小型无人机磁耦合感应无线充电系统设计与实现

作     者：陈林 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴军

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：无线电能传输 磁耦合感应式 双LCC补偿拓扑 松耦合变压器 

摘      要：近年来,因无人机具有操作简单、制造成本低、机动性好、不会造成人员伤亡等优点被广泛应用于各个场景,但是由于其携带的锂电池容量有限,导致无人机的续航能力和作业范围受限,如何方便、快速地为无人机充电,并实现无人机充电自主化,成为了无人机发展道路上需要解决的一个关键问题。当前无人机主要分为有线充电和无线充电两种方式。无线电能传输即无线充电技术是近些年来兴起的一种供电方式,其中磁耦合感应式无线电能传输技术具有传输功率大、传输效率高和适用于近距离传输等特点,对于无人机实现无线电能传输供电具有重大意义和实用价值。有鉴于此,本文利用磁耦合感应式无线电能传输原理,采用双边LCC补偿网络结构,并设计三线圈结构进行感应耦合,可在原、副边线圈不完全对准的情况下实现无人机无线充电电能较高效率传输,主要研究内容如下:本文首先阐述了无人机的历史和阻碍其发展的原因是续航能力,介绍了国内外关于无人机充电方面的研究现状,研究对比了四种主流的无线电能传输技术的优缺点,提出了基于磁耦合感应式原理的小型无人机无线充电系统。利用松耦合变压器互感等效模型对四种基本补偿网络以及双边LCC补偿网络进行了输出特性的分析。针对传统的松耦合变压器存在抗偏移能力不足的问题,设计了三线圈传输结构,通过ANSYS Maxwell软件对其进行仿真分析。其次,描述了基于双边LCC的磁耦合感应式无线充电系统整体结构,对逆变电路、驱动电路、整流滤波电路、DC-DC电路、充放电电路以及采样电路等进行了电路设计。然后利用Maxwell与Simplorer软件联合仿真,验证了所设计系统可进行无线电能传输,并搭建了基于双边LCC的磁耦合感应式无线充电实验平台,当原、副边气隙间距为30mm,其传输效率为69.1%,基本符合设计需求,最后就原、副边线圈存在水平方向位移和垂直方向位移对系统输出特性的影响进行了实验分析。