- 頭條應用于無人機無線充電的輕量化磁耦合結構2021-06-08 作者：陳千懿 高立克 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語針對現在廣泛應用的電力巡檢無人機存在的充電自主化水平低問題，廣西電網有限責任公司電力科學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》雜志上撰文，設計了基于磁耦合諧振原理的無線充電系統。 針對目前廣泛采用的具有對中機構的“固定機場”，研究人員通過COMSOL仿真分析3種不同磁耦合機構的磁路分布、磁場強度及抗偏移性能，發現螺線管型磁耦合機構耦合系數高、磁通密度大、抗偏移性能更好。進一步分析了LCC-S電路拓撲結構，并基于此設計了無線充電系統參數并搭建了樣機系統。 實驗結果表明，所設計的無人機無線充電系統接收線圈質量為69g，可以實現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設計提供了一種有益的參考。
現在社會對于產品自動化的需求越來越高，在電力巡檢領域，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，要求巡檢無人機續航能力越高越好，但是現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，為無人機大規模智能化電力巡檢提供了可能。
耦合機構是影響無線電能傳輸系統性能的重要因素，決定了系統的傳輸功率等級、傳輸效率、傳輸距離及抗偏移性能。耦合機構的設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，以提高系統的傳輸性能。由于電力巡檢無人機需要盡可能減輕機載質量以增加其飛行距離，對拾取線圈的質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角度以全方位拍攝電力設備的狀態，要求所設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，還要求副邊部分不會對無人機產生額外的飛行阻力。
各國學者已經開始了對無人機進行無線充電的嘗試，韓國慶尚大學設計了一種接收機構為20cm×20cm的平面空心圓形線圈，實現充電功率51W，最大效率61.4%。印度學者設計了一種在無人機機架底部繞制25cm× 25cm的圓形線圈的方案，實現了充電功率35W、效率71%的無人機無線充電。
然而，以上幾位學者的研究都采用的是圓形線圈耦合機構，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有待進一步研究。
廣西電網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，同時停靠的固定機場具備自動對中機構，降低了對磁耦合機構抗偏移性的設計要求。
目前“固定機場”廣泛采用雙推桿模式實現無人機的精準對中，結構如圖1所示。無人機在降落時首先根據圖像識別進行定位降落，然后通過X、Y軸固定架固定在充電位置。在機場降落充電時最大偏移只有mm級，因此無人機在進行無線充電時，耦合結構的偏移設計無需考慮抗大偏移特性，而主要滿足能夠大功率充電，以及耦合結構輕量化、隱蔽等結構特點。無人機的接收裝置安設在無人機一邊的機架下，如圖2所示，這樣既能滿足無人機巡檢時不會干涉到攝像儀的工作，也不會增加無人機飛行的阻力，質量非常小。
圖1 自動對中機構
圖2 無人機無線充電系統主要結構
考慮到搭載“云臺”及質量影響，對耦合機構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、隱蔽等優勢，并采用COMSOL仿真分析了耦合結構的磁場分布；其次，設計了系統的拓撲結構和參數，并通過搭建樣機，對系統性能進行了實際驗證。
圖3 無人機無線充電系統圖
研究表明，該無線充電系統在系統輸出功率100W的情況下，工作效率能夠達到80.27%。所設計的耦合機構具有輕量化、干擾小、耦合系數高等特點，為大功率巡檢無人機的無線充電方案設計提供了一種有益的參考。
以上研究成果發表在2020年第5期《電氣技術》，作者為陳千懿、高立克、陳紹南、肖靜。
