摘要：为应对旋翼式无人机（R-UAV）无线充电系统中泊机偏移显著与接收装置引入风阻的挑战，天津大学张云教授研究团队在《电工技术学报》2025年第12期撰文，提出具备高抗偏移及杂散磁场约束特性的“I工I”型磁耦合机构，并设计相适配的多阶段恒流-恒压（MCC-CV）控制

为应对旋翼式无人机（R-UAV）无线充电系统中泊机偏移显著与接收装置引入风阻的挑战，天津大学张云教授研究团队在《电工技术学报》2025年第12期撰文，提出具备高抗偏移及杂散磁场约束特性的“I工I”型磁耦合机构，并设计相适配的多阶段恒流-恒压（MCC-CV）控制策略。

该方案创新地将接收“I”型磁心及线圈集成于R-UAV起落架内部实现零风阻轻量化设计，发射侧采用“工”型磁心结构：首先，基于铁氧体磁心低磁阻特性构建发射结构，并结合磁路塑形方法实现杂散磁场的无源约束；其次，优化“I”型磁心分布显著提升耦合机构在径向和旋转方向上的抗偏移性能。所提出的MCC-CV策略依托串联-串联（S-S）网络特性，具备全桥-半桥移相软切换能力。实验结果表明，该系统在100 mm径向偏移与360°旋转偏移条件下，输出电流保持恒定，传输效率仅波动约2%，显著优化了R-UAV无线充电的稳定性和环境适应性。

研究背景

在无人机无线充电技术研究中，旋翼式无人机的抗偏移与轻量化需求成为关键挑战。无人机降落的随机性导致磁耦合机构易发生径向或旋转偏移，现有DD型线圈结构在偏移时效率骤降，而多线圈方案虽提升抗偏移能力，却因接收侧重量增加影响飞行性能。

当前技术多聚焦于传输效率优化，却弱化了杂散磁场约束与接收侧风阻等问题。因此，针对集成于起落架的无人机无线充电系统，亟需开发一种兼具高抗偏移、低杂散磁场与零风阻特性的磁耦合机构，同时匹配多阶段恒流-恒压控制策略，以保障充电稳定性与无人机机动性。

论文所解决的问题及意义

针对无人机无线充电技术中的泊机偏移与轻量化难题——飞行器降落的随机性导致磁耦合机构易发生径向/旋转偏移、传统DD型线圈结构偏移时效率骤降且现有方案普遍存在接收侧风阻增大或重量超标等问题，以及当前研究多聚焦传输效率优化却弱化杂散磁场约束与系统轻量化需求的缺陷。

本文提出的"‘I工I’型磁耦合机构"通过集成式起落架设计结合多阶段恒流-恒压控制策略，创新性地解决了传统方案中抗偏移性能与接收侧重量难以兼顾的矛盾；在实现360°全向抗偏移与100mm径向偏移容错的同时，将接收侧系统重量控制在300g以内并维持89.5%的传输效率，为旋翼无人机高机动性无线充电提供了兼具抗偏移鲁棒性、低杂散磁场与零风阻特性的可工程化解决方案。

图1 “I工I”型磁耦合机构三维模型

论文方法及创新点

1、MCC-CV软切换控制策略

本文结合S-S谐振网络特性，设计了多阶段恒流-恒压（MCC-CV）控制策略，实现全桥/半桥移相软切换，满足锂电池充电需求，解决了传统拓扑全桥切换半桥时的输出电流振荡问题。

图2 全桥移相软切换半桥工作流程图

图3 全桥移相软切换半桥测试结果

2、“I工I”型磁耦合机构设计

创新性提出集成于无人机起落架的“I工I”型磁耦合结构，利用铁氧体磁心的低磁阻特性，实现杂散磁场无源约束。通过调整I型磁心的空间分布（如间距25mm方案），优化抗偏移性能，支持100mm径向偏移与360°旋转偏移。

图4 “I工I”型磁耦合机构变量分布特性

图5 “I工I”型磁耦合机构磁通分布特性分析

图6 不同I型磁芯分布下偏移状态分析

3、基于磁路塑性的抗偏移及杂散磁场约束特性

采用“工”型发射磁心结合I型接收磁心，通过磁路塑形技术约束杂散磁场，提升磁场空间定向性。实验验证耦合系数在偏移与旋转下稳定性，接收侧系统总重

图7 基于有限元仿真的“I工I”型磁耦合机构磁通分布

图8 CP结构与“工”型磁芯的杂散磁场分布对比

图9 UAV无线充电系统实验样机

图10 实验波形图

图11 效率曲线及杂散磁场分布图

结论

1）本文结合UAV结构及工作特性，提出了具有多阶段恒流软切换特性的控制策略。同时，提出了具有高抗偏移、接收侧的零风阻及旋转适应性的“I工I”型磁耦合机构。

2）针对“I工I”型磁耦合机构的研究主要集中在如下三个方面。首先，通过磁路分析确定了“工”型发射机构的高抗偏移与低杂散磁场特性机理。然后，调整I型分布方案，优化磁耦合机构的抗偏移性能。最后，构建了R-UAV侧无线充电系统总重量小于300g的实验样机，所述结构达到89.5%的最高充电效率及1W/g的 UAV侧无线充电系统功率密度，实现了360°旋转及沿起落架100mm的偏移性能。

3）本文提出的“I工I”型磁耦合结构可应用于具有高轻量化及高抗偏移性能设计要求的无线充电系统中。

团队介绍

张云，天津大学，教授，博士生导师，天津大学-中国电科十八所“临近空间电力变换系统”联合实验室主任，Journal of Power Electronics 期刊编委，2022-2024年度入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。主要从事新能源电力电子功率变换系统、微电网及其运行控制技术、电力储能与能量管理技术、电动汽车电力电子系统及无线电能传输理论与应用等方面的研究。

黄伟义，2024年博士毕业于天津大学，现为辽宁工程技术大学电气与控制工程学院校聘副教授、硕导，中国电源学会磁技术专业委员会委员、Wireless Power Transfer期刊青年编委，长期致力于电力电子磁集成技术与无线电能传输系统的研发，重点突破大功率变换系统的多物理场耦合优化、无人机低杂散磁场无线充电系统设计等关键技术。在国内外学术期刊及学术会议上发表论文10余篇,申请发明专利9项。

本工作成果发表在2025年第12期《电工技术学报》，论文标题为“高抗偏移及杂散磁场约束的无人机无线充电系统设计“。本课题得到国网江西省电网公司重大科技项目和山西省应用基础研究计划项目资助。

来源：电气新科技