強(qiáng)抗偏移輕量化無人機(jī)無線傳能耦合機(jī)構(gòu)研究

鄭紅星 左非 孫雪戈

doi：10.11835/j.issn.1000.582X.2023.09.011

收稿日期：2022-03-22

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（52007012）。

Foundation：Supported by National Natural Science Foundation of China （52007012）.

作者簡介：鄭紅星，（1978—），男，碩士，主要從事無線電能傳輸技術(shù)和電氣系統(tǒng)設(shè)計方向研究，（E-mail）zhx203@126.com。

通信作者：孫雪戈，（1995—），男，碩士，主要從事無線電能傳輸技術(shù)和電力電子建?？刂萍夹g(shù)方向研究，（E-mail）707313135@qq.com。

摘要：無線電能傳輸技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用中，無人機(jī)降落時由于定位精度以及?？繒r的控制精度存在誤差，會導(dǎo)致?？课恢貌粶?zhǔn)確而產(chǎn)生偏移，由于無人機(jī)本身體型較小，耦合機(jī)構(gòu)的尺寸也會較小，此時存在的偏移會導(dǎo)致耦合機(jī)構(gòu)的耦合程度降低，進(jìn)而導(dǎo)致無線電能傳輸系統(tǒng)工作效率降低，影響系統(tǒng)正常工作。為提高系統(tǒng)的抗偏移特性，需要對無人機(jī)無線充電系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計及優(yōu)化。筆者通過結(jié)合無人機(jī)結(jié)構(gòu)特性，在用線量一致的約束條件下分析對比不同耦合機(jī)構(gòu)的耦合特性，設(shè)計適用于無人機(jī)的最佳耦合機(jī)構(gòu)；對耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行以M/l為優(yōu)化目標(biāo)的輕量化優(yōu)化；最后通過仿真和實驗驗證了該耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化方法的可行性。

關(guān)鍵詞：無線電能傳輸；耦合機(jī)構(gòu)；輕量化；抗偏移

中圖分類號：TM724 ?????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?????文章編號：1000-582X（2023）09-110-10

Coupling mechanism of wireless power transfer of UAV with strong anti-offset and lightweight

ZHENG Hongxing¹， ZUO Fei¹， SUN Xuege²

（1. Xian Institute of Modern Control Technology， Xian 710065， P. R. China; 2. School of Automation， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China.）

Abstract： In the practical application of wireless power transmission technology for unmanned aerial vehicles（UAVs）， inaccuracies in positioning and docking control during UAV landing can lead to errors in docking position and displacement. Due to the small size of the UAV， the coupling mechanisms size is also limited， and any offset at this time can reduce the coupling efficiency of coupling mechanism， which in turn leads to the reduction of the efficiency of the wireless power transmission system， affecting its normal operation. Therefore， to improve the systems anti-offset characteristics， it is necessary to design and optimize the coupling mechanism of the UAV wireless charging system. This study analyzes and compares the coupling characteristics of different coupling mechanisms with considering consistent line usage and the structural characteristics of UAVs. A suitable coupling mechanism for UAVs is then designed and the parameters of the coupling mechanism are optimized for lightweight， using M/l as the optimization goal. Finally， the feasibility of optimization method for the coupling mechanism is verified by simulation and experiment.

Keywords： wireless power transfer; coupling mechanism; lightweight; anti-offset

無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）是一種將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量（如電磁場能、激光、微波及機(jī)械波等），隔空傳輸一段距離后，再通過接收裝置將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)電能非接觸傳輸?shù)募夹g(shù)^[1?3]。將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)邊境巡防中，可以有效解決無人機(jī)在無人區(qū)域的充電問題，此時需要在一些固定的據(jù)點(diǎn)設(shè)置無人機(jī)無線充電平臺，當(dāng)無人機(jī)電量不足時，降落至附近平臺充電；當(dāng)電量充足時，無人機(jī)繼續(xù)執(zhí)行巡防計劃。此外，對于一些人跡罕至、通電困難的區(qū)域，可以搭建車載無線充電平臺，在執(zhí)勤路線上?？科?，執(zhí)行無人機(jī)飛行任務(wù)。這種模式提高了巡防效率，在一些特殊地形地貌，無人機(jī)的作用更加凸顯^[4?6]。

無人機(jī)無線充電技術(shù)有很多優(yōu)勢，但由于發(fā)展時間較短以及技術(shù)特征^[7?12]，依然存在著一系列亟需解決的問題。磁耦合無線充電技術(shù)對系統(tǒng)參數(shù)的變化十分敏感，當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)發(fā)生偏移、傳輸距離改變時，系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率都會受到相當(dāng)大的影響。磁耦合無線充電技術(shù)中的耦合機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)整體傳輸性能的影響十分明顯，而耦合機(jī)構(gòu)的尺寸、大小、有無磁芯又受到系統(tǒng)應(yīng)用場景限制，對于耦合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化問題一直是眾多學(xué)者們的研究方向。來自拉奎拉大學(xué)的無線電能傳輸研究團(tuán)隊為解決陣列切換時耦合機(jī)構(gòu)互感跌落導(dǎo)致副邊輸出電壓降低的問題，設(shè)計出一種原邊線圈互相重疊的矩形線圈陣列^[13]。韓國高級科學(xué)技術(shù)學(xué)院（KAIST）的研究團(tuán)隊設(shè)計了基于螺線管繞組的三相耦合繞組，原邊線圈和副邊線圈都設(shè)計成對稱的三相螺線管繞組^[14]，通過對比分析與單相繞組系統(tǒng)的電流失真，得出可以降低繞組中的電流，提升系統(tǒng)整體的傳輸功率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊也對磁場耦合技術(shù)中的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多年研究，主要針對傳輸性能和傳輸特性以及中繼線圈進(jìn)行了多種分析^[15?16]，對變負(fù)載以及動態(tài)充電等動態(tài)變化過程進(jìn)行研究^[17]，提出一種基于端口網(wǎng)絡(luò)阻抗分析來設(shè)計耦合機(jī)構(gòu)線圈參數(shù)的方法^[18]。筆者用線量一致的約束條件下分析對比不同耦合機(jī)構(gòu)的耦合特性，設(shè)計具備較強(qiáng)抗偏移特性的輕量無人機(jī)無線電能傳輸系統(tǒng)，提出以λ為優(yōu)化目標(biāo)對耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化，通過做出λ變化曲線得到性能最優(yōu)的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)。

1抗偏移輕量化耦合機(jī)構(gòu)分析

1.1耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

無人機(jī)無線充電系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)一般為圓形線圈、方形線圈、螺線管繞線線圈。研究以耦合機(jī)構(gòu)線圈的用線量一致為約束條件，利用COMSOL建立耦合機(jī)構(gòu)模型，然后對耦合機(jī)構(gòu)耦合性能進(jìn)行分析。建立圓形線圈、方形線圈、圓形螺線管、方形螺線管模型如圖1所示，其各項參數(shù)如表1所示。

以用線量一致與磁芯用量一致為約束條件得到上面幾種耦合機(jī)構(gòu)，然后利用COMSOL對耦合機(jī)構(gòu)耦合特性進(jìn)行仿真分析得到系統(tǒng)抗偏移特性（如圖2所示）。從圖2中可以看到，在用線量一致及匝間距相等的情況下，螺線管型線圈的耦合能力和抗偏移能力都強(qiáng)于平面型線圈。而圓形螺線管的抗偏移能力在x軸和y軸方向上偏差較大，在相同約束條件下，方形螺線管線圈在x軸和y軸的抗偏移能力強(qiáng)于圓形螺線管型線圈。綜上分析可得，方形螺線管耦合機(jī)構(gòu)耦合能力最強(qiáng)。但螺線管型線圈也存在弊端，它在x、y 2個方向軸上的抗偏移能力存在差距，為了減少在2個方向上的耦合特性差距，設(shè)計一種新型螺線管型線圈。在方形螺線管的基礎(chǔ)上，在x軸進(jìn)行線圈繞制之后，在y軸也進(jìn)行線圈的繞制，圖3是十字復(fù)合線圈的示意圖，以此增加螺線管形式的線圈在y軸方向上的抗偏移能力，接下來對十字型復(fù)合線圈的耦合特性進(jìn)行研究。

以用線量一致為約束條件，進(jìn)行建模分析時，復(fù)合耦合機(jī)構(gòu)可以看成是由2組線圈串聯(lián)而成的，那么在約束條件下，這2組線圈參數(shù)的優(yōu)化對耦合機(jī)構(gòu)的性能以及整體線圈的抗偏移特性等都會產(chǎn)生影響。在COMSOL中建立十字復(fù)合耦合機(jī)構(gòu)模型，通過參數(shù)化掃描保持約束條件不變，更改線圈匝數(shù)之間的關(guān)系，仿真計算出不同情況的耦合機(jī)構(gòu)抗偏移特性，然后進(jìn)行對比分析，得出一組整體耦合性能最優(yōu)的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)，如表2所示，其中，原邊線圈1（平行于y軸）為40匝，原邊線圈2（平行于x軸）為8匝，副邊線圈1（平行于y軸）為40匝，副邊線圈2（平行于x軸）為4匝（如圖4所示）。然后以耦合性能最優(yōu)的線圈與優(yōu)化前的方形螺線管耦合特性進(jìn)行對比分析。

為了更好地分析2種耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移特性，將方形螺線管和十字螺線管隨著x軸偏移增加，其互感變化的差值作圖如圖5所示，其中互感差指示無偏移的互感減去有偏移時的互感。

由圖5可以看出，偏移從0～30 mm，十字螺線管的互感差值要小于方形螺線管。由此說明，在用線量一致以及磁芯一致的約束條件下，十字螺線管的耦合性能要強(qiáng)于方形螺線管。

1.2輕量化耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化

磁感應(yīng)無線電能傳輸系統(tǒng)是利用一個線圈電流發(fā)生變化所產(chǎn)生的磁場對另一個線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的原理進(jìn)行電能傳輸?shù)?，兩者之間的磁場是通過磁通聯(lián)系起來的，這里設(shè)互感耦合的2個線圈分別為線圈1、2，Ψ₁₂表示為線圈1中電流I₁產(chǎn)生的磁場對線圈2提供的磁通鏈匝數(shù)。令Ψ₁₂=N₂ψ₁₂，式中：N₂為線圈2的匝數(shù)；ψ₁₂為I₁產(chǎn)生的磁場對線圈2中每一匝提供的磁通匝鏈數(shù)。同理，Ψ₂₁為線圈2中電流I₂產(chǎn)生的磁場對線圈1提供的磁通匝鏈數(shù)，Ψ₂₁=N₁ψ₂₁。理論表明Ψ₁₂與I₁成正比，Ψ₂₁與I₂成正比，其比例系數(shù)成為2個線圈間的互感系統(tǒng)，簡稱為互感?？杀硎緸?/p>

而磁通ψ是磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積的乘積，即

磁鏈Ψ是導(dǎo)電線圈所通過的總磁通量，滿足

代入式（2）得

對于導(dǎo)磁介質(zhì)來說，存在磁飽和特性。當(dāng)外界磁場強(qiáng)度慢慢加強(qiáng)時，鐵磁材料內(nèi)部的磁通密度也會慢慢加強(qiáng)。當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到一定程度，再加強(qiáng)時，鐵磁材料的磁通密度增強(qiáng)的速度越來越慢。根據(jù)磁通的關(guān)系可以知道互感M與線圈形狀、相對位置以及周圍介質(zhì)有關(guān)。在耦合線圈周圍含有導(dǎo)磁能力弱的空氣以及導(dǎo)磁能力強(qiáng)的鐵氧體磁芯。磁飽和曲線如圖6所示。

結(jié)合上述分析可得：隨著電流增大，匝數(shù)N、面積S保持不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B達(dá)到磁飽和后保持不變，那么M就會減小，導(dǎo)致耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率降低，并且隨著磁飽和現(xiàn)象發(fā)生，磁感應(yīng)產(chǎn)生的能量會消耗在磁芯發(fā)熱上，進(jìn)一步對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。

為了對耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化做具體分析，筆者提出λ=M/l₂作為衡量耦合機(jī)構(gòu)輕量化的指標(biāo)，M為耦合機(jī)構(gòu)之間的互感值，l₂為耦合機(jī)構(gòu)長度，λ表示為單位長度下耦合機(jī)構(gòu)的互感值，對于耦合機(jī)構(gòu)輕量化分析而言，通過分析單位長度下互感值的變化情況來確定耦合機(jī)構(gòu)的最優(yōu)輕量化參數(shù)，在對耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化掃描時可知，隨著耦合機(jī)構(gòu)的長度增加，耦合機(jī)構(gòu)之間的互感也會隨著增加，但在耦合機(jī)構(gòu)變化的過程中，互感的變化率會改變，因此，可以認(rèn)為在變化率達(dá)到最大值時，即此時對應(yīng)長度的耦合機(jī)構(gòu)，每單位長度提供的互感值最大，此時耦合機(jī)構(gòu)輕量化優(yōu)化效果最好，接下來通過對耦合機(jī)構(gòu)λ參數(shù)的分析來衡量耦合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化效果。

對于使用了磁芯增強(qiáng)耦合能力的耦合機(jī)構(gòu)而言，分析其耦合性能采取公式分析的方法無法進(jìn)行較為精確的計算，因此，采用COMSOL軟件對其建立模型，仿真計算耦合機(jī)構(gòu)性能。采用基于COMSOL參數(shù)化掃描的算法對副邊耦合機(jī)構(gòu)的長度l₂以及x軸繞線線圈長度l₄進(jìn)行仿真運(yùn)算，直至計算出λ性能最優(yōu)的副邊耦合機(jī)構(gòu)。首先針對耦合機(jī)構(gòu)的磁芯進(jìn)行優(yōu)化，得到適當(dāng)?shù)拇判鹃L度；其次針對線圈長度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化流程如圖7所示。

由于副邊耦合機(jī)構(gòu)磁芯長度l₄與線圈長度l₂存在一定的關(guān)系，但關(guān)系并不呈線性變化，因此，在改變磁芯長度的同時，線圈長度變化也會對耦合機(jī)構(gòu)的耦合性能產(chǎn)生影響；假設(shè)耦合模型副邊線圈長度為l₄，副邊磁芯長度為l₂，且滿足線圈長度與磁芯長度保持一致的約束條件。通過參數(shù)化掃描的方式改變l₂和l₄的值，得到耦合機(jī)構(gòu)的耦合性能優(yōu)化參數(shù)M/l。優(yōu)化過程采用COMSOL仿真軟件，對耦合機(jī)構(gòu)長度l₂作線性化參數(shù)掃描得到對應(yīng)的耦合機(jī)構(gòu)性能如圖8所示。

由圖可知，在一定范圍內(nèi)，隨著耦合機(jī)構(gòu)長度l₂增加，互感在逐漸增大，但是隨著副邊耦合機(jī)構(gòu)長度l₂變化，M/l₂的變化率在發(fā)生變化，于是通過對上圖進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化目標(biāo)λ的變化圖，如圖9所示。

從上圖λ的變化曲線可以直觀看出輕量化優(yōu)化的效果，當(dāng)磁芯長度l₂小于100 mm時，互感隨耦合機(jī)構(gòu)單位長度變化率在不斷增加，當(dāng)l₂大于100 mm后，互感隨耦合機(jī)構(gòu)單位長度變化率在逐漸降低，于是可以得出：對于無線充電系統(tǒng)設(shè)計而言，當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)可偏移容忍度以及耦合機(jī)構(gòu)形狀等參數(shù)確定后，可以通過改變耦合機(jī)構(gòu)長度來實現(xiàn)對耦合機(jī)構(gòu)的輕量化優(yōu)化，以達(dá)到在所用耦合機(jī)構(gòu)最小的情況下，無線充電系統(tǒng)的單位抗偏移性能最好，研究對耦合機(jī)構(gòu)磁芯的輕量化優(yōu)化結(jié)果為耦合機(jī)構(gòu)長度l₂設(shè)置為100 mm。

2實驗驗證

2.1耦合機(jī)構(gòu)抗偏移特性實驗

按照表2所示參數(shù)對耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了繞制，實物如圖10所示。

對耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行抗偏移特性實驗，得到的互感與耦合機(jī)構(gòu)特性仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，互感抗偏移特性圖如圖11所示，實驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)變化率趨于一致，可以說明耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化的可信度。

通過實驗驗證十字線圈與方形螺線管線圈的抗偏移特性。將十字螺線管與方形螺線管在x軸的抗偏移特性進(jìn)行對比，結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，十字螺線管的互感變化值要小于方形螺線管。由此說明，在用線量一致以及磁芯一致的約束條件下，十字螺線管的耦合性能要強(qiáng)于方形螺線管，證實了提出的耦合機(jī)構(gòu)的特性。

2.2硬件實驗

接下來以大疆M210無人機(jī)為例進(jìn)行無人機(jī)無線充電系統(tǒng)設(shè)計，該無人機(jī)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)如表3所示。

搭建了如圖13所示的實驗平臺對系統(tǒng)進(jìn)行耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)實驗驗證，對實際繞制的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行重量測量，測得其耦合機(jī)構(gòu)重量僅為82 g，相對于無人機(jī)整體的3 840 g而言，耦合機(jī)構(gòu)其重量僅占比2%，耦合機(jī)構(gòu)對負(fù)重影響很小。

逆變輸出電壓、電流以及負(fù)載輸出電壓、電流波形如圖14所示?？梢钥闯瞿孀冚敵鲭娏鬏p微滯后于電壓，說明系統(tǒng)實現(xiàn)了ZVS，其傳輸效率得到提升。測得的系統(tǒng)輸出電壓為22.9 V，系統(tǒng)輸出功率為206.1 W，系統(tǒng)工作效率為90.17%。

在偏移情況下，系統(tǒng)功率變化的仿真與實驗波形如圖15所示，可以看出系統(tǒng)特性與仿真變化趨勢相同，實驗效果略低于仿真結(jié)果。

3結(jié)??論

針對無人機(jī)無線充電系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)化，通過對幾種可用的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行條件約束，得到耦合機(jī)構(gòu)的耦合性能，對比分析得到性能最優(yōu)的耦合機(jī)構(gòu)。筆者提出以λ為優(yōu)化目標(biāo)對耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化，通過做出λ變化曲線得到性能最優(yōu)的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)，對所提出的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行實驗證實了可行性。

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（編輯??侯湘）