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現(xiàn)在社會(huì)對(duì)于產(chǎn)品自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，在電力巡檢領(lǐng)域，對(duì)于電力巡檢無(wú)人機(jī)方案的投入越來(lái)越多。目前，電力巡檢無(wú)人機(jī)大多采用鋰電池供電，由于巡檢輸電線路長(zhǎng)，要求巡檢無(wú)人機(jī)續(xù)航能力越高越好，但是現(xiàn)在大多的無(wú)人機(jī)電池充電方案采取的是無(wú)人機(jī)在電量不足時(shí)返回充電機(jī)場(chǎng)，然后人工進(jìn)行電池更換或電池充電，這就大大減小了無(wú)人機(jī)的巡檢范圍和效率，限制了無(wú)人機(jī)巡檢方案的大規(guī)模使用。因此，為了提高無(wú)人機(jī)充電自主化和智能化水平，急需解決無(wú)人機(jī)的電池充電問(wèn)題。

無(wú)線充電技術(shù)可以避免人工更換電池的繁瑣和接觸式充電的安全隱患，提高無(wú)人機(jī)巡檢效率，為無(wú)人機(jī)大規(guī)模智能化電力巡檢提供了可能。

耦合機(jī)構(gòu)是影響無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)性能的重要因素，決定了系統(tǒng)的傳輸功率等級(jí)、傳輸效率、傳輸距離及抗偏移性能。耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在特定的傳輸距離和空間尺寸范圍下盡可能提高耦合系數(shù)，以提高系統(tǒng)的傳輸性能。由于電力巡檢無(wú)人機(jī)需要盡可能減輕機(jī)載質(zhì)量以增加其飛行距離，對(duì)拾取線圈的質(zhì)量提出了更高的要求。

同時(shí)，巡檢無(wú)人機(jī)搭載的云臺(tái)通常需要具有較大的旋轉(zhuǎn)角度以全方位拍攝電力設(shè)備的狀態(tài)，要求所設(shè)計(jì)的拾取線圈盡可能隱蔽，從而減少對(duì)照片拍攝的干擾，提高故障辨識(shí)精度。此外，為保證飛行平穩(wěn)，還要求副邊部分不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生額外的飛行阻力。

各國(guó)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電的嘗試，韓國(guó)慶尚大學(xué)設(shè)計(jì)了一種接收機(jī)構(gòu)為20cm×20cm的平面空心圓形線圈，實(shí)現(xiàn)充電功率51W，最大效率61.4%。印度學(xué)者設(shè)計(jì)了一種在無(wú)人機(jī)機(jī)架底部繞制25cm× 25cm的圓形線圈的方案，實(shí)現(xiàn)了充電功率35W、效率71%的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電。

然而，以上幾位學(xué)者的研究都采用的是圓形線圈耦合機(jī)構(gòu)，尺寸偏大，傳輸功率和效率都偏低，耦合能力較弱。對(duì)于副邊輕量化的高效無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)有待進(jìn)一步研究。

廣西電網(wǎng)電科院的研究人員以大疆M210為代表的大功率型巡檢無(wú)人機(jī)為例開(kāi)展了研究，此類無(wú)人機(jī)充電功率較高，同時(shí)停靠的固定機(jī)場(chǎng)具備自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)，降低了對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)抗偏移性的設(shè)計(jì)要求。

目前“固定機(jī)場(chǎng)”廣泛采用雙推桿模式實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)對(duì)中，結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)人機(jī)在降落時(shí)首先根據(jù)圖像識(shí)別進(jìn)行定位降落，然后通過(guò)X、Y軸固定架固定在充電位置。在機(jī)場(chǎng)降落充電時(shí)最大偏移只有mm級(jí)，因此無(wú)人機(jī)在進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)的偏移設(shè)計(jì)無(wú)需考慮抗大偏移特性，而主要滿足能夠大功率充電，以及耦合結(jié)構(gòu)輕量化、隱蔽等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)的接收裝置安設(shè)在無(wú)人機(jī)一邊的機(jī)架下，如圖2所示，這樣既能滿足無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)不會(huì)干涉到攝像儀的工作，也不會(huì)增加無(wú)人機(jī)飛行的阻力，質(zhì)量非常小。

圖1 自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)

圖2 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

考慮到搭載“云臺(tái)”及質(zhì)量影響，對(duì)耦合機(jī)構(gòu)的輕量化以及隱蔽性提出了更高的要求。因此，研究人員針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)無(wú)線充電方案的耦合裝置，在滿足大功率高效率充電的同時(shí)，具備輕量化、隱蔽等優(yōu)勢(shì)，并采用COMSOL仿真分析了耦合結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布；其次，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，并通過(guò)搭建樣機(jī)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

圖3 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)圖

研究表明，該無(wú)線充電系統(tǒng)在系統(tǒng)輸出功率100W的情況下，工作效率能夠達(dá)到80.27%。所設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)具有輕量化、干擾小、耦合系數(shù)高等特點(diǎn)，為大功率巡檢無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電方案設(shè)計(jì)提供了一種有益的參考。

以上研究成果發(fā)表在2020年第5期《電氣技術(shù)》，作者為陳千懿、高立克、陳紹南、肖靜。