摘要
无线电能传输技术在无人机领域应用中，无人机降落时由于定位精度以及停靠时的控制精度存在误差，会导致停靠位置不准确而产生偏移，由于无人机本身体型较小，耦合机构的尺寸也会较小，此时存在的偏移会导致耦合机构的耦合程度降低，进而导致无线电能传输系统工作效率降低，影响系统正常工作。为提高系统的抗偏移特性，需要对无人机无线充电系统的耦合机构进行合理的设计及优化。笔者通过结合无人机结构特性，在用线量一致的约束条件下分析对比不同耦合机构的耦合特性，设计适用于无人机的最佳耦合机构；对耦合机构参数进行以M/l为优化目标的轻量化优化；最后通过仿真和实验验证了该耦合机构优化方法的可行性。
无线电能传输（wireless power transfer，WPT）是一种将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，再通过接收装置将中继能量转换为电能，实现电能非接触传输的技
无人机无线充电技术有很多优势，但由于发展时间较短以及技术特
无人机无线充电系统耦合机构一般为圆形线圈、方形线圈、螺线管绕线线圈。研究以耦合机构线圈的用线量一致为约束条件，利用COMSOL建立耦合机构模型，然后对耦合机构耦合性能进行分析。建立圆形线圈、方形线圈、圆形螺线管、方形螺线管模型如
图1 耦合机构模型
Fig. 1 Coupling mechanism mode
| 线圈形状 | Rin/ Lin/线圈半径/线圈边长/mm | Rout/Lout/长度/mm | 匝数 | 用线量/mm | 磁芯尺寸/mm | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 圆形线圈 | 原边线圈 | 30 | 75.5 | 22 | 2400 | R=75.5*3 |
| 副边线圈 | 20 | 50 | 15 | 1000 | R=50*3 | |
| 方形线圈 | 原边线圈 | 30 | 92 | 31 | 2400 | 92*92*5 |
| 副边线圈 | 20 | 59.5 | 19 | 1000 | 59.5*59.5*5 | |
| 圆形螺线管 | 原边线圈 | 20 | 120 | 60 | 2400 | R=20*120 |
| 副边线圈 | 10 | 100 | 60 | 1000 | R=10*100 | |
| 方形螺线管 | 原边线圈 | 31 | 120 | 60 | 2400 | 31*31*120 |
| 副边线圈 | 15 | 100 | 50 | 1000 | 15*15*100 | |
以用线量一致与磁芯用量一致为约束条件得到上面几种耦合机构，然后利用COMSOL对耦合机构耦合特性进行仿真分析得到系统抗偏移特性（如
图2 4种耦合机构抗偏移特性对比
Fig. 2 Comparison of anti deflection characteristics of four coupling mechanisms
图 3 十字复合线圈示意图
Fig. 3 Schematic diagram of cross composite coil
以用线量一致为约束条件，进行建模分析时，复合耦合机构可以看成是由2组线圈串联而成的，那么在约束条件下，这2组线圈参数的优化对耦合机构的性能以及整体线圈的抗偏移特性等都会产生影响。在COMSOL中建立十字复合耦合机构模型，通过参数化扫描保持约束条件不变，更改线圈匝数之间的关系，仿真计算出不同情况的耦合机构抗偏移特性，然后进行对比分析，得出一组整体耦合性能最优的耦合机构参数，如
| 参数 | 原边线圈 1 | 原边线圈 2 | 副边线圈 1 | 副边线圈 2 |
|---|---|---|---|---|
| 长度/mm | 120 | 120 | 100 | 100 |
| 匝数 | 40 | 8 | 40 | 4 |
| 用线量/mm | 4960 | 2592 | 2400 | 740 |
| 磁芯 | 长条形磁芯 | 长条形磁芯 | 长条形磁芯 | 长条形磁芯 |
图4 十字复合线圈模型图
Fig. 4 Cross composite coil model
为了更好地分析2种耦合机构的抗偏移特性，将方形螺线管和十字螺线管随着x轴偏移增加，其互感变化的差值作图如
图 5 优化前后互感差值图
Fig. 5 Mutual inductance difference diagram before and after optimization
由
磁感应无线电能传输系统是利用一个线圈电流发生变化所产生的磁场对另一个线圈产生感应电流的原理进行电能传输的，两者之间的磁场是通过磁通联系起来的，这里设互感耦合的2个线圈分别为线圈1、2，Ψ12表示为线圈1中电流I1产生的磁场对线圈2提供的磁通链匝数。令Ψ12=N2ψ12，式中：N2为线圈2的匝数；ψ12为I1产生的磁场对线圈2中每一匝提供的磁通匝链数。同理，Ψ21为线圈2中电流I2产生的磁场对线圈1提供的磁通匝链数，Ψ21=N1ψ21。理论表明Ψ12与I1成正比，Ψ21与I2成正比，其比例系数成为2个线圈间的互感系统，简称为互感。可表示为
| 。 | (1) |
而磁通ψ是磁感应强度B与面积的乘积，即
| 。 | (2) |
磁链Ψ是导电线圈所通过的总磁通量，满足
| 。 | (3) |
代入
| 。 | (4) |
对于导磁介质来说，存在磁饱和特性。当外界磁场强度慢慢加强时，铁磁材料内部的磁通密度也会慢慢加强。当磁场强度达到一定程度，再加强时，铁磁材料的磁通密度增强的速度越来越慢。根据磁通的关系可以知道互感M与线圈形状、相对位置以及周围介质有关。在耦合线圈周围含有导磁能力弱的空气以及导磁能力强的铁氧体磁芯。磁饱和曲线如
图 6 磁饱和曲线
Fig. 6 Magnetic saturation curve
结合上述分析可得：随着电流增大，匝数N、面积S保持不变，磁感应强度B达到磁饱和后保持不变，那么M就会减小，导致耦合机构传输效率降低，并且随着磁饱和现象发生，磁感应产生的能量会消耗在磁芯发热上，进一步对系统性能产生影响。
为了对耦合机构参数优化做具体分析，笔者提出λ=M/l2作为衡量耦合机构轻量化的指标，M为耦合机构之间的互感值，l2为耦合机构长度，λ表示为单位长度下耦合机构的互感值，对于耦合机构轻量化分析而言，通过分析单位长度下互感值的变化情况来确定耦合机构的最优轻量化参数，在对耦合机构进行参数化扫描时可知，随着耦合机构的长度增加，耦合机构之间的互感也会随着增加，但在耦合机构变化的过程中，互感的变化率会改变，因此，可以认为在变化率达到最大值时，即此时对应长度的耦合机构，每单位长度提供的互感值最大，此时耦合机构轻量化优化效果最好，接下来通过对耦合机构λ参数的分析来衡量耦合机构的优化效果。
对于使用了磁芯增强耦合能力的耦合机构而言，分析其耦合性能采取公式分析的方法无法进行较为精确的计算，因此，采用COMSOL软件对其建立模型，仿真计算耦合机构性能。采用基于COMSOL参数化扫描的算法对副边耦合机构的长度l2以及x轴绕线线圈长度l4进行仿真运算，直至计算出λ性能最优的副边耦合机构。首先针对耦合机构的磁芯进行优化，得到适当的磁芯长度；其次针对线圈长度进行优化，优化流程如
图 7 耦合机构优化流程图
Fig. 7 Optimization flow chart of coupling mechanism
由于副边耦合机构磁芯长度l4与线圈长度l2存在一定的关系，但关系并不呈线性变化，因此，在改变磁芯长度的同时，线圈长度变化也会对耦合机构的耦合性能产生影响；假设耦合模型副边线圈长度为l4，副边磁芯长度为l2，且满足线圈长度与磁芯长度保持一致的约束条件。通过参数化扫描的方式改变l2和l4的值，得到耦合机构的耦合性能优化参数M/l。优化过程采用COMSOL仿真软件，对耦合机构长度l2作线性化参数扫描得到对应的耦合机构性能如
图 8 不同耦合机构长度互感偏移变化图
Fig. 8 Variation diagram of mutual inductance offset of different coupling mechanisms
由图可知，在一定范围内，随着耦合机构长度l2增加，互感在逐渐增大，但是随着副边耦合机构长度l2变化，M/l2的变化率在发生变化，于是通过对上图进行优化，得到优化目标λ的变化图，如
图 9 轻量化优化目标λ变化曲线
Fig. 9 Lightweight optimization objective λ Change curve
从上图λ的变化曲线可以直观看出轻量化优化的效果，当磁芯长度l2小于100 mm时，互感随耦合机构单位长度变化率在不断增加，当l2大于100 mm后，互感随耦合机构单位长度变化率在逐渐降低，于是可以得出：对于无线充电系统设计而言，当耦合机构可偏移容忍度以及耦合机构形状等参数确定后，可以通过改变耦合机构长度来实现对耦合机构的轻量化优化，以达到在所用耦合机构最小的情况下，无线充电系统的单位抗偏移性能最好，研究对耦合机构磁芯的轻量化优化结果为耦合机构长度l2设置为100 mm。
图 10 十字螺线管耦合机构实物
Fig. 10 Design of cross solenoid coupling mechanism
对耦合机构进行抗偏移特性实验，得到的互感与耦合机构特性仿真数据进行对比，互感抗偏移特性图如
图 11 互感抗偏移特性变化图
Fig. 11 Variation diagram of mutual inductance offset characteristic
通过实验验证十字线圈与方形螺线管线圈的抗偏移特性。将十字螺线管与方形螺线管在x轴的抗偏移特性进行对比，结果如
图 12 互感差值变化图
Fig. 12 Variation diagram of mutual inductance difference
接下来以大疆M210无人机为例进行无人机无线充电系统设计，该无人机无线充电系统的设计指标如
| 系统指标 | 系统参数 |
|---|---|
| 传输距离 | 10 mm |
| 传输功率 | 180 W |
| 可容忍偏移度 | 30 mm |
| 充电电压 | 22.6 V |
搭建了如
图 13 无人机无线电能传输系统装置
Fig. 13 Device of UAV radio power transmission system
逆变输出电压、电流以及负载输出电压、电流波形如
图 14 逆变电压电流、负载输出电压电流波形
Fig. 14 Waveform of inverter voltage and current, load output voltage and current
在偏移情况下，系统功率变化的仿真与实验波形如
图 15 功率仿真实验对比图
Fig. 15 Comparison chart of power simulation experiment
针对无人机无线充电系统耦合机构的性能优化，通过对几种可用的耦合机构进行条件约束，得到耦合机构的耦合性能，对比分析得到性能最优的耦合机构。笔者提出以λ为优化目标对耦合机构进行轻量化优化，通过做出λ变化曲线得到性能最优的耦合机构参数，对所提出的结构及参数进行实验证实了可行性。
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