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研究背景

传统的无线电能传输系统中的发射线圈通常为圆形和方形线圈，无人机降落受外界风力、信号等影响引起的平面偏移和旋转偏移会直接影响磁耦合机构的耦合特性，进而影响无人机无线充电系统的稳定运行。为解决该问题，本文提出一种共形式磁耦合机构，提升系统偏移容忍性。

论文所解决的问题及意义

设计共形式磁耦合机构的尺寸、匝数和高度等参数可以减小系统发生偏移时互感波动，提升系统能效特性。为提升系统偏移容忍性，首先需要合理设计发射端内外线圈的参数，其次设计接收线圈的参数，以减小偏移后发射线圈和接收线圈间的互感波动，本文旨在解决“共形式磁耦合机构磁场分布”这一关键科学问题。

研究成功将进一步丰富强偏移性能无线充电系统的理论体系，同时为无人机无线充电系统的产业化和商业化应用提供理论指导和工程参考。

论文方法及创新点

本文提出的共形式磁耦合机构如图1所示，该耦合机构发射线圈由两个反向绕制的竖直同轴螺线管线圈串联组成，接收线圈由两个同向绕制的竖直非同轴螺线管线圈串联组成。

该新型磁耦合机构的优势为：①发射线圈产生的环形磁场区域能够容忍无人机降落时产生的全方向旋转偏移；②在一定程度的平面偏移范围内，发射线圈产生的磁场是均匀的，能够提升系统的平面抗偏移性能；③其接收线圈为两个串联绕制的螺线管线圈，能够适配多种类型的无人机，且占用较小的体积，隐蔽性能高，提升了对无人机的适配性。

图1 共型式磁耦合机构

发射线圈的磁场分布如图2所示。由图2可知，两个发射线圈中间的环形区域磁感应强度分布均匀且较强，外发射线圈外部和内发射线圈内部区域磁感应强度较弱。

图2 发射线圈磁场分布

本文所提出的共形式磁耦合机构设计流程如图 3所示。基本思想为：设计发射端内外线圈的尺寸、匝数和高度等参数使发射线圈磁场在一定范围内保持均匀，设计接收线圈的尺寸、匝数和高度，使发射线圈和接收线圈互感在偏移范围内保持稳定。

搭建的实验样机如图4所示。为展示本文所提出方法的有效性，实验中测试了系统在正对和发生偏移时，系统的输出电压和功率，如图5所示。实验结果显示在±20mm平面偏移范围和旋转偏移时，系统输出电压保持稳定，验证了系统具备良好的抗偏移性能。

图3 耦合机构参数设计流程图

图4 系统实验样机

(a)平面偏移时输出电压变化

(b)旋转偏移时输出电压变化

图5 系统平面偏移时输出测试

结论

本文提出了一种基于共形式磁耦合机构的全方向强抗偏移性强共形化度UAV-WPT系统，该系统耦合机构发射端由两个同轴螺线管反向绕制而成，能够在两个螺线管中间的区域产生增强式匀强磁场，提升了系统的水平和旋转抗偏移性能，接收端由两个竖直螺线管线圈同向组成，能够适应多数类目的无人机，实现了对多类目无人机耦合机构的共形化，提升了耦合机构对多种无人机种类的适配性。

团队介绍

课题组成员隶属于重庆大学无线电能传输技术研究所孙跃教授团队，团队现负责人为王智慧教授。团队自2002年以来一直专业致力于无线电能传输技术及系统方面的研究工作，已经掌握了无线电能传输系统的模型建立、拓扑分析、耦合机构设计及优化、电能双向传输、电能与信号同步传输以及系统的相关控制策略。此外，研发团队还研发出了瓦级到百千瓦级的示范系统，积极推动了该技术在国内的发展。

团队先后获得国家自然科学基金项目近20项、校企合作研发项目50余项、国家863二级子课题、教育部博士点基金、重庆市科委重点基金和重点攻关项目等多项支持。研究团队开展了以无线传能技术机理研究及关键技术突破为主的基础性研究和技术开发工作，在《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《中国电机工程学报》、《电工技术学报》以及ECCE、ICIEA等国际国内重要学术刊物及会议上发表了SCI/EI论文近300篇，申请发明专利100余项。