基于雙耦合線圈的無(wú)人機(jī)輕量化無(wú)線充電耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 陽(yáng)，安張磊，孟 航，寇蘇雅，蒲曉飛

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300387；2.天津理工大學(xué)天津市新能源電力變換傳輸與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

無(wú)人機(jī)具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天和軍事等領(lǐng)域[1-3]。無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間作為衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，決定了無(wú)人機(jī)的飛行范圍、獲取信息量、執(zhí)行任務(wù)數(shù)量與質(zhì)量，因此如何有效延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間尤為重要[4]。目前，延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間主要有以下3 種方法[5]：第1 種是增加無(wú)人機(jī)電池的容量，但是隨著電池容量的增加，無(wú)人機(jī)的載重能力會(huì)受到影響[6]；第2 種是設(shè)置地面基站為無(wú)人機(jī)更換電池，該方法可以解決無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題，但是也存在操作復(fù)雜、需要人員值守和難以實(shí)現(xiàn)智能化的問(wèn)題[7]；第3 種是采用無(wú)線充電技術(shù)，無(wú)線充電可以通過(guò)非物理直接接觸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，具有便捷性、可靠性和易于實(shí)現(xiàn)智能化的優(yōu)勢(shì)，且不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)增加過(guò)多載重，因此無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)具有更為廣泛的應(yīng)用前景[8]。

對(duì)于無(wú)線充電技術(shù)，文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種“8”字型接收線圈結(jié)構(gòu)，接收線圈環(huán)繞式的繞制在無(wú)人機(jī)頂部防撞支架上，采用多個(gè)發(fā)射線圈安裝在一個(gè)大范圍的充電平臺(tái)上，增加無(wú)人機(jī)容錯(cuò)位性，然而防撞支架頂部距離發(fā)射線圈較遠(yuǎn)，導(dǎo)致其電能傳輸效率較低，且可能導(dǎo)致磁通進(jìn)入機(jī)體內(nèi)干擾設(shè)備；文獻(xiàn)[10]研制了一款單側(cè)雙極性耦合線圈結(jié)構(gòu)，將接收線圈安裝在無(wú)人機(jī)的單側(cè)底部支架上，發(fā)射線圈采用磁場(chǎng)極性相反的2 個(gè)橢圓線圈，此耦合機(jī)構(gòu)可成功對(duì)500 W 無(wú)人機(jī)實(shí)施無(wú)線充電，系統(tǒng)效率為90.8%，但是無(wú)人機(jī)的不平衡降落會(huì)使傳輸效率大大降低；文獻(xiàn)[11]提出了一款位于無(wú)人機(jī)腹部位置的圓盤(pán)式接收線圈，發(fā)射線圈采用同心圓線圈設(shè)計(jì)，使得發(fā)射磁場(chǎng)較為均勻，提高了無(wú)人機(jī)的水平容錯(cuò)位能力，但其接收線圈繞制在塑料圓盤(pán)上，使得無(wú)人機(jī)側(cè)的載重增加，飛行時(shí)的電能損耗增加，并且耦合面小、線圈匝數(shù)少，僅適用于小功率場(chǎng)合；文獻(xiàn)[12]提出了一種垂直螺線管的磁耦合機(jī)構(gòu)，其接收裝置安裝在經(jīng)過(guò)改裝的無(wú)人機(jī)起落架的底端，配合鐵氧體插入發(fā)射機(jī)構(gòu)中，可以有效降低系統(tǒng)漏磁，但含鐵氧體的接收裝置易在無(wú)人機(jī)起落過(guò)程中損壞，并且該結(jié)構(gòu)需要改造無(wú)人機(jī)的起落架結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[13]提出將平面空心接收線圈放置于機(jī)架的中心板下，系統(tǒng)傳輸功率為70 W，效率為89%，接收線圈重量較輕不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)增加過(guò)多載重，但是接收線圈的安裝位置占據(jù)了無(wú)人機(jī)下方大部分空間，導(dǎo)致其云臺(tái)等設(shè)備無(wú)法安裝。

由上述文獻(xiàn)分析可知，無(wú)線充電技術(shù)在無(wú)人機(jī)方面的應(yīng)用具有重要研究?jī)r(jià)值，尤其是耦合機(jī)構(gòu)的研究對(duì)于性能提升至關(guān)重要，但是現(xiàn)有耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、電磁干擾、輕量化等方面尚未進(jìn)行深入的研究[14]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的需求，首先采用梯形發(fā)射平臺(tái)固定無(wú)人機(jī)支架解決抗偏移問(wèn)題，然后充分利用無(wú)人機(jī)支架的形狀、空間和位置設(shè)計(jì)線圈，最后以輕量化為目標(biāo)對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)在降落過(guò)程中，易受氣流、地形和風(fēng)速等多種因素的影響，容易出現(xiàn)降落位置偏移的情況，對(duì)于無(wú)線充電系統(tǒng)而言，耦合機(jī)構(gòu)的位置偏移會(huì)嚴(yán)重影響充電功率和效率。此外，還要考慮耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、安裝位置與無(wú)人機(jī)的適應(yīng)性，減小其對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)和能力的影響，同時(shí)保障耦合機(jī)構(gòu)不對(duì)無(wú)人機(jī)造成電磁干擾?；谏鲜鏊伎?，本文提出了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括高頻電源、梯形發(fā)射平臺(tái)、耦合機(jī)構(gòu)、整流與調(diào)壓電路和負(fù)載（無(wú)人機(jī)電池），Cp和Cs分別為原邊與副邊耦合機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償電容。高頻電源產(chǎn)生10～100 kHz 的正弦電流，經(jīng)過(guò)原邊發(fā)射裝置后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；副邊接收裝置通過(guò)磁耦合方式接收原邊電能，再經(jīng)過(guò)整流與調(diào)壓電路變化成電池需要的直流電，繼而為電池充電。

圖1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of wireless charging system for UAVs

為了減小無(wú)人機(jī)在降落時(shí)受環(huán)境因素影響而導(dǎo)致的位置偏移，確保其在降落時(shí)的定位準(zhǔn)確，同時(shí)為高效的無(wú)線充電提供保障，本文采用梯形發(fā)射平臺(tái)來(lái)固定無(wú)人機(jī)位置。無(wú)人機(jī)頂部和腹部位置距離發(fā)射平臺(tái)較遠(yuǎn)，且耦合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其造成一定干擾，因此不宜安裝接收線圈。無(wú)人機(jī)最下側(cè)的支架部分對(duì)無(wú)人機(jī)起到支撐作用，沒(méi)有精密部件的存在，因此，本文設(shè)計(jì)將接收線圈安裝在無(wú)人機(jī)支架位置，以此來(lái)減小耦合機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾并避免接收線圈對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)和能力的影響。同時(shí)，為減少因無(wú)人機(jī)位置偏移而導(dǎo)致的電能損失，平衡無(wú)人機(jī)重量并增加無(wú)線輸電功率，本文設(shè)計(jì)在兩側(cè)支架上均安裝接收線圈，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)高效的耦合電能傳輸，將發(fā)射線圈和接收線圈采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并確保位置對(duì)齊。

本設(shè)計(jì)中兩側(cè)發(fā)射線圈采用順向串聯(lián)的形式進(jìn)行連接，以保證兩側(cè)發(fā)射線圈通過(guò)大小相同的電流，使其電流的渦流方向相同，從而在傳輸電磁信號(hào)時(shí)具有相同的相位和方向，使電磁場(chǎng)可以更加集中在梯形發(fā)射支架中，減小因磁場(chǎng)的泄漏和輻射對(duì)無(wú)人機(jī)造成的干擾，使電流流動(dòng)更為穩(wěn)定和連續(xù)。兩側(cè)接收線圈與發(fā)射線圈同樣采用順向串聯(lián)連接的形式，使其高效和可靠地接收電能。

無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，從而增大傳輸功率和效率，目前無(wú)線充電的基本補(bǔ)償結(jié)構(gòu)有4 種，分別是原邊串聯(lián)-副邊串聯(lián)SS（series-series）、原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)SP（series-parallel）、原邊并聯(lián)-副邊并聯(lián)PP（parallel-parallel）、原邊并聯(lián)-副邊串聯(lián)PS（parallel-series）。由反射阻抗原理的推導(dǎo)可知，SS與SP 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電容與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)，PP與PS 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電容與負(fù)載電阻有關(guān)。值得注意的是，無(wú)人機(jī)電池在充電過(guò)程中其負(fù)載會(huì)隨時(shí)間的增加而增大，這使得系統(tǒng)電路無(wú)法一直處于諧振狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效率傳輸電能。相比SP 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，SS 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的拓?fù)渚哂泻懔鬏敵鎏匦?，其功率因?shù)不受負(fù)載電阻的影響，更加適用于鋰電池充電場(chǎng)合，故本文采用SS 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)需要滿足中大型無(wú)人機(jī)電池的充電功率需求，對(duì)于無(wú)線充電而言，增加線圈匝數(shù)和長(zhǎng)度可以增加其磁場(chǎng)密度；在耦合機(jī)構(gòu)中加入導(dǎo)磁性良好的材料可以增大傳輸功率和效率，但同時(shí)會(huì)增加耦合機(jī)構(gòu)的重量，對(duì)于無(wú)人機(jī)而言，過(guò)重的耦合機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)其載重能力和飛行效率造成影響。無(wú)人機(jī)無(wú)線充電耦合機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)有：線圈長(zhǎng)度、線圈匝數(shù)、磁性材料與系統(tǒng)傳輸頻率等，在耦合機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)中不同參數(shù)相互耦合，對(duì)系統(tǒng)影響比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，因此，本文采用有限元仿真的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 耦合機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

本文所設(shè)計(jì)無(wú)線充電系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)需要在不影響無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)和能力的同時(shí)，滿足最大充電電壓48 V、最大充電電流20 A 的電氣需求，且在小范圍內(nèi)發(fā)生位置偏移時(shí)，系統(tǒng)仍具有較高的傳輸效率。目前常用的耦合線圈形狀包括圓形和矩形2 種形式，相比于圓形線圈，矩形線圈具有良好的形狀匹配能力，產(chǎn)生的磁場(chǎng)更為均勻，并且矩形形狀與無(wú)人機(jī)支架相同，可以緊密纏繞在無(wú)人機(jī)支架部位，防止掉落，從而更好地適應(yīng)無(wú)人機(jī)的機(jī)身形態(tài)和空間限制，滿足無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的需求，因此本文發(fā)射和接收線圈均采用矩形形狀。為滿足無(wú)人機(jī)電池最大充電電流20 A 的電氣需求，本文選用橫截面積為3 mm2的500 股利茲線。使用COMSOL有限元仿真軟件搭建耦合機(jī)構(gòu)仿真模型，計(jì)算得到模擬電源對(duì)接收線圈的輸出功率與模擬等效負(fù)載兩端的輸入功率的比值，從而得到耦合機(jī)構(gòu)的傳輸效率；通過(guò)參數(shù)掃描的方式，對(duì)線圈匝數(shù)、線圈長(zhǎng)度、工作頻率與鐵磁材料的參數(shù)進(jìn)行變更，從而對(duì)不同參數(shù)下耦合機(jī)構(gòu)的傳輸效率對(duì)比分析，以此對(duì)雙耦合線圈耦合機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

發(fā)射線圈和接收線圈傳輸距離越近其傳輸效率越高，但對(duì)于無(wú)人機(jī)而言，需要留有一定空間裕量便于其順利起降，因此傳輸距離選定為10 mm。為使接收線圈與無(wú)人機(jī)支架有更好的適應(yīng)性，將其寬度與支架寬度保持一致，固定為130 mm。同時(shí)，按照無(wú)人機(jī)快速無(wú)線充電的功率需求，系統(tǒng)輸出功率需要大于等于1 kW。因線圈長(zhǎng)度、工作頻率也是重點(diǎn)研究參數(shù)，故采用控制變量法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

根據(jù)無(wú)人機(jī)支架結(jié)構(gòu)，線圈長(zhǎng)度最大為180 mm，因此先研究線圈長(zhǎng)度為180 mm、耦合機(jī)構(gòu)不加入磁性材料時(shí)的參數(shù)對(duì)傳輸效率的影響。在不同傳輸頻率下，分別改變耦合線圈匝數(shù)，得到不同頻率下線圈匝數(shù)與傳輸效率的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 線圈匝數(shù)與傳輸效率關(guān)系Fig.2 Coil turns versus transmission efficiency

由圖2 可知，在傳輸頻率60 和80 kHz 下，不同線圈匝數(shù)的傳輸效率均可保持在90%以上，而傳輸頻率20 和40 kHz 下的傳輸效率與前兩者差距較大，因此傳輸頻率為60 或80 kHz 時(shí)更佳。傳輸頻率為60 kHz、線圈在匝數(shù)為8、9、10、11 時(shí)傳輸效率較大，分別為94.959%、95.220%、95.140%、95.046%；而傳輸頻率為80 kHz、線圈匝數(shù)為8、9、10、11 時(shí)傳輸效率較大，分別為95.918%、95.930%、95.623%、95.400%。雖然線圈9 匝時(shí)效率最大，但與線圈8 匝效率差距不大，因此考慮輕量化原則，選定匝數(shù)為8。

在不同傳輸頻率下，分別改變耦合線圈長(zhǎng)度，得到不同頻率下線圈長(zhǎng)度與傳輸效率的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 線圈長(zhǎng)度與傳輸效率關(guān)系Fig.3 Coil length versus transmission efficiency

由圖3 可知，在傳輸頻率60 和80 kHz 下，不同線圈長(zhǎng)度的傳輸效率均可保持在90%以上，而傳輸頻率20 和40 kHz 下的傳輸效率與前兩者差距較大，因此傳輸頻率為60 或80 kHz 時(shí)更佳。傳輸頻率為60 kHz、線圈在長(zhǎng)度為120、130、140、150、160、170、180 mm（線圈長(zhǎng)度最大值）時(shí)的傳輸效率分別為92.022%、92.855%、93.522%、93.996%、94.216%、94.679%、95.132%；傳輸效率增長(zhǎng)率由0.90%逐漸減小為0.22%，當(dāng)線圈長(zhǎng)度從120 mm 逐漸增加到160 mm 時(shí)，傳輸效率的增長(zhǎng)率呈現(xiàn)逐漸緩慢的態(tài)勢(shì)；而在160 mm 之后增長(zhǎng)率下降趨勢(shì)更為平緩，故線圈長(zhǎng)度大于160 mm 時(shí)，每增長(zhǎng)10 mm 其傳輸效率增加效果不顯著；傳輸頻率為80 kHz、線圈長(zhǎng)度 為120、130、140、150、160、170、180 mm 時(shí)的傳輸效率分別為94.025%、94.581%、95.033%、95.325%、95.574%、95.761%、95.921%，傳輸效率增長(zhǎng)率由0.59%減小為0.17%，當(dāng)線圈長(zhǎng)度從120 mm 逐漸增加到160 mm 時(shí)，傳輸效率的增長(zhǎng)率呈現(xiàn)逐漸緩慢的態(tài)勢(shì)，而在160 mm 之后增長(zhǎng)率下降趨勢(shì)更為平緩。雖然線圈長(zhǎng)度增加時(shí)效率會(huì)隨之增大，但傳輸效率改善不顯著，且會(huì)使無(wú)人機(jī)載重增加，因此考慮輕量化原則，選定長(zhǎng)度為160 mm。

從上述仿真結(jié)果對(duì)比中可以看出，系統(tǒng)傳輸頻率越高，耦合線圈在不同參數(shù)下的傳輸效率越高，并且在傳輸頻率為60 和80 kHz 時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率在不同參數(shù)下均大于等于90%。然而較高的傳輸頻率會(huì)增加電源的開(kāi)關(guān)損耗，并對(duì)無(wú)人機(jī)造成電磁干擾，因此在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)時(shí)需要權(quán)衡傳輸頻率與其他因素之間的平衡，故本文選擇60 kHz 為系統(tǒng)傳輸頻率。

同時(shí)，為探究磁性材料對(duì)耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率的影響，固定線圈的匝數(shù)為8、長(zhǎng)度為160 mm、工作頻率為60 kHz，在輸出功率為1 kW 時(shí)，改變磁性材料（鐵氧體）在耦合機(jī)構(gòu)中的安放位置，得到不同傳輸距離下磁性材料安放位置與傳輸效率的關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 磁性材料不同安放位置與傳輸效率關(guān)系Fig.4 Relationship between different placement positions of magnetic materials and transmission efficiency

由圖4 可知，隨著傳輸距離的增加，傳輸效率會(huì)隨之降低。在傳輸距離為10 mm 時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)中不加磁性材料時(shí)的傳輸效率為94.90%，接收側(cè)加入磁性材料時(shí)的傳輸效率為95.26%，發(fā)射側(cè)和接收側(cè)均加入磁性材料時(shí)的傳輸效率為95.41%。接收側(cè)加入磁性材料與雙側(cè)均不加入磁性材料相比傳輸效率增加了0.36%，雙側(cè)均加入磁性材料與雙側(cè)均不加入磁性材料相比傳輸效率增加了0.51%，盡管耦合機(jī)構(gòu)中加入磁性材料后的傳輸效率有所提升，但相比之下效率改善不顯著，且會(huì)增加無(wú)人機(jī)側(cè)的載重，因此考慮輕量化原則，耦合機(jī)構(gòu)中不加入磁性材料。

通過(guò)仿真分析，明確了耦合線圈匝數(shù)、長(zhǎng)度、工作頻率和磁性材料對(duì)耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率的影響，并按照輕量化原則選取了優(yōu)化后的參數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，這些因素同時(shí)存在，且和系統(tǒng)中其他因素相互作用。本文為了更加真實(shí)地模擬系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以塑料支架代替無(wú)人機(jī)支架搭建了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5 所示，其中包括高頻電源、耦合機(jī)構(gòu)、模擬梯形發(fā)射平臺(tái)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和無(wú)人機(jī)電池模擬負(fù)載。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中耦合線圈的參數(shù)、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)數(shù)值以及系統(tǒng)頻率等參數(shù)如表1 所示。耦合機(jī)構(gòu)中的耦合線圈是由橫截面積為3 mm2的500 股利茲線繞制而成，模擬發(fā)射平臺(tái)與目標(biāo)無(wú)人機(jī)的傾斜角度相同，逆變電源連接到耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)串聯(lián)發(fā)射線圈上，兩側(cè)串聯(lián)接收線圈與雙發(fā)射線圈保持正對(duì)，其后接高頻整流電路進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)模擬負(fù)載進(jìn)行供電，用功率分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射線圈和接收線圈上的電壓、電流與功率。

圖5 無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Wireless charging experimental system

在傳輸距離為10 mm，系統(tǒng)工作頻率為60 kHz，良好對(duì)準(zhǔn)的工作條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，功率分析儀所測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6 所示。發(fā)射線圈輸入電壓為75.355 V，輸入電流為18.679 A，輸入功率為1.245 4 kW，等效負(fù)載充電電壓為80.634 V，充電電流為16.995 8 A，同時(shí)輸出功率為1.190 05 kW，因此耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率為95.554%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該耦合機(jī)構(gòu)可以高效地為無(wú)人機(jī)負(fù)載傳輸電能。

圖6 輸入、輸出功率測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.6 Input and output power tests data

為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)著陸位置偏移時(shí)對(duì)耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率的影響，本文對(duì)Y 和X 兩方向整體偏移情況下的傳輸效率變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中XYZ 三維方向如圖5 所示，以兩側(cè)線圈的幾何中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。在兩側(cè)傳輸距離為10 mm 時(shí)，得到無(wú)人機(jī)在沿Y 軸正方向不同偏移距離下與傳輸效率和耦合線圈互感變化的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 沿Y 軸不同偏移距離下傳輸效率與互感變化曲線Fig.7 Curves of transmission efficiency versus mutual inductance at different offset distances along Y-axis

由圖7 可知，隨著偏移距離的增加，傳輸效率與耦合機(jī)構(gòu)之間的互感會(huì)隨之減小。由圖7（a）可知，偏移距離為80 mm 時(shí)，傳輸效率降低為85.65%，當(dāng)偏移距離為100 mm 時(shí)，傳輸效率降低為74.64%。由圖7（b）可知，偏移距離80 mm 以內(nèi)，耦合機(jī)構(gòu)偏移步長(zhǎng)為20 mm 時(shí)，互感值平均減小0.9 μH；偏移距離大于80 mm 后，互感值減小量增大為3.31 μH。在偏移距離超過(guò)80 mm 后，耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率與互感值減小趨勢(shì)增大，因此，該耦合機(jī)構(gòu)在沿Y 軸正方向0～80 mm 范圍內(nèi)具有良好的抗偏移傳輸特性，與仿真結(jié)果趨勢(shì)相同。

改變耦合機(jī)構(gòu)的傳輸距離分別為10、15 和20 mm，以5 mm 為步長(zhǎng)將接收線圈逐漸的沿X軸正方向進(jìn)行偏移，實(shí)驗(yàn)得到不同偏移距離與傳輸效率和耦合線圈互感變化關(guān)系如圖8 所示。

由圖8 可知，當(dāng)兩側(cè)傳輸距離相同時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率與互感均會(huì)隨著傳輸距離的增加而減小。由圖8（a）可知：傳輸效率隨著傳輸距離的增加而下降，當(dāng)傳輸距離擴(kuò)大到20 mm 時(shí)，傳輸效率為92.34%，因此在左右對(duì)稱(chēng)的距離下，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電池電能的穩(wěn)定有效傳輸；當(dāng)兩側(cè)傳輸距離不同時(shí)，即一側(cè)傳輸距離增加而另一側(cè)傳輸距離減少的情況下傳輸效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)一側(cè)的傳輸距離為0 時(shí)，與沒(méi)有發(fā)生偏移時(shí)相比，傳輸效率會(huì)有所降低；在傳輸距離為15 mm，向左偏移15 mm，即傳輸距離為左30 mm 和右0 時(shí)，傳輸效率為89.46%；在傳輸距離為20 mm，向左偏移20 mm，即傳輸距離為左40 mm 和右0 時(shí)，傳輸效率為84.75%。由圖8（b）可知：耦合機(jī)構(gòu)互感隨著傳輸距離的增加而下降，當(dāng)傳輸距離擴(kuò)大為20 mm 時(shí)，互感為20.75 μH，相較于傳輸距離10 mm 時(shí)的21.88 μH，降低了1.13 μH，因此在左右對(duì)稱(chēng)的距離下，互感變化量較??；當(dāng)兩側(cè)傳輸距離不同時(shí)，在一側(cè)傳輸距離增加而另一側(cè)傳輸距離減少的情況下耦合機(jī)構(gòu)的互感也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)一側(cè)的傳輸距離為0 mm 時(shí)，與沒(méi)有發(fā)生偏移時(shí)相比，互感會(huì)明顯降低；在傳輸距離為20 mm，向左偏移20 mm，即傳輸距離為左40 mm 和右0 時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)互感為15.87 μH，此時(shí)傳輸效率為84.75%。因此，該耦合機(jī)構(gòu)在沿X 軸正方向0～40 mm 范圍內(nèi)，均可保持較高的傳輸效率，與仿真結(jié)果趨勢(shì)相同。

為進(jìn)一步觀察耦合機(jī)構(gòu)在不同方向的偏移特性，得出在傳輸距離為10 mm 時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)位置正對(duì)與沿Y 軸正方向偏移100 mm 時(shí)的電壓和電流變化實(shí)驗(yàn)波形；在傳輸距離為20 mm 時(shí)，沿X 軸正方向偏移20 mm 時(shí)的實(shí)驗(yàn)電壓和電流變化波形，如圖9 所示。

圖9 不同偏移程度時(shí)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)電壓和電流波形Fig.9 Correlated experimental voltage and current waveforms at different offset levels

為保持接收側(cè)的接收功率不變，增加了高頻逆變電源的輸出電壓和功率。由圖9 可知：耦合機(jī)構(gòu)沿X 和Y 軸方向偏移時(shí)，發(fā)射線圈兩端電壓相位會(huì)超前于電流相位，從而使耦合機(jī)構(gòu)工作在感性狀態(tài)，使得無(wú)線充電過(guò)程中的無(wú)功增大，耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率降低；沿X 軸正方向偏移時(shí)的電壓紋波相比于Y 軸的?。获詈蠙C(jī)構(gòu)在沿X 軸方向偏移20 mm時(shí)其相位變化量與電源電壓增大量均比沿Y 軸方向偏移100 mm 時(shí)小，其傳輸效率對(duì)比位置正對(duì)時(shí)下降幅度較低。因此，耦合機(jī)構(gòu)沿X 軸方向的抗偏移能力優(yōu)于Y 軸方向。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于中大型無(wú)人機(jī)的接收側(cè)輕量化無(wú)線充電耦合機(jī)構(gòu)，并具有良好的抗偏移特性。通過(guò)有限元仿真對(duì)比分析的方法，研究了耦合線圈在不同線圈匝數(shù)、不同長(zhǎng)度、在不同位置加入鐵氧體和不同系統(tǒng)頻率下對(duì)無(wú)線充電傳輸效率的影響，結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)原則優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該耦合機(jī)構(gòu)在不過(guò)多增加無(wú)人機(jī)側(cè)載重的同時(shí)具有較高的傳輸能效，且具有一定的抗偏移能力，所得結(jié)論如下。

（1）本文所設(shè)計(jì)耦合機(jī)構(gòu)可有效對(duì)無(wú)人機(jī)電池以1.2 kW 功率進(jìn)行充電，傳輸效率為95.554%，無(wú)人機(jī)側(cè)耦合機(jī)構(gòu)重量為320 g，因此該耦合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)電池的高效能無(wú)線充電，并且位于無(wú)人機(jī)側(cè)的重量小，滿足耦合機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的需求。

（2）對(duì)耦合機(jī)構(gòu)在無(wú)人機(jī)縱向（Y）和橫向（X）兩個(gè)方向下對(duì)其偏移特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析可知，在1 kW接收功率等級(jí)下，無(wú)人機(jī)在縱向0～80 mm、橫向0～40 mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生偏移時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率都大于等于85%，抗偏移性較好。