电力巡检无人机磁耦合谐振式WPT线圈场效应分析及优化

作     者：姜钧译 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋立业

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：无人机 电力巡检 无线电能传输 同轴等长螺旋线圈 LCL拓补结构 

摘      要：无人机因其独特的优势受到电力巡检、边防检查、交通监视等众多领域的关注。近年来,架空输电线路的规模日渐庞大,对其进行定期的巡回检查是保证电力系统安全稳定运行的可靠措施。运用无人机进行电力巡检具有打破地域的限制,不怕环境的挑战以及保障人员的安全等优势。目前无人机主要以锂电池为主,其续航能力不足致使无人机的巡航范围受到限制,从而在侧面增加了电力巡线员的工作量。无线电能传输技术(WPT)使得电能的传输更加灵活方便,增加了无人机的续航能力,减轻了电力巡检工作的负担。因此,为了解决电力巡检无人机续航能力不足的问题,本文设计了一种能够提供无人机实时降落和自主电能补给的电力巡检无人机静态无线充电平台。首先,对无线电能传输系统逆变、整流滤波等电路进行分析和设计,并分别从工作模态、运行原理等方面进行理论分析,同时计算了DC-DC电路、逆变电路和整流滤波电路的功率损耗。紧接着先后从副边和原边角度对补偿网络进行分析,最后通过分析比较选择可以在副边产生与负载无关的恒压源,并且使原边线圈电流保持恒定的LCL-S型补偿网络。其次,对磁耦合WPT线圈进行研究分析,通过对平面圆盘式、平面方盘式、平行螺旋式和同轴螺旋式四种线圈的周围磁场进行分析,发现同轴螺旋式线圈的传输性能更好,并对同轴螺旋线圈的自感、互感等参数进行了计算。最后对系统传输特性进行研究,发现随着线圈匝数、线圈半径的增大,系统传输能力将会提升,并且由于两种线圈所设计的形状结构问题,使其基本不受水平错位的影响。综合比较各项数据,最终决定磁耦合谐振式WPT线圈采用同轴等长螺旋线圈。最后,针对同轴等长螺旋线圈对耦合装置的机械结构和磁芯进行研究,提出了一种新型耦合装置。经过多种材料的各项参数对比,选定锰锌铁氧体作为无人机无线电能传输装置的磁芯材料,并对磁芯结构进行设计,进一步加强了本文设计的电力巡检无人机无线电能传输系统线圈间耦合的紧密度。将最终耦合装置建模仿真,通过耦合装置的磁通密度图和磁矢势图分析正常状态下和有磁芯气隙状态下的传输特性。研究结果表明:通过耦合装置的设计以及合理的参数配置,耦合装置具有优良的传输性能,其传输效率达到了97.676%。该论文有图56幅,表12个,参考文献70篇。