【原】天津大學張云、黃偉義 等：高抗偏移及雜散磁場約束的無人機無線充電系統設計（內含作者講解視頻）

研究背景

在無人機無線充電技術研究中，旋翼式無人機的抗偏移與輕量化需求成為關鍵挑戰。無人機降落的隨機性導致磁耦合機構易發生徑向或旋轉偏移，現有DD型線圈結構在偏移時效率驟降，而多線圈方案雖提升抗偏移能力，卻因接收側重量增加影響飛行性能。當前技術多聚焦于傳輸效率優化，卻弱化了雜散磁場約束與接收側風阻等問題。因此，針對集成于起落架的無人機無線充電系統，亟需開發一種兼具高抗偏移、低雜散磁場與零風阻特性的磁耦合機構，同時匹配多階段恒流-恒壓控制策略，以保障充電穩定性與無人機機動性。

論文所解決的問題及意義

針對無人機無線充電技術中的泊機偏移與輕量化難題——飛行器降落的隨機性導致磁耦合機構易發生徑向/旋轉偏移、傳統DD型線圈結構偏移時效率驟降且現有方案普遍存在接收側風阻增大或重量超標等問題，以及當前研究多聚焦傳輸效率優化卻弱化雜散磁場約束與系統輕量化需求的缺陷.

本文提出的"'I工I’型磁耦合機構"通過集成式起落架設計結合多階段恒流-恒壓控制策略，創新性地解決了傳統方案中抗偏移性能與接收側重量難以兼顧的矛盾；在實現360°全向抗偏移與100mm徑向偏移容錯的同時，將接收側系統重量控制在300g以內并維持89.5%的傳輸效率，為旋翼無人機高機動性無線充電提供了兼具抗偏移魯棒性、低雜散磁場與零風阻特性的可工程化解決方案。

圖1 “I工I”型磁耦合機構三維模型

論文方法及創新點

1、MCC-CV軟切換控制策略

本文結合S-S諧振網絡特性，設計了多階段恒流-恒壓（MCC-CV）控制策略，實現全橋/半橋移相軟切換，滿足鋰電池充電需求，解決了傳統拓撲全橋切換半橋時的輸出電流振蕩問題。

圖2 全橋移相軟切換半橋工作流程圖

圖3 全橋移相軟切換半橋測試結果

2、“I工I”型磁耦合機構設計

創新性提出集成于無人機起落架的“I工I”型磁耦合結構，利用鐵氧體磁心的低磁阻特性，實現雜散磁場無源約束。通過調整I型磁心的空間分布（如間距25mm方案），優化抗偏移性能，支持100mm徑向偏移與360°旋轉偏移。

圖4 “I工I”型磁耦合機構變量分布特性

圖5 “I工I”型磁耦合機構磁通分布特性分析

圖6 不同I型磁芯分布下偏移狀態分析

3、基于磁路塑性的抗偏移及雜散磁場約束特性

采用“工”型發射磁心結合I型接收磁心，通過磁路塑形技術約束雜散磁場，提升磁場空間定向性。實驗驗證耦合系數在偏移與旋轉下穩定性，接收側系統總重<300g，功率密度達1W/g，效率89.5%。

圖7 基于有限元仿真的“I工I”型磁耦合機構磁通分布

圖8 CP結構與“工”型磁芯的雜散磁場分布對比

圖9 UAV無線充電系統實驗樣機

圖10 實驗波形圖

圖11 效率曲線及雜散磁場分布圖

結論

1）本文結合UAV結構及工作特性，提出了具有多階段恒流軟切換特性的控制策略。同時，提出了具有高抗偏移、接收側的零風阻及旋轉適應性的“I工I”型磁耦合機構。

2）針對“I工I”型磁耦合機構的研究主要集中在如下三個方面。首先，通過磁路分析確定了“工”型發射機構的高抗偏移與低雜散磁場特性機理。然后，調整I型分布方案，優化磁耦合機構的抗偏移性能。最后，構建了R-UAV側無線充電系統總重量小于300g的實驗樣機，所述結構達到89.5%的最高充電效率及1W/g的 UAV側無線充電系統功率密度，實現了360°旋轉及沿起落架100mm的偏移性能。

3）本文提出的“I工I”型磁耦合結構可應用于具有高輕量化及高抗偏移性能設計要求的無線充電系統中。

張云

天津大學，教授，博士生導師，天津大學-中國電科十八所“臨近空間電力變換系統”聯合實驗室主任，Journal of Power Electronics 期刊編委，2022-2024年度入選“全球前2%頂尖科學家”榜單。主要從事新能源電力電子功率變換系統、微電網及其運行控制技術、電力儲能與能量管理技術、電動汽車電力電子系統及無線電能傳輸理論與應用等方面的研究。

Email：zhangy@tju.edu.cn

黃偉義

2024年博士畢業于天津大學，現為遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院校聘副教授、碩導，中國電源學會磁技術專業委員會委員、Wireless Power Transfer期刊青年編委，長期致力于電力電子磁集成技術與無線電能傳輸系統的研發，重點突破大功率變換系統的多物理場耦合優化、無人機低雜散磁場無線充電系統設計等關鍵技術。在國內外學術期刊及學術會議上發表論文10余篇,申請發明專利9項。

Email：hwymy@tju.edu.cn