[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及无人机基于多相耦合机构的无线电能传输系统。

[0002] 无线电能传输技术(WPT)是一种不需要物理导线连接就可以传递电能的技术。随着电力电子技术的进步，电力设备和电气产品已经普及到生活的方方面面。虽然有些设备可以使用电池作为电源，但大部分电器仍然需要通过电线连接到电源。在某些情况下，电线的存在限制了设备使用的便利性。因此，无线电能传输(WPT)技术应运而生，提供了一种无需导线的电能传输的一种解决方案。

[0003] 近年来，WPT技术受到了全球的极大关注。它颠覆了传统的有线电能传输方式，消除了对电线的依赖，使得充电设备与供电电源可以完全分离，充电电路和供电电路可以独立封装，这不仅解决了有线电能传输中电线暴露、接触火花和移动性差等问题，而且在极端环境或特殊条件下显示出其独特的优势。目前WPT技术已得到了较快的发展，但仍面临着许多理论与实际问题需要解决。

[0004] 目前关于无线电能传输技术的研究多集中在磁场耦合式，但磁场耦合式具有抗偏移能力差、在金属附近具有高涡流损耗和耦合机构重且昂贵。而电场耦合式的研究目前多集中在矩形耦合机构，不适用于筒型智能机器人且矩形耦合机构抗偏移能力较差，需要一种新型耦合机构实现无线电能传输。

[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0018] 本发明无人机基于多相耦合机构的无线电能传输系统，结构如图1所示，包括筒形耦合机构，筒形耦合机构的输入端连接有原边补偿网络，原边补偿网络又与三相逆变电路连接，三相逆变电路的输入端连接有直流输入电源，筒形耦合机构的输出端连接有副边补偿网络，副边补偿网络又依次与三相整流电路和降压电路连接，降压电路最后连接负载。

[0019] 筒形耦合机构包括发射极板和接收极板，发射极板由3个弧形金属板P1、P2、P3组成，接收极板由弧形金属板P4、P5、P6组成,接收极板的弧形金属板P4、P5、P6设置于发射极板的弧形金属板P1、P2、P3的内侧，组成一个筒形结构，接收极板的弧形金属板P4、P5、P6安装于智能机器人外壳内壁上，发射极板的弧形金属板P1、P2、P3安装于无线充电装置上，发射极板和接收极板所组成的筒形耦合结构通过高频交变电场将电能从发射极板传递到接收极板。

[0020] 三相逆变电路由六个开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，分为两组，每组有三个开关管，开关管Q1、Q2、Q3为一组，开关管Q4、Q5、Q6为一组，分别对应三相输出，三相输出又与所述原边补偿网络连接，直流输入电源与三相逆变电路的输入端相连，将电源发出的直流电转化成高频的三相交流电。

[0021] 原边补偿网络和副边补偿网络组成LCL‑LCL补偿网络，原边补偿网络和副边补偿网络结构相同，均包括6个补偿电感、3个补偿电容，原边补偿网络的3个补偿电感与三相逆变电路的桥臂连接，3个补偿电感末端与补偿电容相连，补偿电容对地并联，并与另外3个补偿电感首端相连，补偿电感末端与筒形耦合机构的P1、P2、P3极板连接，副边补偿网络前3个补偿电感首端与筒形耦合机构的P4、P5、P6极板连接，3个补偿电感末端与补偿电容相连，补偿电容对地并联，与后3个补偿电感首端相连，3个补偿电感末端与三相整流电路的桥臂中点连接，副边补偿网络与三相整流电路相连，将传递过来的交流电转化成直流电，再与降压电路相连，将稳定的电能传递给负载。

[0022] 三相整流电路具体结构为：包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6组成，分为三组，与三相对应，每组有两个开关管，分别为三相全桥整流电路开关管的上下桥臂，其中开关管S1、S4为一组，开关管S2、S5为一组，开关管S3、S6为一组，副边补偿网络的补偿电感分别连接在整流电路3个桥臂的中点，三相整流电路的输出又与降压电路连接。

[0023] 降压电路为DC‑DC转换器。

[0024] 实施例1

[0025] 本发明无人机基于多相耦合机构的无线电能传输系统，结构如图1所示，包括筒形耦合机构，筒形耦合机构的输入端连接有原边补偿网络，原边补偿网络又与三相逆变电路连接，三相逆变电路的输入端连接有直流输入电源，筒形耦合机构的输出端连接有副边补偿网络，副边补偿网络又依次与三相整流电路和降压电路连接，降压电路最后连接负载。

[0026] 实施例2

[0027] 本发明无人机基于多相耦合机构的无线电能传输系统，结构如图1所示，包括筒形耦合机构，筒形耦合机构的输入端连接有原边补偿网络，原边补偿网络又与三相逆变电路连接，三相逆变电路的输入端连接有直流输入电源，筒形耦合机构的输出端连接有副边补偿网络，副边补偿网络又依次与三相整流电路和降压电路连接，降压电路最后连接负载。

[0028] 筒形耦合机构包括发射极板和接收极板，发射极板由3个弧形金属板P1、P2、P3组成，接收极板由弧形金属板P4、P5、P6组成,接收极板的弧形金属板P4、P5、P6设置于发射极板的弧形金属板P1、P2、P3的内侧，组成一个筒形结构，接收极板的弧形金属板P4、P5、P6安装于智能机器人外壳内壁上，发射极板的弧形金属板P1、P2、P3安装于无线充电装置上，发射极板和接收极板所组成的筒形耦合结构通过高频交变电场将电能从发射极板传递到接收极板。

[0029] 原边补偿网络和副边补偿网络组成LCL‑LCL补偿网络，原边补偿网络和副边补偿网络结构相同，均包括6个补偿电感、3个补偿电容，原边补偿网络的3个补偿电感与三相逆变电路的桥臂连接，3个补偿电感末端与补偿电容相连，补偿电容对地并联，并与另外3个补偿电感首端相连，补偿电感末端与筒形耦合机构的P1、P2、P3极板连接，副边补偿网络前3个补偿电感首端与筒形耦合机构的P4、P5、P6极板连接，3个补偿电感末端与补偿电容相连，补偿电容对地并联，与后3个补偿电感首端相连，3个补偿电感末端与三相整流电路的桥臂中点连接，副边补偿网络与三相整流电路相连，将传递过来的交流电转化成直流电，再与降压电路相连，将稳定的电能传递给负载。

[0030] 三相整流电路具体结构为：包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6组成，分为三组，与三相对应，每组有两个开关管，分别为三相全桥整流电路开关管的上下桥臂，其中开关管S1、S4为一组，开关管S2、S5为一组，开关管S3、S6为一组，副边补偿网络的补偿电感分别连接在整流电路3个桥臂的中点，三相整流电路的输出又与降压电路连接。

[0031] 降压电路为DC‑DC转换器。

[0032] 实施例3

[0033] 本发明无人机基于多相耦合机构的无线电能传输系统，结构如图1所示，包括筒形耦合机构，筒形耦合机构的输入端连接有原边补偿网络，原边补偿网络又与三相逆变电路连接，三相逆变电路的输入端连接有直流输入电源，筒形耦合机构的输出端连接有副边补偿网络，副边补偿网络又依次与三相整流电路和降压电路连接，降压电路最后连接负载。

[0034] 筒形耦合机构包括发射极板和接收极板，发射极板由3个弧形金属板P1、P2、P3组成，接收极板由弧形金属板P4、P5、P6组成,接收极板的弧形金属板P4、P5、P6设置于发射极板的弧形金属板P1、P2、P3的内侧，组成一个筒形结构，接收极板的弧形金属板P4、P5、P6安装于智能机器人外壳内壁上，发射极板的弧形金属板P1、P2、P3安装于无线充电装置上，发射极板和接收极板所组成的筒形耦合结构通过高频交变电场将电能从发射极板传递到接收极板。

[0035] 三相逆变电路由六个开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，分为两组，每组有三个开关管，开关管Q1、Q2、Q3为一组，开关管Q4、Q5、Q6为一组，分别对应三相输出，三相输出又与所述原边补偿网络连接，直流输入电源与三相逆变电路的输入端相连，将电源发出的直流电转化成高频的三相交流电。

[0036] 三相整流电路具体结构为：包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6组成，分为三组，与三相对应，每组有两个开关管，分别为三相全桥整流电路开关管的上下桥臂，其中开关管S1、S4为一组，开关管S2、S5为一组，开关管S3、S6为一组，副边补偿网络的补偿电感分别连接在整流电路3个桥臂的中点，三相整流电路的输出又与降压电路连接。

[0037] 降压电路为DC‑DC转换器。

[0038] 基于所述筒形耦合机构的电场耦合无线电能传输系统拓扑具体为：系统电源为直流电源，一次侧能量发射源为基于MOSFET的三相高频逆变电路，耦合机构为筒形耦合机构(六块弧形金属极板)，二次侧为基于MOSFET的三相全桥整流电路，系统工作时，高频逆变器将直流电源转化为高频的交流电供给谐振网络，谐振网络产生的高频高压电流传到筒形耦合机构来激发高频电场，位于高频电场中的接收极板感应出位移电流，进而实现能量的传播，二次侧的全桥整流电路将输出的交流电转化为直流电，并提供给负载产生电压进行输出。

[0039] 本发明电场耦合式无线电能传输系统，利用高频电场作为能量传输媒介。这种技术的耦合机构轻巧、成本低廉，具有良好的柔韧性，不会在周围导体产生涡流损耗，电磁兼容性较好。

[0040] 在该系统中，需要根据搭建的耦合机构合理设置原、副边补偿网络的参数，使得整个系统具有相同的谐振状态，能量的传输效率将大大提高。采用LCL‑LCL补偿网络来保持电场式无线电能传输系统的谐振条件，利用基于高频交变电场的多相金属板电容耦合结构来传输功率。

[0041] 在原边一侧，直流电压通过三相逆变器进行逆变。副边可以用全桥电路对高频交流电压进行整流。输出电压和电流可以通过受控的DC‑DC转换器进行调节，用于的充电。

[0042] 如图1所示为本发明所涉及的筒形耦合机构，对于空气介质而言，介电常数大小就决定了耦合电容的大小。介电常数、温度与电磁波的角频率之间的关系如下：

[0043]

[0044] 式中：ε∞(S,T)为无限频率下空气的介电常数；ε0为自由空间的介电系数；f为电磁波的频率；εS(S,T)为空气的静态介电常数；δ(S,T)为离子电导率；τ(S,T)为德拜弛豫时间。

[0045] 基于金属弧形金属板的耦合机构的耦合电容CM可以表示为：

[0046]

[0047] 式中：ε0为板间电介质的介电常数；a为曲面板所构成椭圆柱的半长轴；b为曲面板所构成椭圆柱的半短轴；c为曲面板所构成椭圆柱的半焦距；α为曲面金属板的中心角。

[0048] 如果弯曲的金属板可以转换成对称的圆柱电容器，其中a＝b和c＝0，则耦合电容器CM可以表示为：

[0049]

[0050] 由上述分析可知，本发明所涉及的耦合电容值不仅与板间电介质的介电常数有关，还与曲面金属板的中心角有关。与传统的耦合机构有所不同。

[0051] 如图2所示，本发明所涉及的电场耦合式电能传输系统的电路拓扑和耦合机制是三相对称的，这意味着三个相位的电路结构和相互作用方式是相同的。因此，在分析时，可以将三相系统简化为一个单相系统进行研究。为了进一步简化分析，可以将这个电路进一步简化为π型网络。这样的网络简化有助于更清晰地理解系统的电能传输机制，从而进行更有效的性能分析和设计优化。

[0052] A相输入输出电压定义为V1和V2。输入输出电流定义为I1和I2。将耦合机制视为一个双端口网络，则输入输出关系如下所示：

[0053]

[0054] π型电路模型的输入‑输出关系同样可以表示为:

[0055]

[0056] 因此可以通过联立方程(4)和(5)来获得等效耦合电容参数：

[0057]

[0058] 因此，接收器和发射器处的等效输入电容器Cin.Tx和Cin.Rx可以表示为：

[0059]

[0060] 谐振网络参数之间的关系表示为：

[0061]

[0062] 最后将测得的各个极板间的电容值代入公式中，得到补偿电感取值，完成补偿网络的设计。

[0063] 如图3所示，本发明所涉及的电场耦合式无线电能传输电路中直流电源经过全桥逆变网络后转换为高频三相交流电，三相电压型桥式逆变电路由六个开关管组成，分为两组，每组有三个开关管，分别对应三相输出。

[0064] 工作原理是通过对六个开关管的导通和关断进行控制，可以得到不同的相电压输出。当控制信号指示某个开关管导通时，相应的驱动电路施加一个正电压到开关管的栅极。这个正电压会在栅极和源极之间形成一个导电通道，允许电流从漏极流向源极。这六个开关管通常由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成。