抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构及无人机无线充电系统

1.本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构及无人机无线充电系统。


背景技术：

2.无人机作为一种新型航行设备，如今已经被广泛应用在电力巡检、军事巡逻、航空拍摄、物流配送等多个领域当中。其灵活性与轻便性使其应用领域不断扩大，但同时续航能力的限制也逐渐凸显了出来，这同时极大地限制了其使用范围与场景。无人机传统充电方式为接触式充电或者换电式，但这显然不满足无人系统无人化与智能化的要求。同时，传统接触式充电也面临着环境适应能力差与插头磨损等众多问题。
3.为了解决这一痛点，无线电能传输(wireless power transfer,wpt)为我们提供了一个可行方案，在无人机应用路线中配置一个或多个无线充电平台，这种方式大大弥补了无人机续航不足导致的巡航距离问题，同时也实现了无人化与智能化管理。然而，这种方案也面临这另外一个问题，特别是在极端天气与环境条件下，无人机在充电平台上的停放极易出现偏移或错位，从而导致充电效率低，功率传输不稳定的问题。现有无人机无线电能传输耦合机构大多都不具有抗偏移能力，一些无人机的机械对中结构虽然能实现无人机的精准对位，但极大提升了系统的复杂度，因此增强适用于无人机的耦合机构的横向和旋转偏移容忍度十分必要，近些年来有所突破的结构也无法同时面对旋转与水平偏移的双重挑战。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明首先提供一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，解决的技术问题在于：如何使得无线充电系统同时具备抗水平偏移和抗旋转偏移的能力。
5.为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
6.一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，包括发射端和接收端，其关键在于：所述发射端的能量发射线圈包括多个螺线管线圈，所述多个螺线管线圈按照圆周均匀分布在同一平面上，且所述多个螺线管线圈的管心线相交于中心原点位置，所述接收端的能量接收线圈包括多个垂直平面线圈，所述多个垂直平面线圈垂直于能量发射线圈所处的平面且沿着同一高度也呈圆周均匀分布。
7.可选地，所述螺线管线圈为偏平状的方形螺线管线圈，包括方形磁芯和螺旋绕制在所述方形磁芯上的线圈绕组。
8.可选地，所述多个螺线管线圈的内端相互靠拢围合成多边形空白区，在所述多边形空白区填充有纵向偏移抑制线圈。
9.可选地，所述纵向偏移抑制线圈包括位于中心原点位置的多边形磁芯和绕制在所述多边形磁芯外侧面上的多边形平面线圈。
10.可选地，所述发射端的能量发射线圈包括八个螺线管线圈，八个螺线管线圈按照
圆周均匀分布在同一平面上并呈“米”字型。
11.可选地，八个螺线管线圈相互串联，且在发射端还配置有能量发射电路。
12.可选地，八个螺线管线圈的内端相互靠拢围合成八边形空白区，在所述八边形空白区填充有纵向偏移抑制线圈，所述纵向偏移抑制线圈包括位于中心原点位置的八边形磁芯和绕制在所述八边形磁芯外侧面上的八边形平面线圈。
13.可选地，八个螺线管线圈与所述八边形平面线圈均相互串联，且在发射端还配置有能量发射电路。
14.可选地，多个垂直平面线圈相互串联，且在接收端配置有能量接收电路。
15.基于上述耦合结构，本发明还提供一种无人机无线充电系统，采用前文所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其中发射端设置的充电平台上，接收端设置在无人机上，且能量接收线圈设置在无人机的起落架上。使得无人机无线充电过程中能够同时具备抗水平偏移和抗旋转偏移的能力。
16.本发明的显著效果是：
17.本发明提出一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，结构简单，安装方便，特别适合无人机无线充电系统，不仅具有全方向性，同时具备优秀的抗水平偏移与抗旋转偏移能力。
附图说明
18.图1是本发明实施例1提供的“米”字型耦合机构结构示意图；
19.图2是本发明实施例1提供的“米”字型耦合机构横向偏移互感变化曲线；
20.图3是本发明实施例1提供的“米”字型耦合机构纵向偏移互感变化曲线；
21.图4是本发明实施例2提供的耦合机构结构示意图；
22.图5是本发明实施例2提供的耦合机构横向偏移互感变化曲线；
23.图6是本发明实施例2提供的耦合机构纵向偏移互感变化曲线；
24.图7是本发明实施例2提供的耦合机构旋转错位互感变化曲线；
25.图8是本发明实施例3提供的无人机无线充电系统安装结构示意图；
26.图9是本发明实施例3提供的无人机无线充电系统电路原理图。
具体实施方式
27.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
28.实施例1：
29.本实施例提供一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，如图1所示，包括发射端和接收端，发射端的能量发射线圈包括8个螺线管线圈，当然也可以根据具体的应用场景适当调整螺线管线圈的数量，具体实施时，螺线管线圈为偏平状的方形螺线管线圈，包括方形磁芯和螺旋绕制在所述方形磁芯上的线圈绕组，8个螺线管线圈按照圆周均匀分布在同一平面上并呈“米”字型，且8个螺线管线圈的管心线相交于中心原点位置，8个螺线管线圈的内端相互靠拢围合成八边形空白区，接收端的能量接收线圈包括两个垂直平面线圈，两个垂
直平面线圈垂直于能量发射线圈所处的平面且沿着同一高度正对分布，当然，接收线圈的数量也可以根据应用场景增设为4个，可以两两正对的呈圆周均匀分布。
30.具体实施时，每个螺线管线圈由10匝线圈绕组绕制在200
×
50
×
10mm铁氧体磁芯构成，能量接收线圈设计为尺寸250
×
60
×
1.83mm的矩形线圈，其由14匝线圈绕制而成，通过实验验证，上述耦合机构在接收端360
°
旋转情况下，能量接收线圈与能量发射线圈之间的互感变化甚微，即可认为其具有全方向性。
31.通过图2可以看出，该结构在接收线圈之间产生横向偏移(x-misalignment)时能够保持较为稳定的互感值，在5cm横向偏移时互感和波动率仅仅为3.6％。但是，该结构在能量接收线圈产生纵向偏移(y-misalignment)时互感波动很大，在偏移达5cm时互感和波动达到28％，具体如图3所示，可以看出，本实施例提供的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构虽然具有全方向性，但是还不能完全满足抗水平偏移的要求，因此有待进一步优化，图中m12表示能量发射线圈与一个垂直平面线圈之间的互感，m13表示能量发射线圈与另一个垂直平面线圈之间的互感。
32.实施例2：
33.为了抑制耦合机构对于纵向偏移下互感波动较大的问题，本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，考虑到实施例1所提及的耦合结构中能量发射线圈中部空余空间还未加以利用，可以在中部加设线圈以抑制接收线圈纵向偏移所产生的互感波动。作为一种实施方式，可以在中部加上一个普通圆形线圈，由仿真实验结果可知，其对于纵向偏移互感波动有着显著的改善效果。为了进一步对其抗偏移性能加以改善，充分考虑并利用发射线圈“米”字造型中间所围成的八边形区域，本实施例在所述八边形空白区填充有纵向偏移抑制线圈，这里的纵向偏移抑制线圈包括位于中心原点位置的多边形磁芯和绕制在所述多边形磁芯外侧面上的八边形平面线圈，本例中八边形平面线圈绕制有10匝，所得耦合结构如图4所示。
34.对其进行仿真实验，其结果如图5-图7所示，图7中m表示能量发射线圈与能量接收线圈之间的总互感，可以看出，由于耦合机构中能量发射线圈属于对称结构的存在，由45
°
以内旋转下互感和基本不变，即可知偏移接收线圈在360
°
旋转下互感和基本不变，满足全方向性，同时，能量接收线圈横向偏移与纵向偏移5cm以内的情况下，互感之和波动不超过5％。可以认定该结构具有优秀的抗水平偏移能力。
35.实施例3：
36.由于无人机无线充电耦合机构大体上由能量发射线圈与能量接收线圈两个部分组成。其中能量接收线圈安装在无人机上，其重量、体积以及安装位置都会对无人机具体性能产生相当影响，目前常见能量接收线圈有平面线圈、垂直平面线圈和螺线管线圈三个大类。本实施例选取如图1和图4所示的垂直平面线圈，其安装在在无人机起落架上，其具有优点如下：(1)与发射线圈之间气隙小，有利于提升传输效率；(2)线圈远离机身，大大减少磁场对无人机内电子设备的电磁干扰；(3)线圈嵌入在起落架中，对无人机结构适应能力强。
37.由于使用嵌入起落架式的能量接收线圈要求能量发射线圈产生水平磁场。前人多采用圆形或“双d”形能量发射线圈，但都不具有应对水平偏移的能力。由实验可知，包括圆形线圈、方形线圈在内的平面线圈耦合机构抗偏移能力都很薄弱，这意味着必须跳出传统平面线圈领域做选择，本发明选用螺线管线圈，其中方形螺线管线圈在结构安装便利性与
50mm.-50mm)≤(x,y)≤(50mm,50mm)范围内互感值波动很小，从而可以满足无人机无线充电需求。
50.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端的能量发射线圈包括多个螺线管线圈，所述多个螺线管线圈按照圆周均匀分布在同一平面上，且所述多个螺线管线圈的管心线相交于中心原点位置，所述接收端的能量接收线圈包括多个垂直平面线圈，所述多个垂直平面线圈垂直于能量发射线圈所处的平面且沿着同一高度也呈圆周均匀分布。2.根据权利要求1所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：所述螺线管线圈为偏平状的方形螺线管线圈，包括方形磁芯和螺旋绕制在所述方形磁芯上的线圈绕组。3.根据权利要求2所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：所述多个螺线管线圈的内端相互靠拢围合成多边形空白区，在所述多边形空白区填充有纵向偏移抑制线圈。4.根据权利要求3所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：所述纵向偏移抑制线圈包括位于中心原点位置的多边形磁芯和绕制在所述多边形磁芯外侧面上的多边形平面线圈。5.根据权利要求1-4任一所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：所述发射端的能量发射线圈包括八个螺线管线圈，八个螺线管线圈按照圆周均匀分布在同一平面上并呈“米”字型。6.根据权利要求5所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：八个螺线管线圈相互串联，且在发射端还配置有能量发射电路。7.根据权利要求5所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：八个螺线管线圈的内端相互靠拢围合成八边形空白区，在所述八边形空白区填充有纵向偏移抑制线圈，所述纵向偏移抑制线圈包括位于中心原点位置的八边形磁芯和绕制在所述八边形磁芯外侧面上的八边形平面线圈。8.根据权利要求7所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：八个螺线管线圈与所述八边形平面线圈均相互串联，且在发射端还配置有能量发射电路。9.根据权利要求6-8任一所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其特征在于：多个垂直平面线圈相互串联，且在接收端配置有能量接收电路。10.一种无人机无线充电系统，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述的抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构，其中发射端设置的充电平台上，接收端设置在无人机上，且能量接收线圈设置在无人机的起落架上。

技术总结
本发明涉及无线充电技术领域，具体公开了一种抗水平偏移与旋转偏移的耦合结构及无人机无线充电系统，耦合结构包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端的能量发射线圈包括多个螺线管线圈，所述多个螺线管线圈按照圆周均匀分布在同一平面上，且所述多个螺线管线圈的管心线相交于中心原点位置，所述接收端的能量接收线圈包括多个垂直平面线圈，所述多个垂直平面线圈垂直于能量发射线圈所处的平面且沿着同一高度也呈圆周均匀分布。其效果是：结构简单，安装方便，特别适合无人机无线充电系统，不仅具有全方向性，同时具备优秀的抗水平偏移与抗旋转偏移能力。平偏移与抗旋转偏移能力。平偏移与抗旋转偏移能力。


技术研发人员：李小飞 吴虞 唐春森 王智慧 孙跃
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/5/30