CN114379388A - 一种无人机无线充电结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人机无线充电结构，是一种为无人机进行无线充电的新型耦合结构，属于电力工程领域。对传统的无人机无线充电系统的发射结构和接收结构的耦合结构进行改进。其中发射结构位于地面，由环绕在锰锌铁氧体磁块上的多匝利兹线构成，锰锌铁氧体磁块上部左右两端各设有凸起铁氧体块，用于无人机上的接收结构降落在其上。所述接收结构为将缠绕着多匝利兹线的轻型锰锌铁氧体棒水平固定在无人机底端支架的横梁下，其利兹线绕制方法与发射结构利兹线绕制方法一致。本发明结合无人机的特殊构架，解决无人机有线充电的束缚，具有抗偏移耦合效果好的特点，可实现更加简便实用高效安全环保的无人机无线充电。
Description
技术领域
本发明属于电力工程领域，涉及一种对无人机充电的新型无线充电耦合结构。
背景技术
无人机作为一种代表着高机动性能、高灵敏性的交通设备，近年来在生活中的使用逐渐广泛，下到生活娱乐，玩具玩耍，高空摄影，上到抢险救灾，边防巡逻，都有着无人机的身影。无人机集群具有部署灵活、响应灵敏等显著特点，在森林防护、抢险救灾、边防巡逻、岛屿无人值守等领域被运用得淋漓尽致，有着绝对压倒性的优势，往往能在环境监控、国土安全防护、抢险救灾等方面获得第一手信息，有着巨大的应用前景。
而无人机由于其电池容量往往有限，且自生对载重尤为敏感，因此常规的做大电池的方法不能从根本上解决由此引发的巡航路径小的问题，如何快速的电能补给是能否有效运用无人机优势亟需解决的问题。
而无线电能传输技术的发展给更加高效安全、绿色环保、灵活多变的运用无人机提供了新的思路，解决其电能补给不足的问题，充分发挥其无人值守的绝对优势。
现有的一些无线充电结构，要么结构过于复杂，不便于在无人机上使用；要么过于简洁，使用的安全可靠性需要进一步提高。故需要一种能有效适用无人机特有构造的无线充电结构。
发明内容
本发明为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种更加简便可行且高效的无人机无线充电新型耦合结构。电网工频电源经过整流逆变后产生高频交变电流经由整流逆变，通过设计合适的补偿网络，由耦合结构发射，将电能转换为电磁场能量，对应耦合接收结构接收发射端发出的电磁场能量，再通过整流装置后，恒压恒流装置给无人机电池均压充电。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
传统的无人机无线充电系统一般由电源模块或者直接接市电，经由整流逆变，再通过设计合适的补偿网络，由耦合结构发射，将电能转换为电磁场能量，对应耦合接收结构接收发射端发出的电磁场能量，再通过整流装置后，给无人机电池充电。而本发明就是针对发射结构和接收结构的耦合结构进行设计改进，通过一种新型的耦合结构，结合无人机的特殊构架，实现更加简便实用高效的无人机无线充电。
一种新型无人机无线充电结构，对发射结构和接收结构的耦合结构进行设计得到改进的耦合结构，其整体结构图如附图1所示。所述的耦合结构由发射结构和接收结构两部分组成：
所述的发射结构如图2所示，位于地面，发射结构由环绕在锰锌铁氧体磁块上的多匝利兹线构成，锰锌铁氧体磁块上部左右两端各设有一小部分突出的长方形磁体底座，用于无人机上的接收结构降落在其上，凸起部分与底端锰锌铁氧体磁块为同一块锰锌铁氧体整体。其中多匝利兹线环绕在锰锌铁氧体磁块中部的效果最好。
所述的接收结构如图3所示，将缠绕着多匝利兹线的轻型锰锌铁氧体棒水平固定在无人机底端支架的横梁下(无人机底座支架横梁与接收结构位置连接结构图如图4)，其利兹线绕制方法与发射结构利兹线绕制方法一致，且锰锌铁氧体棒的棒形上下带有平面结构，可平稳放置在平面上。其中多匝利兹线环绕在锰锌铁氧体棒中部的效果最好。
使用时，当无人机想降落进行充电，只需要将位于无人机底端的缠绕着利兹线的锰锌铁氧体棒的两端正好精准降落到位于地面的发射结构的两个突出的长方体磁体底座上，发射和接受部分的锰锌铁氧体紧密接触构成一个整体，形成回路，发射结构和接受结构接触后，发射结构的锰锌铁氧体平面(非突起部分)与接收结构的锰锌铁氧体棒间距在0.5-2cm之间，且发射结构上和接收结构上缠绕的利兹线不接触，即可构成一个较好的发射和接受的磁场耦合结构。实验发现，无人机降落后，这种形状的结构下，无人机的自重会让铁氧体棒与底座紧密接触，上下磁体构成一个整体，当发射端通电后，发射端的磁场能量可大量有效地经由磁体内部传递到接收端，高效的传输能量的同时，还能减少磁铁对外部设备和人体的辐射干扰。同时由于其独特的设计结构，具有一定的抗接收线圈偏移的能力，接收线圈水平发生上下左右3.5cm内的偏移，都不会影响充电效果，而且当发射线圈和接收平面在水平上出现小于30度的角度偏移(即发射磁块水平对称轴线与接收磁棒放置方向有夹角)，也不会影响到充电效果。
此新型耦合结构无人机无线充电系统基本电路结构如图5，使用
表示交流电，D1-D4、D5-D8八个二极管，构成两套不控整流桥，C1、C2为对应的整流滤波电容，V1-V4为高频逆变器的MOSFET晶体管，Lp、Ls分别为原边谐振线圈(上述图2发射结构中的利兹线圈)和副边谐振线圈(上述图3接收结构中的利兹线圈)的等效电感，M为原副边线圈Lp、Ls间的互感，L为原边补偿谐振线圈电感，C为原边并联补偿电容，Cp为原边串联补偿电容，Rp为原边谐振线圈内阻，Rs为副边谐振线圈内阻，Cs为副边串联补偿电容，R1为副边等效电阻，Io为原边电源输出电流向量，I1为原边谐振线圈等效输入电流相量，I2为副边侧等效输出电流相量。当系统工作的频率为100kHz时，各元器件其具体数值如下：L＝LS＝50uF，LP＝100uF，M＝40uF，CP＝CS＝C＝50.66nF，C1＝C2＝500mF，RP＝RS＝0.1Ω，R＝20Ω，
当满足上述数据时，上述图2发射结构中的利兹线圈匝数为15匝，上述图3接收结构中的利兹线圈匝数为14匝，发射结构的锰锌铁氧体平面(非突起部分)与接收结构的锰锌铁氧体棒之间间距为0.7cm，根据LCC阻抗补偿公式，此时原边和副边电感电容处于谐振状态，实验中，负载电池两端可以稳定接收14伏左右电压，充电效率达到了80％以上，考虑到实验中诸多器件损耗，设计的此新型耦合结构方案可以较好的实现无人机的无线充电。
本发明的有益效果为：
(1)通过设计其独特的结构，既符合无人机的结构特性，又能达到磁场能量无线传输所需较好的耦合效果以及抗偏移能力，从而达到方便实用，高效安全环保的无人机无线电能传输目的。其特殊的线圈绕制特定形状锰锌铁氧体上的发射结构与接收结构，以及这两者所摆放组合形成的独特耦合结构。
(2)本发明能够解决无人机有线充电的束缚，同时提出的这种新型无人机充电结构，更加简单高效安全，更加切合无人机特殊构造方便使用。为无人机无线充电的广泛使用提出了新的思路。
附图说明
图1是无人机无线充电系统中新型耦合结构整体示意图。图1(a)为主视图；图1(b)为俯视图；图1(c)为侧视图。
图2是无人机无线充电系统中新型耦合结构中发射部分结构示意图。图2(a)为主视图；图2(b)为俯视图；图2(c)为侧视图。
图3是无人机无线充电系统中新型耦合结构中接收部分结构示意图。图3(a)为主视图；图3(b)为俯视图；图3(c)为侧视图。
图4是无人机底座支架横梁与接收结构位置连接结构示意图。
图5是新型耦合结构无人机无线充电系统基本电路结构。
图6为本发明整体示意图。
图中：1接收结构锰锌铁氧体棒；2接收结构利兹线圈；3发射结构锰锌铁氧体块；4发射结构利兹线圈；5凸起铁氧体块。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种新型无人机无线充电结构，对发射结构和接收结构的耦合结构进行设计得到改进的耦合结构，其整体结构图如附图1所示。所述的耦合结构由发射结构和接收结构两部分组成。其独特的线圈绕制特定形状磁体上的发射结构与接收结构，以及这两者所摆放组合形成的独特耦合结构。
所述的发射结构如图2所示，位于地面，发射结构由环绕在锰锌铁氧体磁块3上的多匝利兹线4构成，锰锌铁氧体磁块3上部左右两端各设有凸起铁氧体块5，为一小部分突出的长方形磁体底座，用于无人机上的接收结构降落在其上，凸起部分与底端锰锌铁氧体磁块为同一块锰锌铁氧体整体。
所述的接收结构如图3所示，将缠绕着多匝利兹线2的轻型锰锌铁氧体棒1水平固定在无人机底端支架的横梁下(无人机底座支架横梁与接收结构位置连接结构图如图4)，其利兹线绕制方法与发射结构利兹线绕制方法一致，且锰锌铁氧体棒1的棒形上下带有平面结构，可平稳放置在平面上。
使用时，当无人机想降落进行充电，只需要将位于无人机底端的缠绕着利兹线的锰锌铁氧体棒的两端正好精准降落到位于地面的发射结构的两个突出的长方体磁体底座上，发射和接受部分的锰锌铁氧体紧密接触构成一个整体，形成回路，发射结构和接受结构接触后，发射结构的锰锌铁氧体平面(非突起部分)与接收结构的锰锌铁氧体棒间距在0.5-2cm之间，且发射结构上和接收结构上缠绕的利兹线不接触，即可构成一个较好的发射和接受的磁场耦合结构。实验发现，无人机降落后，这种形状的结构下，无人机的自重会让铁氧体棒与底座紧密接触，上下磁体构成一个整体，当发射端通电后，发射端的磁场能量可大量有效地经由磁体内部传递到接收端，高效的传输能量的同时，还能减少磁铁对外部设备和人体的辐射干扰，同时具有一定的抗接收线圈偏移的能力。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种无人机无线充电结构，是一种为无人机进行无线充电的新型耦合结构，对发射结构和接收结构的耦合结构进行设计得到改进的耦合结构，其特征在于，所述的耦合结构由发射结构和接收结构两部分组成：
所述的发射结构位于地面，由环绕在锰锌铁氧体磁块上的多匝利兹线构成，锰锌铁氧体磁块上部左右两端各设有一块凸起铁氧体块，用于无人机上的接收结构降落在其上，其中凸起部分与锰锌铁氧体磁块为一体结构；
所述的接收结构，由环绕在锰锌铁氧体棒上的多匝利兹线构成，锰锌铁氧体棒水平固定在无人机底端支架的横梁下；其利兹线绕制方法与发射结构利兹线绕制方法相同，且锰锌铁氧体棒的棒形上下带有平面结构，能够平稳放置在平面上；
使用时，当无人机想降落进行充电，将位于无人机底端的缠绕着利兹线的锰锌铁氧体棒的两端精准降落到位于地面的发射结构的两个突出的长方体磁体底座上，无人机自重让锰锌铁氧体棒与凸起铁氧体块紧密接触，使发射和接受部分的磁体构成一个整体，形成回路；发射结构和接受结构接触后，发射结构的锰锌铁氧体平面与接收结构的锰锌铁氧体棒间距在0.5-2cm之间，且发射结构上和接收结构上缠绕的利兹线不接触，即可构成发射和接受的磁场耦合结构，且具有抗线圈偏移能力。
2.根据权利要求1所述的一种无人机无线充电结构，其特征在于，所述的发射结构和接受结构紧密接触后，发射结构的锰锌铁氧体平面与接收结构的锰锌铁氧体棒间距优选为0.7cm。
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Application publication date: 20220422 |