一种用于多旋翼无人机的无线充电线圈的制作方法

本发明涉及一种用于多旋翼无人机的无线充电线圈，属于多旋翼无人机自主充电技术领域。

技术背景

无人机因其结构简单、机动灵活、适应性强、零伤亡等诸多优势，在科学研究、民用及军事领域具有广泛的应用前景。目前，世界上从事无人机研究和生产的国家已经超过30个，无人机基本类型数量已增加到300多种，其控制算法日趋成熟，但续航能力仍是阻碍无人机进一步发展的一个重要问题。绝大部分无人机通过锂电池供电，续航能力受到电池容量的限制，一般只有30分钟左右，一旦电量耗尽必须返航，通过人工干预的方式给无人机充电，这种方式阻碍了无人机的智能化程度，也严重制约了无人机对中、远距离任务的执行。因此，使无人机在无人干预的条件下实现高效自主充电是推动无人机进一步发展的重要环节。

随着无线充电技术的进一步发展，有人提出通过设计多旋翼无人机的自主无线充电站解决其自主充电问题。但是目前的无线充电系统多以电动汽车的无线充电为背景，充电线圈采用的多是接收端与发射端对称结构，耦合系数受偏移距离影响较大，不满足多旋翼无人机体积小、载荷小、定点降落存在误差等特点。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于多旋翼无人机的无线充电线圈，针对现有技术中的缺陷，对已有的充电线圈进行改进，以适应多旋翼无人机体积小、载荷小、定点降落存在误差等特点。

本发明提出的用于多旋翼无人机的无线充电线圈，包括发射端线圈和接收端线圈，发射端线圈与接收端线圈相互耦合，发射端线圈中最上层的线圈层与接收端线圈中的接收端线圈层相对。

上述无线充电线圈中，所述的发射端线圈包括发射端线圈层、发射端支撑层、发射端磁介质层、发射端磁屏蔽层和发射端保护外壳，发射端线圈层、发射端支撑层、发射端磁介质层和发射端磁屏蔽层由上而下相互叠压紧密固定后置于发射端保护外壳内；所述的发射端线圈层由内螺旋线圈、外螺旋线圈组成，内螺旋线圈、外螺旋线圈为同心环状线圈串联而成的圆盘状结构，内螺旋线圈和外螺旋线圈均为单层缠绕，缠绕方向和匝数相同，内螺旋线圈和外螺旋线圈通过连接线相互连接；所述的发射端支撑层外径与发射端线圈层一致，发射端线圈层紧密固定在发射端支撑层上；所述的发射端磁介质层为十字形结构，十字形结构的中心为圆柱体。其中的发射端磁介质层的厚度为5-10毫米，发射端磁介质层由锰锌铁氧体材料加工而成。

上述无线充电线圈中，所述的接收端线圈包括接收端线圈层、接收端支撑层、接收端磁屏蔽层和接收端保护外壳，所述的接收端线圈层、接收端支撑层和接收端磁屏蔽层由下而上置于接收端保护外壳内，接收端支撑层外径与接收端线圈层一致，接收端线圈层紧密固定在接收端支撑层上，接受端支撑层与接收端磁屏蔽层之间保留较小空隙。

本发明提出的用于多旋翼无人机的无线充电线圈，其优点是：

1、本发明提出的无线充电线圈，接收端线圈外径较小，且接收端无磁介质层，有效的减小了接收端的体积和重量，满足多旋翼无人机体积小、载荷小的特点。

2、本发明提出的无线充电线圈，发射端线圈外径大于接收端线圈，采用两个半径不同的同心线圈组串联，使发射端平面产生的磁通密度在充电平台上相对均匀，即使当接收端发生较大偏移时，系统充电特性依然保持稳定，增强了发射端对于接收端的偏移容忍度，满足多旋翼无人机定点降落存在误差的特点。

3、本发明无线充电线圈的发射端磁介质层采用锰锌铁氧体，可以减少漏感，进一步提高线圈的电能传输效率。

4、本发明无线充电线圈，在接收端和发射端的最外层均设置磁屏蔽层，有效减少了磁场的辐射。

附图说明

图1是本发明提出的用于多旋翼无人机的无线充电线圈的立体结构示意图。

图2是图1所示无线充电线圈中的发射端线圈的剖视图。

图3是图2所示的发射端线圈中的发射端磁介质层结构示意图。

图4是图1所示的无线充电线圈中的接收端线圈的剖视图。

图1-图4中，1是内螺旋线圈，2是连接线，3是外螺旋线圈，4是发射端支撑层，5是发射端磁介质层，6是发射端磁屏蔽层，7是发射端保护外壳，8是发射端线圈引出线，9是接收端线圈层，10是接收端支撑层，11是接收端磁屏蔽层，12是发接收端保护外壳，13是接收端线圈引出线。

具体实施方式

本发明提出的用于多旋翼无人机的无线充电线圈，其结构如图1所示，包括发射端线圈和接收端线圈，发射端线圈与接收端线圈相互耦合，发射端线圈中最上层的发射端线圈层与接收端线圈中的接收端线圈层相对。

上述无线充电线圈中，所述的发射端线圈包括发射端线圈层、发射端支撑层4、发射端磁介质层5、发射端磁屏蔽层6和发射端保护外壳7，如图2中所示。发射端线圈层、发射端支撑层4、发射端磁介质层5和发射端磁屏蔽层6由上而下相互叠压紧密固定后置于发射端保护外壳7内。发射端线圈层由内螺旋线圈1和外螺旋线圈3组成，内螺旋线圈1、外螺旋线圈3为同心环状线圈串联而成的圆盘状结构，如图2中所示，图2中，8是发射端线圈的引出线。内螺旋线圈1和外螺旋线圈3均为单层缠绕，缠绕方向和匝数相同，内螺旋线圈1和外螺旋线圈3通过连接线2相互连接。发射端支撑层4的外径与发射端线圈层一致，发射端线圈层紧密固定在发射端支撑层4上。发射端支撑层4可以采用亚克力板材料，外径与发射端线圈层基本一致，为发射端线圈层提供稳定支撑。发射端磁介质层6为十字形结构，如图3所示，十字形结构的中心为圆柱体。其中的发射端磁介质层的厚度为5-10毫米，发射端磁介质层由锰锌铁氧体材料加工而成，可以引导发射端线圈下方的磁场沿着磁介质层流动，因而减少了漏感，增强了励磁电感。发射端磁介质层3下方为发射端磁屏蔽层4，由铝板构成，起到磁场屏蔽的作用。

上述无线充电线圈中，所述的接收端线圈的结构如图4所示，包括接收端线圈层9、接收端支撑层10、接收端磁屏蔽层11和接收端保护外壳12。接收端线圈层9、接收端支撑层10和接收端磁屏蔽层11由下而上置于接收端保护外壳12内，接收端支撑层10的外径与接收端线圈一致，接收端线圈层9紧密固定在接收端支撑层10上，接受端支撑层10与接收端磁屏蔽层11之间保留较小空隙，该空隙可为接收端线圈层提供磁路。接受端支撑层10可以采用亚克力板材料，为接收端线圈层5提供稳定支撑。图4中，13是接收端线圈的引出线。为了适应多旋翼无人机体积小、载荷小等特点，接收端外径小于发射端，且接收端不设置磁介质层。

下面结合附图详细介绍本发明的用于多旋翼无人机的无线充电线圈的工作原理：发射端线圈层在高频交流电的作用下产生交变的磁场，发射端磁介质层5磁阻较小，可以引导磁场的流动方向，减少了漏感，增强了励磁电感。接收端线圈层9在交变的磁场中感应出高频交流电从而实现电能的无线传输。发射端磁屏蔽层6与接收端屏蔽层11可以屏蔽磁场，从而减小交变磁场对外界环境的干扰。

本发明在应用于无线充电时，发射线圈和接收线圈磁场耦合程度较高，即使发射端与接收端存在较大偏移，依然可以保证稳定的充电特性，从而可以提高无线充电系统的可靠性。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种用于多旋翼无人机的无线充电线圈，属于多旋翼无人机自主充电技术领域。该无线充电线圈包括发射端线圈和接收端线圈，发射端线圈与接收端线圈相互耦合，发射端线圈中最上层的线圈层与接收端线圈中的接收端线圈层相对。本发明的无线充电线圈，接收端线圈外径较小，且接收端无磁介质层，有效的减小了接收端的体积和重量，满足多旋翼无人机体积小、载荷小的特点。其中的发射端线圈外径大于接收端线圈，采用两个半径不同的同心线圈组串联，使发射端平面产生的磁通密度在充电平台上相对均匀，即使当接收端发生较大偏移时，系统充电特性依然保持稳定，增强了发射端对于接收端的偏移容忍度，满足多旋翼无人机定点降落存在误差的特点。

技术研发人员：孙新亚;宋义岐;董炜;吉吟东
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2018.07.25
技术公布日：2018.12.18