一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构制造技术

本发明专利技术提出了一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，属于电力电子磁技术领域。现有针对无人机用磁耦合结构的研究会因为杂散磁场问题影响无人机的稳定工作。本发明专利技术提供的结构包括以下几个部分：固定层、磁屏蔽层、双极四线圈结构、集成于无人机起落架内的“I”型磁芯，以及绕制在起落架外侧的螺旋管线圈。通过采用本发明专利技术的结构，利用双极四线圈绕制技术，实现了低杂散磁场的磁通分布和抗旋转偏移的特性。此外，结合双极四线圈磁场分布的特性，确定了四组螺旋管线圈的接收结构。最终，本发明专利技术实现了一种具有低杂散磁场特性的无人机无线充电磁耦合结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线电能传输领域，具体涉及一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构。

技术介绍

1、旋翼式无人机以其优异的操控性、垂直起降能力、紧凑的体积以及卓越的环境适应性，在科学研究、民用技术和军事领域等多个方面得到了广泛的应用["ieee standardfor drone applications framework,"ieee std 1936.1-2021.,pp.1-28,dec.17,2021]。在[p.k.chittoor,et al.a review on uav wireless charging:fundamentals,applications,charging techniques and standards.ieee access,vol.9,pp.69235-69266,2021]和[x.mou,et al.near-field wireless power transfer technology forunmanned aerial vehicles:a systematical review.ieeej.emerg.sel.top.ind.electron.,vol.4,no.1,pp.147-158,jan.2023]中充分介绍了旋翼式无人机受限于载重能力，其续航里程较短，在无人值守场合，通过无线充电方式可有效提高其续航能力。在无线充电系统中，磁耦合结构作为其关键组成部分，需要结合无人机结构特性进行针对性设计，用以满足无人机轻量化与结构异型的设计要。

2、现有无人机无线充电系统存在诸多不足，根据文献[h.feng,et al.advances inhigh-power wireless charging systems:overview and design considerations.ieeetrans.transp.electrif.,vol.6,no.3,pp.886-919,sept.2020]可知，通过多个平面方形线圈的叠加，增强了系统的抗偏移性能，但传输功率很低。进一步地，在文献[c.rong,etal.optimization design of resonance coils with high misalignment tolerancefor drone wireless charging based on genetic algorithm.ieee trans.ind.appl.,vol.58,no.1,pp.1242–1253,jan.2022]中阐述的圆台式接收结构和[a.rohan,etal.development of intelligent drone battery charging system based on wirelesspower transmission using hill climbing algorithm.appl.syst.innov.,vol.1,no.4,p.44,nov.2018]中阐述的平面式接收结构均存接收线圈增加无人机风阻及影响云台放置的共性问题，上述问题限制了无人机无线充电技术的广泛应用。另外，发射线圈采用单极型结构，其空间杂散磁场分布较为明显，当无线充电系统工作时将影响无人机电气设备的安全性。综上所述，当前的研究虽在无人机无线充电技术方面取得了一定进展，但面临着系统偏移以及杂散磁场分布等方面的问题。

3、因而，为解决上述问题，本专利技术以低杂散磁场为设计目标，提出相应的磁耦合结构。

技术实现思路

1、针对现有无人机无线充电系统存在的高杂散磁场进而影响系统工作稳定性的问题，本专利技术提出一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构。该结构以低杂散磁场特性为设计目标，实现了十分优秀的杂散磁场分布特性与一定的抗偏移能，从而提高了无人机无线充电系统的适用性。

2、为达到以上目的，本专利技术提出了一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，所述磁耦合结构由发射平台与接收结构组成，其特征在于：

3、发射平台包括一个固定平面，所述固定平面上方设置有屏蔽层，屏蔽层上方设置有双极四线圈结构；

4、接收结构包括放置于起落架内的“i”型磁芯结构以及绕制于起落架外侧的四组螺线管线圈结构。

5、进一步，所述双极四线圈结构由四组线圈绕制而成，各线圈绕制方向均为顺时针方向或逆时针方向。

6、进一步，所述双极四线圈结构中的四组线圈采用串联连接，其第一组发射线圈与第二组发射线圈的异名端相连，第二组发射线圈与第三组发射线圈的同名端相连，第三组发射线圈与第四组发射线圈的异名端相连。

7、进一步，所述双极四线圈结构中第一组发射线圈与第四组发射线圈采用单股绕制，第二组发射线圈与第三组发射线圈采用双股或多股并绕。

8、再进一步，所述接收结构的“i”型磁芯与无人机起落架的内径相内切。

9、进一步，所述绕制于无人机起落架外侧的四组螺线管线圈结构绕制方向均为顺时针方向或逆时针方向。

10、进一步，所述四组螺线管线圈结构采用串联方式连接，第一组螺线管接收线圈与第二组螺线管接收线圈的异名端相连，第二组螺线管接收线圈与第三组螺线管接收线圈的同名端相连，第三组螺线管接收线圈与第四组螺线管接收线圈的异名端相连。

11、本专利技术的有益效果在于：

12、1.本专利技术构建的双极四线圈发射结构在发射平台所处区域，基于线圈连接方式，塑造了指向圆心的水平磁场。同时在远离发射平台位置，由于第一组线圈与第二组线圈异名端相连，第三组线圈与第四组线圈异名端相连，因而可以产生磁场抵消特性，在该特性的影响下可实现无人机无线充电系统的低杂散磁场，有效解决了无人机无线充电系统工作时产生的高频磁场影响系统稳定性的问题。

13、2.本专利技术方案无人机侧的磁结构集成于起落架内部，线圈绕制于起落架上，既实现了低杂散磁场特性，又兼顾了无人机侧的机械结构特性，解决了传统无人机无线充电方案中外部线圈可能对无人机工作的影响。

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【技术保护点】

1.一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，所述磁耦合结构由发射平台与接收结构组成，其特征在于：

2.如权利要求1所述的具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，其特性在于：所述双极四线圈结构(0103)由四组线圈绕制而成，各线圈绕制方向均为顺时针方向或逆时针方向。

3.如权利要求2所述的具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，其特征在于：所述双极四线圈结构(0103)中的四组线圈采用串联连接，其第一组发射线圈(0104)与第二组发射线圈(0105)的异名端相连，第二组发射线圈(0105)与第三组发射线圈(0106)的同名端相连，第三组发射线圈(0106)与第四组发射线圈(0107)的异名端相连。

4.如权利要求3所述的具有低杂散磁场的磁耦合结构，其特征在于：所述双极四线圈结构(0103)中第一组发射线圈(0104)与第四组发射线圈(0107)采用单股绕制，第二组发射线圈(0105)与第三组发射线圈(0106)采用双股或多股并绕。

5.如权利要求1所述的具有低杂散磁场的磁耦合结构，其特征在于：所述接收结构的“I”型磁芯(0113)与无人机起落架的内径相内切。

6.如权利要求1所述的具有低杂散磁场的磁耦合结构，其特征在于：所述绕制于无人机起落架外侧的四组螺线管线圈结构(0108)绕制方向均为顺时针方向或逆时针方向。

7.如权利要求6所述的具有低杂散磁场的磁耦合结构，其特征在于：所述四组螺线管线圈结构(0108)采用串联方式连接，第一组螺线管接收线圈(0109)与第二组螺线管接收线圈(0110)的异名端相连，第二组螺线管接收线圈(0110)与第三组螺线管接收线圈(0111)的同名端相连，第三组螺线管接收线圈(0111)与第四组螺线管接收线圈(0112)的异名端相连。

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【技术特征摘要】

1.一种具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，所述磁耦合结构由发射平台与接收结构组成，其特征在于：

2.如权利要求1所述的具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，其特性在于：所述双极四线圈结构(0103)由四组线圈绕制而成，各线圈绕制方向均为顺时针方向或逆时针方向。

3.如权利要求2所述的具有低杂散磁场的无人机无线充电用磁耦合结构，其特征在于：所述双极四线圈结构(0103)中的四组线圈采用串联连接，其第一组发射线圈(0104)与第二组发射线圈(0105)的异名端相连，第二组发射线圈(0105)与第三组发射线圈(0106)的同名端相连，第三组发射线圈(0106)与第四组发射线圈(0107)的异名端相连。

4.如权利要求3所述的具有低杂散磁场的磁耦合结构，其特征在于：所述双极四线圈结构(0103)中第一组发射线圈(0104)与第四组发...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，黄伟义，谢泽涵，朱新山，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：