RU222850U1 - Устройство вторичного электропитания и подзарядки аккумуляторных батарей для беспилотных летательных аппаратов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) и комплексам авианаблюдения для дистанционного видео- и фотозондирования поверхности Земли, мониторинга техногенных и природных объектов, ретрансляции радио- и оптических сигналов, скрытного наблюдения и при бесконтактном отборе мощности от линий электропередач высокого напряжения (ВЛ), и может быть использована также для подзарядки аккумуляторных батарей пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Технической задачей предлагаемого устройства является обеспечение увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА эффективного устройства отбора мощности от ВЛ во время полета БЛА малых массогабаритных параметров. Предлагаемая полезная модель содержит устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач, приемник потребителя электрической энергии беспроводной зарядной системы, состоящий из многослойной плоской разомкнутой обмотки, соединенной, соответственно, последовательно, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя, модуля плавного подключения нагрузки, регулируемого преобразователя напряжения и дополнительного аккумулятора, причем многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка, размещенная на верхней и нижней консолях крыла, выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла и при этом между витками обмотки размещен материал с высокой магнитной проницаемостью. 7 ил.

Description

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) и комплексам авианаблюдения для дистанционного видео- и фотозондирования поверхности Земли, мониторинга техногенных и природных объектов, ретрансляции радио- и оптических сигналов, скрытного наблюдения и при бесконтактном отборе мощности от воздушных линий электропередач высокого напряжения (ВЛ) и может быть использована как устройство вторичного электропитания, а также для подзарядки аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов.

В настоящее время конструкторскими бюро и предприятиями промышленности разрабатывается и выпускается большое количество БЛА разнообразных типов и классов, например, построенных по самолетной схеме, по вертолетной схеме или, в частности, многороторных мультикоптеров различного назначения. Преимуществом обладают конструкции БЛА, позволяющие обеспечить достаточные для решения задач применения грузоподъемность, безопасность и продолжительность полета.

Укажем, что подавляющее большинство (более 95%) малогабаритных БЛА коммерческого назначения в качестве источника питания используют аккумуляторные батареи, обладающие высокой плотностью энергии на килограмм массы, например, литий-полимерные (Li-Po), литий-ионные (Li-Ion), литий-оксидные (Li-Air), литий-серные (Li-S) и др. Однако простое добавление аккумуляторных батарей в конструкцию БЛА не приведет к увеличению дальности и времени полета и полезной грузоподъемности.

Для достижения более высокой полезной грузоподъемности и более продолжительного времени полета также необходимо у бортового источника энергии учитывать удельную энергию - то есть, количество мощности [Вт⋅ч] на единицу массы [кг] и количество мощности [Вт⋅ч] на единицу объема [дм]. Поэтому приведение указанной задачи только к бортовому источнику энергии будет неправомерным, так как вся система (бортовой источник энергии и двигательный комплекс) влияет на летные характеристики БЛА. Бортовой источник с высокой плотностью энергии (например, различные виды жидкого топлива - этанол, керосин и др. или водород (Н₂), солнечные элементы, СВЧ и лазерная зарядка) не даст преимуществ в увеличении продолжительности полета, если при этом двигательный комплекс БЛА (например, топливные элементы, двигатели внутреннего сгорания различного типа) имеют значительные массогабаритные характеристики. При этом коэффициенты эффективности двигательных комплексов БЛА также различаются весьма значительно - аккумуляторные батареи и бортовой электродвигатель в среднем преобразуют порядка 70% энергии в движение БЛА, топливные элементы обеспечивают не более 40…44%, а двигатели внутреннего сгорания различных типов в среднем 35…39%. Поэтому следующим важным фактором, влияющим на выбор бортового источника энергии, является цель полета. Поясним, что имеющиеся на сегодняшний день разнообразные источники энергии БЛА и их гибридное использование имеют свои индивидуальные преимущества, выбираемые потребителем для эффективного выполнения цели полета.

Известен беспилотный летательный аппарат, включающий в себя центральную платформу, на концах осей, вторые концы которых жестко закреплены на ней и ориентированы относительно ее центра, жестко закреплены электродвигатели с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения. Диаметрально расположенные двигатели имеют встречное направление вращения. Электродвигатели связаны с аккумуляторной батареей и маршрутной вычислительной системой, мобильным пультом управления и контроля, системой видеонаблюдения и приемником GPS-навигации [см. патент РФ №2518440 от 2012 г.].

Недостатком данного устройства является то, что чисто механическое увеличение количества винтомоторных групп, требует пропорционального увеличения емкости аккумуляторных батарей, что приводит к пропорциональному увеличению их массы и в результате продолжительность и дальность полета могут в конечном результате и не увеличиться, а также недостатком данного устройства является и то, что повышение грузоподъемности приводит к уменьшению продолжительности полета, либо наоборот.

Известен способ бесконтактного отбора мощности от трехфазной линии передачи высокого напряжения [см. патент РФ №2476967 от 2013 г.]. Устройство содержит одноцепные опоры каждая с поперечной траверсой, на которых через высоковольтные изоляторы подвешены фазные провода трехфазной линии, первичный преобразователь с выходными зажимами, которые присоединены к входным зажимам преобразователя-регулятора напряжения, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, при этом первичный преобразователь выполнен в виде плоской металлической сетки, лежащей на земле, с которой осуществляется отбор мощности.

Недостатком данного способа является стационарное исполнение и значительная масса конструкции устройства.

Из уровня техники известен малоразмерный беспилотный летательный аппарат для диагностики высоковольтных электроустановок [см. патент РФ №149070 от 2014 г.]. Беспилотный летательный аппарат (БЛА) для диагностики высоковольтных электроустановок содержит портативный компьютер, систему автоматического пилотирования БЛА и измерительную аппаратуру, при этом система автоматического пилотирования БЛА содержит устройство автоматического пилотирования, блок навигации и датчики измерения напряженности магнитного поля, причем портативный компьютер соединен с устройством автоматического пилотирования, блоком навигации, датчиками измерения напряженности магнитного поля, измерительной аппаратурой, а также с удаленным устройством радиоуправления. БЛА дополнительно содержит вращающиеся элементы, систему магнитных антенн, аккумуляторную батарею и подзаряжающее устройство, при этом подзаряжающее устройство содержит последовательно соединенные накопитель электроэнергии и систему снабжения БЛА электроэнергией, которая соединена с портативным компьютером и аккумуляторной батареей, а система магнитных антенн встроена во вращающиеся элементы и соединена гальванической связью с накопителем электроэнергии и магнитной связью с высоковольтной электроустановкой.

Недостатком устройства является малая габаритная мощность антенн, установленных на вращающихся элементах БЛА, также недостатком является способ регулирования отбираемой мощности путем изменения расстояния от БЛА до линии электропередач. Размещение магнитных антенн во вращающихся элементах БЛА увеличивает их момент инерции и повышает расход энергии на поддержание полета.

Известен малоразмерный беспилотный летательный аппарат для диагностики высоковольтных электроустановок [см. патент РФ №149071 от 2014 г.]. Беспилотный летательный аппарат (БЛА) для диагностики высоковольтных электроустановок содержит портативный компьютер, систему автоматического пилотирования БЛА и измерительную аппаратуру, при этом система автоматического пилотирования БЛА содержит устройство автоматического пилотирования, блок навигации и датчики измерения напряженности электрического поля, причем портативный компьютер соединен с устройством автоматического пилотирования, блоком навигации, датчиками измерения напряженности электрического поля, измерительной аппаратурой, а также с удаленным устройством радиоуправления. БЛА дополнительно содержит систему электрических антенн, аккумуляторную батарею и подзаряжающее устройство, при этом подзаряжающее устройство содержит последовательно соединенные накопитель электроэнергии и систему снабжения БЛА электроэнергией, которая соединена с портативным компьютером и аккумуляторной батареей, а система электрических антенн соединена гальванической связью с накопителем электроэнергии и электрической связью с высоковольтной ЛЭП.

Недостатком устройства является малая габаритная мощность антенн, установленных на законцовках крыльев или на вращающихся элементах БЛА и способ регулирования отбираемой мощности путем изменения расстояния от БЛА до линии электропередач. Размещение электрических антенн во вращающихся элементах БЛА увеличивает их момент инерции и повышает расход энергии на поддержание полета.

Известно устройство бесконтактного отбора мощности от линий электропередач высокого напряжения на летательном аппарате [см. патент РФ №165295 от 2015 г.]. Устройство содержит систему антенн, преобразователь, устройство управления и накопитель электроэнергии. Система антенн выполнена в виде стационарной рамочной антенны, закрепленной на корпусе летательного аппарата и регулирующей рамочной антенны. Корпус летательного аппарата представляет собой каркас стационарной рамочной антенны. Регулирующая рамочная антенна закреплена на корпусе летательного аппарата посредством карданового подвеса с возможностью ее пространственной ориентации относительно стационарной рамочной антенны. Кардановый подвес регулировочной рамочной антенны выполнен в виде трех рамок, соединенных приводами управления.

Недостатком устройства является его значительные массогабаритные характеристики и сложность, обусловленные, в том числе применением трехстепенного карданова подвеса с приводами управления для установки регулировочной рамочной антенны на БЛА.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству и принятым за прототип является устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата по патенту авторов (ПМ) №209690 от 18.03.2022 г. в котором увеличение продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности малых массогабаритных характеристик во время полета БЛА, достигается за счет того, что в устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата, содержащее устройство управления и накопитель электроэнергии, дополнительно введены устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач и приемник потребителя электрической энергии, при этом выход устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач соединен с входом приемника потребителя электрической энергии, состоящим из многослойной плоской разомкнутой обмотки, соответственно последовательно соединенной, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя, модуля плавного подключения нагрузки, регулируемого преобразователя напряжения и дополнительного аккумулятора, а выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен со счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем, выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки, выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения, к выходу которого подключен аккумулятор, причем многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла и внутри консолей крыла по их продольной оси для увеличения индуктивности установлены изолированные пластины плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава.

Недостатком устройства является его невысокая эффективность, обусловленная особенностями бесконтактного отбора мощности от ВЛ во время полета БЛА, а также значительные габариты из-за расположения внутри консолей крыла изолированных пластин плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава, выполняющих роль магнитопровода.

Технической задачей предлагаемого устройства является создание устройства для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности повышенной эффективности от ВЛ во время полета БЛА и уменьшенных массогабаритных параметров.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в увеличении продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности от ВЛ во время полета БЛА повышенной эффективности и уменьшенных массогабаритных параметров.

Заявленный технический результат, а именно увеличение продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности повышенной эффективности и малых массогабаритных параметров во время полета БЛА, достигается за счет того, что в устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата, содержащее устройство управления и накопитель электроэнергии, дополнительно введены устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач и приемник потребителя электрической энергии, при этом выход устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач соединен с входом приемника потребителя электрической энергии, состоящим из многослойной плоской разомкнутой обмотки, соответственно последовательно соединенной, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя, модуля плавного подключения нагрузки, регулируемого преобразователя напряжения и дополнительного аккумулятора, а выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен со счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем, выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки, выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения, к выходу которого подключен аккумулятор, причем многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла, между витками которой дополнительно размещен материал с высокой магнитной проницаемостью.

В качестве БЛА авторы рассматривают беспилотный летательный аппарат, конструкция которого основана на самолетной схеме.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами. Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного устройства с использованием чертежей, на которых показано: фиг. 1 - блок-схема заявляемого устройства; фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг 7 - результаты выполненных расчетов плоской катушки с размещенным между ее витками ферри-ферромагнетиком.

На фиг. 1 цифрами обозначены следующие позиции:

1 - устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач; 2 - приемник потребителя электрической энергии; 3 - многослойная плоская разомкнутая соответственно последовательно соединенная обмотка; 4 - счетчик потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемый выпрямитель; 5 - модуль плавного включения нагрузки; 6 - регулируемый преобразователь напряжения; 7 - аккумулятор (накопитель электроэнергии).

Устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата содержит установленные на БЛА устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач (1) и приемник потребителя электрической энергии (2), при этом выход устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач (1) соединен с входом приемника потребителя электрической энергии (2), состоящим из многослойной плоской разомкнутой обмотки (3), соответственно последовательно соединенной, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя (4), модуля плавного подключения нагрузки (5), регулируемого преобразователя напряжения (6) и дополнительного аккумулятора (7), а выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен со счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем (4), выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки (5), выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения (6), к выходу которого подключен аккумулятор (7), причем многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла, между витками которой дополнительно размещен материал с высокой магнитной проницаемостью.

Материал с высокой магнитной проницаемостью, дополнительно размещенный между витками обмотки, может быть установлен, например, путем напыления.

Устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата функционирует следующим образом. Перед стартом БЛА в его устройство управления вводятся данные о местонахождении и характеристиках высоковольтных ЛЭП, располагающихся в зоне выполнения полета. При снижении заряда аккумуляторных батарей БЛА во время полета до определенного уровня БЛА выполняет полет к ближайшей ВЛ. По сигналам устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач (1), установленного на его борту, БЛА обнаруживает ВЛ и затем совершает многократный пролет на высоте ближайшего к нему провода ВЛ на расстоянии 3…10 (м) от него параллельно ему на расстояние, например, 600…800 (м) и обратно, выполняя при этом подзарядку аккумуляторных батарей.

При этом в качестве устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач (1) может быть использована, например, разработка авторов [см. патент (ПМ) РФ №150934, 2014 г. Устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач].

В электромагнитном поле воздушной линии электропередач высокого напряжения приемник потребителя электрической энергии (2), состоящий из многослойной плоской разомкнутой обмотки (3), соответственно последовательно соединенной, является разомкнутым проводником, напряжение на концах которого равно ЭДС взаимоиндукции. При этом - поскольку многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла БЛА и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла, между витками которой дополнительно размещен материал с высокой магнитной проницаемостью, то это повышает эффективность преобразования бесконтактного отбора электрической энергии ЛЭП для зарядки аккумуляторных батарей БЛА.

При этом выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен со счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем (4), выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки (5), выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения (6), к выходу которого подключен аккумулятор (7).

В работах авторов [В.К. Sivyakov, А.А. Skripkin, D.B. Sivyakov. Detection of the Air High-Voltage Power Lines by Electric and Magnetic Fields of the Industrial Frequency. "Russian Aeronautics", №3, 2015, Allerton Press, USA; B.K. Sivyakov, A.A. Skripkin, A.A., D.B. Sivyakov. Magnetic and Electric Fields of High Voltage Air Power Lines of Industrial Frequency. Advanced Engineering Forum, ISSN: 2234-99IX, Vol.36, pp.23-27; doi:10.4028/www.scientific.net/AEF.36.23; © 2020 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland; Сивяков Б.К. Математические модели для аналитического расчета магнитного и электрического полей высоковольтных ЛЭП / Б.К. Сивяков // Вопросы электротехнологии. 2020. №1 (26). с. 46-51; Сивяков Б.К. Анализ возможности обнаружения проводов высоковольтных воздушных линий электропередачи с целью обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов / Б.К. Сивяков, А.А. Скрипкин, Д.Б. Сивяков // Изв. вузов. Авиационная техника. 2022. №2 с. 158-161 и др.] приведены полученные величины индукции магнитных полей разнообразных типов ЛЭП на различных расстояниях от них. В зависимости от величины напряжений, текущей нагрузки и тока в ВЛ - (110 kV, 220 kV, 500 kV) на расстояниях 3…10 (м) до ближнего провода ВЛ к БЛА величина индукции магнитного поля составляет примерно В=(1…10) μT1.

При выполнении плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки многослойной, которая размещена на верхней и нижней частях консолей крыла БЛА; она выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., толщиной 3…5 мкм на прочную изолирующую пленку, например, из полиэтилена высокого давления, толщиной 15…20 мкм. При этом количество слоев обмоток может достигать нескольких десятков, например, 80…120 и т.д., а дополнительно между витками обмотки размещен материал с высокой магнитной проницаемостью, который может быть установлен, например, путем напыления также толщиной 3…5 мкм.

Известно, что в обмотке при действии переменного магнитного поля возникает ЭДС взаимоиндукции, определяемая по соотношению:

e=-dψ/dt; где: ψ - потокосцепление переменного магнитного поля с витками обмотки.

БЛА обнаруживает ВЛ и затем совершает многократный пролет на высоте ближайшего к нему провода ВЛ на расстоянии 3…10 м от него параллельно ему на расстояние, например, 600…800 (м) и обратно, выполняя при этом подзарядку аккумуляторных батарей.

Форма многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки, которая размещена на верхней и нижней частях консолей крыла БЛА, представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла. Исходя из реальных геометрических размеров консолей крыла БЛА и величины напыленного слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., шириной 2…4 мкм, длина l напыленного проводника одного слоя обмотки может составлять несколько сотен метров, что при средней скорости пролета БЛА, достигающей 20…30 м/сек, на высоте 5…10 м над ЛЭП параллельно ей на расстояние, например, 600…800 м и обратно, для осуществления зарядки аккумуляторных батарей БЛА позволяет получить с выхода обмотки в среднем напряжение 6…12 V для дополнительной зарядки аккумуляторных батарей БЛА, обеспечивающее увеличение продолжительности и дальности полета БЛА.

Счетчик потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемый выпрямитель (4) является известным устройством и может быть реализован, например, на основе микросхем CC/CV-контроллеров компании STMicroelectronics, (Switzerland), в частности, микросхемах серии TSM101x и с помощью диодного моста DO-214AB на диодах с барьером Шоттки.

Модуль плавного подключения нагрузки (5) является известным устройством, реализуется, как правило, на полевом транзисторе, в качестве него может быть использован, например, модуль RP273M.

Регулируемый преобразователь напряжения (6) предназначен для понижения/повышения постоянного напряжения, является известным устройством, в качестве которого может быть использован модуль XL6009.

В качестве аккумуляторных батарей (7) - накопителей энергии, обладающих высокой плотностью энергии на килограмм массы, могут быть использованы, например, литий-полимерные (Li-Po), литий-ионные (Li-Ion), литий-оксидные (Li-Air), литий-серные (Li-S) аккумуляторы и др.

В приведенных работах авторов показано, что на расстоянии d_i=2 м от крайнего провода ВЛ величина индукции для всех ВЛ составляет около В=10 мкТл при токе в проводах I=100 А, незначительно изменяясь с типом применяемой опоры. Реальные токи, протекающие в ВЛ, существенно больше, они составляют несколько сотен ампер, соответственно, во столько раз будет больше и В - индукция магнитного поля.

Оценим возможность отбора мощности от ВЛ с помощью инновационной плоской катушки, размещенной в консолях крыла БЛА, между витками которой находится материал с высокой магнитной проницаемостью μ (ферро-ферримагнетик).

Электрическая схема предлагаемого устройства отбора мощности приведена на фиг. 2, на котором обозначено: Е_к - ЭДС взаимоиндукции, L_к - индуктивность, R_к - сопротивление катушки; - импеданс нагрузки, R_н - активное и Х_н - реактивное сопротивления, - мнимая единица.

Отметим, что в данном случае нагрузка представляет собой устройство преобразования синусоидального тока с частотой ƒ=50 Hz в постоянный ток. Для исключения потерь напряжения на индуктивности катушки реактивное сопротивление нагрузки в этом случае должно иметь емкостной характер и поэтому весь двухполюсник, подключенный к источнику ЭДС, находится в резонансном режиме. Ток, отбираемый полезной активной частью нагрузки, определяется по соотношению

В дальнейшем будем рассматривать именно этот случай нагрузки.

Для анализа выберем однослойную плоскую катушку квадратной формы (фиг. 3), в которой: а - внешний и b - внутренний размеры, W - шаг намотки, d - диаметр провода, с =W-d - расстояние между витками.

Величина ЭДС катушки Е_к согласно закону электромагнитной индукции Фарадея определяется скоростью изменения потокосцепления катушки Ψ с магнитным полем, создаваемым ВЛ:

где ƒ=50 Hz.

Определим потокосцепление Ψ плоской квадратной катушки с ферро-ферримагнетиком, который размещен между витками катушки образуя распределенный по объему катушки магнитопровод.

В межвитковом объеме толщиной в диаметр провода d внутри контура произвольного k-го витка, который примем для анализа в виде квадрата с со стороной, равной внешнему размеру проводника, выделим три области, отличающиеся величиной относительной магнитной проницаемости μ_r. Первая область - это витки катушки, которые выполнены из немагнитного металла с относительной магнитной проницаемостью μ_n≈1, вторая область - межвитковое пространство, ферро-ферримагнетик, в котором и третья область - внутри катушки, свободная от витков с μ_b.

В расчетах примем, что величина магнитной индукции В в воздухе постоянна в пределах поверхности катушки и перпендикулярна ей. В этом случае потокосцепление катушки Ψ является суммой потокосцеплений всех витков катушки ψ_к, имеющих различную величину, зависящую от того, что находится внутри контура витка. При числе витков катушки N имеем:

Для оценки величины индуктивности однослойной плоской катушку квадратной формы с ферро-ферримагнетиком воспользуемся приближенной формулой для квадратной катушки [S. Mohan, М. Hershenson, S. Boyd, Т. Lee Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances / S. Mohan, M. Hershenson, S. Boyd, T. Lee // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1999. - №34(10). - p.p.1419-1424], полученной для μ_r=1:

В рассматриваемом случае имеем неоднородное по магнитным свойствам заполнение пространства катушки. Определим среднее значение магнитной проницаемости катушки, исходя из равенства потокосцеплений однородной катушки и катушки с ферро-ферримагнетиком Ψ₀=Ψ. Будем считать, что магнитная индукция В в катушке величина постоянная. Тогда потокосцепление однородной катушки Ψ₀:

где

Потокосцепление катушки с ферро-ферримагнетиком Ψ:

где

В результате получим:

Подставляя в (3) μ_r=μ_ср, определим индуктивность катушки с ферро-ферримагнетиком. Безусловно, это приближенная оценка величины индуктивности, однако она позволяет установить влияние материала на нее.

Величина активного сопротивления катушки R рассчитывается обычным образом, поскольку она зависит от удельной проводимости материала проводника, его формы и длины.

На фиг. 4 представлены зависимости напряжения на катушки U=E_к в V с а=0,4 м и b=0,1 м, ее индуктивности L в Гн, сопротивления R в Ом и числа витков N от шага между витками - W в мм при относительной магнитной проницаемости ферро-ферримагнетика μ=200 и диаметре медного провода d=1 мм.

Из приведенных на фиг. 5 результатов следует, что максимум напряжения наблюдается при W=2 мм, при этом U=1,5 V, a R=1,65 Ом, L=0,16 Гн и N=76. Будем считать эти значения базовыми в дальнейших расчетах. Укажем, что в отсутствии ферро-ферримагнетика величина напряжения катушки U=0,029 V, а при размещении этого материала во внутреннюю область катушки, напряжение достигает величины U=0,035 V. При этом рост напряжения U на модифицированной катушке с ферро-ферримагнетиком происходит почти в 100 раз.

Зависимость напряжения на катушке от величины относительной магнитной проницаемости ферро-ферримагнетика - μ при W=2 мм приведена на рис. 5, из него следует, что напряжение растет пропорционально величине μ и достигает величины практически U=15 V при μ=2000. На сегодня относительная магнитная проницаемость ферро-ферримагнетиков μ в достигает десятков тысяч и более.

На фиг. 6 приведены зависимости U, L, R, N от размера катушки b при фиксированном значении W=2 мм. Уменьшение b ведет к увеличению напряжения катушки за счет увеличения числа витков, но при этом наблюдается значительный рост сопротивления провода в результате увеличения его длины.

На фиг. 7 представлены результаты исследования влияния коэффициента заполнения шага катушки - kz=d/W при фиксированном значении W=2 мм.

Дополнительно отметим, что уменьшение коэффициента заполнения kz вызывает рост напряжения в катушке U вследствие увеличения объема ферро-ферримагнетика при одновременном росте ее сопротивления R.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленной беспроводной зарядной системы, отсутствуют, поэтому полезная модель соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Claims (1)

1. Устройство вторичного электропитания и подзарядки аккумуляторных батарей для беспилотных летательных аппаратов, содержащее устройство управления, накопитель электроэнергии, устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач и приемник потребителя электрической энергии, при этом выход устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач соединен со входом приемника потребителя электрической энергии, состоящим из многослойной плоской разомкнутой обмотки, соответственно последовательно соединенной, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя, модуля плавного подключения нагрузки, регулируемого преобразователя напряжения и дополнительного аккумулятора, при этом выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен со счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем, выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки, выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения, к выходу которого подключен аккумулятор, причем многослойная плоская разомкнутая обмотка, соединенная соответственно последовательно, размещена на верхней и нижней частях консолей крыла и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла, и внутри консолей крыла по их продольной оси установлены изолированные пластины плоской магнитной системы из пенометалла с большой величиной магнитной проницаемости, отличающееся тем, что между витками обмотки размещен материал с высокой магнитной проницаемостью.

Images