈(3)，每个接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)上均缠绕有外侧绝缘线圈(4)，所述多个接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)均匀分布在接收端中心部磁芯骨架(2.1)外侧；

所述发射端中心部磁芯骨架(1.1)和接收端中心部磁芯骨架(2.1)上缠绕中心绝缘线圈(3)时每绕N匝则绕一层铜带；

所述发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)和接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)上缠绕外侧绝缘线圈(4)时每绕N匝则绕一层铜带。

2.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述无线充电平台发射线圈(1)与无线充电平台接收线圈(2)之间通过磁共振耦合进行无线能量传递。

3.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述发射端中心部磁芯骨架(1.1)和多个发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)均固定在无线充电平台的环氧树脂骨架上；

接收端中心部磁芯骨架(2.1)和多个接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)均固定在无人机的环氧树脂骨架上。

4.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述发射端中心部磁芯骨架(1.1)和接收端中心部磁芯骨架(2.1)均为圆柱体磁芯骨架，发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)和接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)均为圆台展开体磁芯骨架。

5.根据权利要求1或4所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述发射端中心部磁芯骨架(1.1)上缠绕的中心绝缘线圈(3)与各个发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)上缠绕的外侧绝缘线圈(4)之间的距离均相等，且距离范围均为6～10mm；

相邻的两个发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)上缠绕的外侧绝缘线圈(4)之间的距离均相等，且距离范围均为2～4mm；

所述接收端中心部磁芯骨架(2.1)上缠绕的中心绝缘线圈(3)与各个接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)上缠绕的外侧绝缘线圈(4)之间的距离均相等，且距离范围均为6～10mm；

相邻的两个接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)上缠绕的外侧绝缘线圈(4)之间的距离均相等，且距离范围均为2～4mm。

6.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述无线充电平台发射线圈(1)与无线充电平台接收线圈(2)为同轴布置，无线充电平台发射线圈(1)与无线充电平台接收线圈(2)之间的距离范围为5～30cm。

7.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述发射端中心部磁芯骨架(1.1)、发射端外侧包围部分磁芯骨架(1.2)、接收端中心部磁芯骨架(2.1)和接收端外侧包围部分磁芯骨架(2.2)均为铁氧体磁芯骨架。

8.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述中心绝缘线圈(3)和外侧绝缘线圈(4)均为平面螺旋线圈。

9.根据权利要求1所述的无人机无线充电平台发射及接收线圈设备，其特征在于：所述无线充电平台发射线圈(1)的能量来自上级高压取能设备发射线圈，无线充电平台接收线圈(2)用于将能量传输给无人机电源部分的整流电路。

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