基于磁耦合谐振原理的无人机无线充电系统

针对现在广泛应用的电力巡检无人机存在的充电自主化水平低问题，广西电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员陈千懿、高立克、陈绍南、肖静，在2020年第5期《电气技术》杂志上撰文，设计了基于磁耦合谐振原理的无线充电系统。

针对目前广泛采用的具有对中机构的“固定机场”，研究人员通过COMSOL仿真分析3种不同磁耦合机构的磁路分布、磁场强度及抗偏移性能，发现螺线管型磁耦合机构耦合系数高、磁通密度大、抗偏移性能更好。进一步分析了LCC-S电路拓扑结构，并基于此设计了无线充电系统参数并搭建了样机系统。

实验结果表明，所设计的无人机无线充电系统接收线圈质量为69g，可以实现100W的功率输出，整机效率达到了80.27%。研究成果为高效轻量化的无人机无线充电系统设计提供了一种有益的参考。

现在社会对于产品自动化的需求越来越高，在电力巡检领域，对于电力巡检无人机方案的投入越来越多。目前，电力巡检无人机大多采用锂电池供电，由于巡检输电线路长，要求巡检无人机续航能力越高越好，但是现在大多的无人机电池充电方案采取的是无人机在电量不足时返回充电机场，然后人工进行电池更换或电池充电，这就大大减小了无人机的巡检范围和效率，限制了无人机巡检方案的大规模使用。因此，为了提高无人机充电自主化和智能化水平，急需解决无人机的电池充电问题。

无线充电技术可以避免人工更换电池的繁琐和接触式充电的安全隐患，提高无人机巡检效率，为无人机大规模智能化电力巡检提供了可能。

耦合机构是影响无线电能传输系统性能的重要因素，决定了系统的传输功率等级、传输效率、传输距离及抗偏移性能。耦合机构的设计需要在特定的传输距离和空间尺寸范围下尽可能提高耦合系数，以提高系统的传输性能。由于电力巡检无人机需要尽可能减轻机载质量以增加其飞行距离，对拾取线圈的质量提出了更高的要求。

同时，巡检无人机搭载的云台通常需要具有较大的旋转角度以全方位拍摄电力设备的状态，要求所设计的拾取线圈尽可能隐蔽，从而减少对照片拍摄的干扰，提高故障辨识精度。此外，为保证飞行平稳，还要求副边部分不会对无人机产生额外的飞行阻力。

各国学者已经开始了对无人机进行无线充电的尝试，韩国庆尚大学设计了一种接收机构为20cm×20cm的平面空心圆形线圈，实现充电功率51W，最大效率61.4%。印度学者设计了一种在无人机机架底部绕制25cm× 25cm的圆形线圈的方案，实现了充电功率35W、效率71%的无人机无线充电。

然而，以上几位学者的研究都采用的是圆形线圈耦合机构，尺寸偏大，传输功率和效率都偏低，耦合能力较弱。对于副边轻量化的高效无人机无线充电系统有待进一步研究。

广西电网电科院的研究人员以大疆M210为代表的大功率型巡检无人机为例开展了研究，此类无人机充电功率较高，同时停靠的固定机场具备自动对中机构，降低了对磁耦合机构抗偏移性的设计要求。

图1 自动对中机构

图2 无人机无线充电系统主要结构

考虑到搭载“云台”及质量影响，对耦合机构的轻量化以及隐蔽性提出了更高的要求。因此，研究人员针对上述问题，提出了一种应用于无人机无线充电方案的耦合装置，在满足大功率高效率充电的同时，具备轻量化、隐蔽等优势，并采用COMSOL仿真分析了耦合结构的磁场分布；其次，设计了系统的拓扑结构和参数，并通过搭建样机，对系统性能进行了实际验证。

图3 无人机无线充电系统图

研究表明，该无线充电系统在系统输出功率100W的情况下，工作效率能够达到80.27%。所设计的耦合机构具有轻量化、干扰小、耦合系数高等特点，为大功率巡检无人机的无线充电方案设计提供了一种有益的参考。

编辑：hfy