基于磁耦合諧振原理的無人機無線充電系統(tǒng)

針對現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電力巡檢無人機存在的充電自主化水平低問題，廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院的研究人員陳千懿、高立克、陳紹南、肖靜，在2020年第5期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，設(shè)計了基于磁耦合諧振原理的無線充電系統(tǒng)。

針對目前廣泛采用的具有對中機構(gòu)的“固定機場”，研究人員通過COMSOL仿真分析3種不同磁耦合機構(gòu)的磁路分布、磁場強度及抗偏移性能，發(fā)現(xiàn)螺線管型磁耦合機構(gòu)耦合系數(shù)高、磁通密度大、抗偏移性能更好。進一步分析了LCC-S電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于此設(shè)計了無線充電系統(tǒng)參數(shù)并搭建了樣機系統(tǒng)。

實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的無人機無線充電系統(tǒng)接收線圈質(zhì)量為69g，可以實現(xiàn)100W的功率輸出，整機效率達到了80.27%。研究成果為高效輕量化的無人機無線充電系統(tǒng)設(shè)計提供了一種有益的參考。

現(xiàn)在社會對于產(chǎn)品自動化的需求越來越高，在電力巡檢領(lǐng)域，對于電力巡檢無人機方案的投入越來越多。目前，電力巡檢無人機大多采用鋰電池供電，由于巡檢輸電線路長，要求巡檢無人機續(xù)航能力越高越好，但是現(xiàn)在大多的無人機電池充電方案采取的是無人機在電量不足時返回充電機場，然后人工進行電池更換或電池充電，這就大大減小了無人機的巡檢范圍和效率，限制了無人機巡檢方案的大規(guī)模使用。因此，為了提高無人機充電自主化和智能化水平，急需解決無人機的電池充電問題。

無線充電技術(shù)可以避免人工更換電池的繁瑣和接觸式充電的安全隱患，提高無人機巡檢效率，為無人機大規(guī)模智能化電力巡檢提供了可能。

耦合機構(gòu)是影響無線電能傳輸系統(tǒng)性能的重要因素，決定了系統(tǒng)的傳輸功率等級、傳輸效率、傳輸距離及抗偏移性能。耦合機構(gòu)的設(shè)計需要在特定的傳輸距離和空間尺寸范圍下盡可能提高耦合系數(shù)，以提高系統(tǒng)的傳輸性能。由于電力巡檢無人機需要盡可能減輕機載質(zhì)量以增加其飛行距離，對拾取線圈的質(zhì)量提出了更高的要求。

同時，巡檢無人機搭載的云臺通常需要具有較大的旋轉(zhuǎn)角度以全方位拍攝電力設(shè)備的狀態(tài)，要求所設(shè)計的拾取線圈盡可能隱蔽，從而減少對照片拍攝的干擾，提高故障辨識精度。此外，為保證飛行平穩(wěn)，還要求副邊部分不會對無人機產(chǎn)生額外的飛行阻力。

各國學(xué)者已經(jīng)開始了對無人機進行無線充電的嘗試，韓國慶尚大學(xué)設(shè)計了一種接收機構(gòu)為20cm×20cm的平面空心圓形線圈，實現(xiàn)充電功率51W，最大效率61.4%。印度學(xué)者設(shè)計了一種在無人機機架底部繞制25cm× 25cm的圓形線圈的方案，實現(xiàn)了充電功率35W、效率71%的無人機無線充電。

然而，以上幾位學(xué)者的研究都采用的是圓形線圈耦合機構(gòu)，尺寸偏大，傳輸功率和效率都偏低，耦合能力較弱。對于副邊輕量化的高效無人機無線充電系統(tǒng)有待進一步研究。

廣西電網(wǎng)電科院的研究人員以大疆M210為代表的大功率型巡檢無人機為例開展了研究，此類無人機充電功率較高，同時?？康墓潭C場具備自動對中機構(gòu)，降低了對磁耦合機構(gòu)抗偏移性的設(shè)計要求。

圖1 自動對中機構(gòu)

圖2 無人機無線充電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

考慮到搭載“云臺”及質(zhì)量影響，對耦合機構(gòu)的輕量化以及隱蔽性提出了更高的要求。因此，研究人員針對上述問題，提出了一種應(yīng)用于無人機無線充電方案的耦合裝置，在滿足大功率高效率充電的同時，具備輕量化、隱蔽等優(yōu)勢，并采用COMSOL仿真分析了耦合結(jié)構(gòu)的磁場分布；其次，設(shè)計了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，并通過搭建樣機，對系統(tǒng)性能進行了實際驗證。

圖3 無人機無線充電系統(tǒng)圖

研究表明，該無線充電系統(tǒng)在系統(tǒng)輸出功率100W的情況下，工作效率能夠達到80.27%。所設(shè)計的耦合機構(gòu)具有輕量化、干擾小、耦合系數(shù)高等特點，為大功率巡檢無人機的無線充電方案設(shè)計提供了一種有益的參考。

編輯：hfy