一种纳米晶导磁体和无人机无线充电装置

本发明属于无线充电，具体涉及一种纳米晶导磁体和无人机无线充电装置。

背景技术：

1、高效率、轻量小型化的大功率无人机无线充电装置有望解决目前3d地图建模、物资运送、数据信号收集、交通远程监管等领域中无人机(uav)续航里程短、充电频繁等难题。

2、无线充电系统包含电路部分及磁耦合机构部分。磁耦合机构中包含耦合线圈和导磁体，导磁体主要用来增强磁通，减少漏磁以及隔绝无用的电磁波。在大功率的无线充电磁耦合机构中，运用导磁体来实现远距离、高效率的无线充电。但导磁体的添加往往会带来磁耦合机构的体积和重量增加。往前，常规的导磁体所选用的材料是高磁导率的铁氧体，其饱和磁感低，应用无人机无线充电系统中难以兼顾高效率和轻量小型化。相比之下，纳米晶软磁材料兼具高的饱和磁感和较低的高频损耗，是高效率、轻量小型化无人机无线充电的理想导磁体。

3、专利公告号为kr102457200b1的发明专利公开了一种无人机无线充电装置，该装置中发射和接收端为螺线管型，当无人机降落进行充电时，螺线管型接收装置插入发射端凹槽内，进行能量传输，该装置具备结构简单和小型的特点。但该装置采用铁氧体为导磁体，铁氧体易碎，且无人机降落的偏移导致野外难以实际应用。

4、公开号为cn117238650a的发明专利申请公开了种铁基纳米晶导磁体及其制备方法和应用，其中，制备方法包括如下步骤：对铁基非晶带材进行连续热处理，再进行冷却，得到铁基纳米晶带材；将热处理后的铁基纳米晶带材一侧或双侧粘附双面胶后进行碎片化处理，使其均匀分布多条裂纹，裂纹将铁基纳米晶带材分割成多个碎片单元；将碎片化的铁基纳米晶带材裁切成多个纳米晶条，多个纳米晶条进行水平并列拼接形成单层纳米晶片，多个单层纳米晶片进行正交交错层叠得到所述纳米晶导磁体。该专利公开的导磁体体积较大，且在高功率下无法实现较高的充电效率。

5、随着无人机的广泛应用，对无线充电的需求也越来越明显。由于无人机自身的特殊性，其要求无线充电装置不仅具备高效率，而且需要轻量和小型化。在目前纳米晶导磁体的应用中，单层的纳米晶导磁体中含有两层pet膜、一层纳米晶带材以及两层双面胶层，纳米晶带材厚度范围在14-18μm，而pet膜的厚度在75-80μm，导致纳米晶带材磁芯的体积和重量占有率低，大量的体积和重量被pet膜占据，浪费了资源。在实际应用时，需要单层纳米晶导磁体的堆叠使用，更造成了较大的重量和体积，在无人机无线充电装置上应用具有一定的局限性。

6、因此，对于大功率的无线充电装置，需要对纳米晶导磁体进行层数以及结构的优化，才能实现高效率、轻量小型化的无线充电装置。

技术实现思路

1、本发明提供了一种纳米晶导磁体，该纳米晶导磁体轻量小型化，本发明还提供了该纳米晶导磁体在无人机无线充电装置上的应用，该无人机无线充电装置能够实现高效率无线充电。

2、本发明提供了一种纳米晶导磁体，主要由多个导磁体a堆叠组成；

3、所述导磁体a由第一纳米晶柔性片堆叠结构和保护膜层构成；

4、所述第一纳米晶柔性片堆叠结构由六层纳米晶柔性片构成；

5、所述保护膜层设置于第一纳米晶柔性片堆叠结构的上表面和下表面。

6、优选地，所述的纳米晶导磁体还包括导磁体b，所述导磁体b设置于导磁体a的两侧以形成倒梯形堆叠结构；

7、所述导磁体b由第二纳米晶柔性片堆叠结构和保护膜层构成；

8、所述第二纳米晶柔性片堆叠结构由三层纳米晶柔性片构成；

9、所述保护膜层设置于第二纳米晶柔性片堆叠结构的上表面和下表面。

10、本发明采用倒梯形结构可以有效提高无人机无线充电装置的效率以及均匀化应用时的导磁体发热问题。本发明通过在导磁体a两端设置导磁体b有助于提高边缘处的互耦合效果，从而进一步提高无线充电效率，整体采用倒梯形结构有助于均匀化导磁体中的磁通密度分布，使得导磁体损耗分布均匀，无线充电能更长期的进行应用。

11、进一步优选地，所述倒梯形堆叠结构包括宽上部和窄下部；

12、所述宽上部的导磁体a的长为42-44mm，宽为20mm，在所述宽上部的导磁体a两侧各设置长为2.5mm，宽为20mm的导磁体b；

13、所述窄下部的导磁体a的长为34-36mm，宽为20mm，在所述窄下部的导磁体a两侧各设置长为4mm，宽为20mm的导磁体b。通过提供合适尺寸的导磁体a和导磁体b，使得本发明提供的纳米晶导磁体边缘的互耦合效果提升明显，从而能够进一步提升无线充电效率。

14、优选地，所述纳米晶导磁体由2个长为42-44mm，宽为20mm导磁体a堆叠构成的正长方体结构。本发明提供合适尺寸的导磁体a，以及导磁体a的堆叠个数，使得本发明提供的纳米晶导磁体在较小的体积下就能够实现高效的无线充电效率。

15、优选地，所述纳米晶柔性片由破碎纳米晶超薄带和双面胶复合得到，所述破碎纳米晶超薄带的厚度为14 -18μm。

16、相较于铁氧体，纳米晶带材具备高饱和磁感、高居里温度的特点，且其制备成导磁体的碎磁工艺使其涡流损耗在高频下较小。同时纳米晶导磁体中涡流损耗与纳米晶带材的厚度有关，纳米晶超薄带的厚度越小，则其涡流损耗越小，因此，超薄纳米晶带材制备成的纳米晶导磁体是高效率、轻量小型化无人机无线充电装置的有效选择。

17、优选地，所述纳米晶超薄带的合金成分为fecusibnbp、fecusibnbmn或fecusibnbmo。

18、优选地，所述保护膜层为柔性pet膜。

19、优选地，所述的纳米晶导磁体在0.1t～0.25t和85khz下的损耗在20～80℃内的变化率低于3.4％，在0.1～0.25t和150khz下的损耗在20～80℃内的变化率低于4.1％。

20、导磁体的损耗热稳定性影响无线充电装置在多种环境下的应用。本发明提供的纳米晶导磁体具有较好的损耗热稳定性，因此本发明提供的纳米晶导磁体越能应用于多种不同温度环境，从而本发明提供的纳米晶导磁体应用下的无线充电装置应用场景越丰富，在多种温度环境下应用时无线充电性能差异越小。

21、另一方面，本发明提供了一种用于无人机的无线充电装置，包括信号发生器、功率放大器、发射端补充网络、纳米晶磁耦合结构、接收端补充网络、整流滤波模块和负载；

22、所述纳米晶磁耦结构包括圆形线圈和所述纳米晶导磁体，所述纳米晶导磁体在圆形线圈下表面和上表面呈米字型分布以分别构建发射端和接收端；

23、所述信号发生器与功率放大器电连接，所述功率放大器与发射端补充网络电连接，所述发射端补充网络与纳米晶磁耦结构的发射端电连接；

24、所述纳米晶磁耦结构的接收端与接收端补充网络电连接，所述接收端补充网络与整流滤波模块电连接，所述整流滤波模块与负载电连接。

25、本发明提供的纳米晶无线充电装置中磁耦合机构由纳米晶导磁体和圆形线圈组成，电路部分由信号发生器、功率放大器、发射端补偿网络、接收端补偿网络、整流滤波模块以及负载组成，信号发生器和功率放大器组合而成的无线充电电路可以快捷便利的调节无线充电谐振频率以及功率，更方便不同无线充电装置性能的测试。在圆形线圈上采用米字形导磁体结构，可以很好的增强无线充电效率，同时导磁体分布较少，满足轻量小型化的初步要求。

26、优选地，所述圆形线圈为中空导体，所述圆形线圈的内径为32mm，所述圆形线圈的外径为74-76mm。

27、优选地，所述无线充电装置的功率范围为200-400w。

28、优选地，所述无线充电装置的效率达到96％以上。

29、优选地，在无线充电装置中分布的导磁体的体积在8.3cm3以下，重量在29.2g以下。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、本发明提供的导磁体a具有较少的保护膜，和较多的纳米晶柔性片，从而由导磁体a堆叠构成的纳米晶导磁体在保证高效率无线充电的同时，实现了轻量小型化。

32、本发明通过将纳米晶导磁体米字型分布在圆形线圈上、下表面，满足轻量小型化的同时，通过纳米晶导磁体对磁场的作用，使得本发明提供的无人机无线充电装置实现了在较高的功率下无线充电效率达96％以上，同时体积在8.3cm3以下、重量在29.2g以下，相比于对比的无人机无线充电装置，效率更高，同时体积更小，重量更轻。