基于磁耦合諧振原理的無人機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)構(gòu)的“固定機(jī)場”，研究人員通過COMSOL仿真分析3種不同磁耦合機(jī)構(gòu)的磁路分布、磁場強(qiáng)度及抗偏移性能，發(fā)現(xiàn)螺線管型磁耦合機(jī)構(gòu)耦合系數(shù)高、磁通密度大、抗偏移性能更好。進(jìn)一步分析了LCC-S電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于此設(shè)計(jì)了無線充電系統(tǒng)參數(shù)并搭建了樣機(jī)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)接收線圈質(zhì)量為69g，可以實(shí)現(xiàn)100W的功率輸出，整機(jī)效率達(dá)到了80.27%。研究成果為高效輕量化的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種有益的參考。

現(xiàn)在社會(huì)對于產(chǎn)品自動(dòng)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(jī)方案的投入越來越多。目前，電力巡檢無人機(jī)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(jī)續(xù)航能力越高越好，但是現(xiàn)在大多的無人機(jī)電池充電方案采取的是無人機(jī)在電量不足時(shí)返回充電機(jī)場，然后人工進(jìn)行電池更換或電池充電，這就大大減小了無人機(jī)的巡檢范圍和效率，限制了無人機(jī)巡檢方案的大規(guī)模使用。因此，為了提高無人機(jī)充電自主化和智能化水平，急需解決無人機(jī)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(jī)巡檢效率，為無人機(jī)大規(guī)模智能化電力巡檢提供了可能。

耦合機(jī)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(jí)、傳輸效率、傳輸距離及抗偏移性能。耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)需要盡可能減輕機(jī)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(shí)，巡檢無人機(jī)搭載的云臺(tái)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(jì)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(shí)精度。此外，為保證飛行平穩(wěn)，還要求副邊部分不會(huì)對無人機(jī)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(jī)進(jìn)行無線充電的嘗試，韓國慶尚大學(xué)設(shè)計(jì)了一種接收機(jī)構(gòu)為20cm×20cm的平面空心圓形線圈，實(shí)現(xiàn)充電功率51W，最大效率61.4%。印度學(xué)者設(shè)計(jì)了一種在無人機(jī)機(jī)架底部繞制25cm× 25cm的圓形線圈的方案，實(shí)現(xiàn)了充電功率35W、效率71%的無人機(jī)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(jī)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(jī)無線充電系統(tǒng)有待進(jìn)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(jī)為例開展了研究，此類無人機(jī)充電功率較高，同時(shí)?？康墓潭C(jī)場具備自動(dòng)對中機(jī)構(gòu)，降低了對磁耦合機(jī)構(gòu)抗偏移性的設(shè)計(jì)要求。

圖1 自動(dòng)對中機(jī)構(gòu)

圖2 無人機(jī)無線充電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

考慮到搭載“云臺(tái)”及質(zhì)量影響，對耦合機(jī)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(jī)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(shí)，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(jì)了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，并通過搭建樣機(jī)，對系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

圖3 無人機(jī)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(dá)到80.27%。所設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)具有輕量化、干擾小、耦合系數(shù)高等特點(diǎn)，為大功率巡檢無人機(jī)的無線充電方案設(shè)計(jì)提供了一種有益的參考。

編輯：hfy