Математическое моделирование бесконтактного процесса подзаряда аккумуляторной батареи мультикоптера от внешнего электромагнитного поля

Аннотация

Исследован процесс бесконтактного подзаряда аккумуляторной батареи беспилотного летательного аппарата мультикоптерного типа энергией внешнего электромагнитного поля, созданного токами, протекающими по проводам контактной сети электрифицированного железнодорожного транспорта или воздушной линии электропередач, без прерывания полета летательного аппарата. На борт мультикоптера энергия передается индукционным способом с помощью размещенной на нем электрической обмотки, соединенной с аккумуляторной батареей. Построена конечно-элементная математическая модель и выполнены расчеты ЭДС, наводимой в электрической обмотке при различных траекториях движения аппарата вблизи контактного провода контактной сети железной дороги, электрифицированной постоянным (с напряжением 3,3 кВ) и переменным (с напряжением 27,5 кВ и частотой 50 Гц) током. Выявлено, что наибольшие значения ЭДС в электрической обмотке наводятся при полете аппарата под контактным проводом с переменным током. При полете аппарата с электрической обмоткой под контактным проводом с постоянным током частота и амплитуда наводимой ЭДС зависят от периода отклонений аппарата от направления оси его прямолинейного движения. Кривая ЭДС при этом не синусоидальна, ее искажения зависят от амплитуды отклонения электрической обмотки от оси направления движения. В случае с переменным током в контактном проводе амплитуда наводимой ЭДС зависит от амплитуды и частоты внешнего магнитного поля, созданного этим током. Параметры движения беспилотного летательного аппарата незначительно влияют на ЭДС. При этом наибольшие значения ЭДС, достаточные для подзаряда аккумуляторной батареи, наводятся при движении электрической обмотки под контактным проводом

Работа выполнена в рамках гранта РНФ (проект № 24-29-00159), предоставленного на 2024--2025 гг. по результатам конкурса 2023 года "Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами"

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Ким К.К., Королева Е.Б., Ватаев А.С. и др. Математическое моделирование бесконтактного процесса подзаряда аккумуляторной батареи мультикоптера от внешнего электромагнитного поля. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2024, № 4 (151), c. 28--46. EDN: ZRDBMU

Литература

[1] Коршуненко М.В. Повышение длительности полета БПЛА за счет улучшения эксплуатационных показателей. Актуальные проблемы авиации и космонавтики, 2016, т. 1, № 12, с. 862--863. EDN: WTOCEN

[2] Воронов С.В. Разработка алгоритмов и программных средств управления беспилотным летательным аппаратом. XIV Нац. конф. по искусственному интеллекту с междунар. участием. КИИ-2014. Труды конф. Т. 3. Казань, Школа, 2014, с. 249--255. EDN: TOVZSR

[3] Артемьева А.О., Вялова Е.П. Аккумулятор нового поколения для БПЛА на службе МЧС. Комплексные проблемы техносферной безопасности. Безопасный город. Матер. XI Науч.-практ. конф. Ч. 2. Воронеж, Изд-во ВГТУ, 2016, с. 107--110. EDN: KYLKHO

[4] Сергеев И.А. Беспилотные летательные аппараты с водородными топливными элементами. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием "Новые технологии, материалы и оборудование Российской авиакосмической отрасли". Т. 1. Казань, Изд-во КНИТУ-КАИ, 2018, с. 75--77. EDN: YNBGMP

[5] Чурляева К.Д., Степанов С.Ф., Чурляева О.Н. Обоснование эффективности использования гибридной ветро-солнечной системы источников энергии для подзарядки квадрокоптеров. Актуальные проблемы энергетики АПК. Матер. VIII Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, ЦЕСАИН, 2017, с. 284--286. EDN: ZQZCVZ

[6] Чурляева К.Д., Чурляева О.Н., Степанов С.Ф. Мониторинг воздушных линий электропередач с помощью беспилотных летательных аппаратов. Разработка автономной наземной станции для подзарядки квадрокоптеров. Актуальные проблемы энергетики АПК. Матер. VII Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, ЦЕСАИН СГАУ, 2016, с. 251--252. EDN: XGQQAX

[7] Степанов С.Ф., Артюхов И.И., Артюхов Д.И. и др. Комбинированные наземные автономные зарядные станции общего пользования с ветро-солнечными источниками энергии для мультикоптеров. Актуальные проблемы энергетики АПК. Матер. VI Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, ЦЕСАИН, 2015, с. 269--274. EDN: UEEIQR

[8] Денисов Ю.А., Шаповалов О.Л., Середа О.В. и др. Оптимизация энергодинамических процессов в системе управления приводом стабилизации полета беспилотного летательного аппарата. Технические науки и технологии, 2018, № 3 (13), с. 187--195. EDN: ZCTXLV

[9] Ким К.К. Беспилотный летательный комплекс. Патент ЕА 042897. Заявл. 30.06.20, опубл. 31.03.2023.

[10] Ким К.К., Панычев А.Ю. Беспилотный летательный аппарат для диагностики высоковольтных установок. Патент РФ 2791914C1. Заявл. 08.11.2022, опубл. 14.03.2023.

[11] Ким К.К., Панычев А.Ю. Беспилотный летательный аппарат. Патент РФ 2801404. Заявл. 01.02.2023, опубл. 08.08.2023.

[12] Simica M., Bila C., Vojisavljevic V. Investigation in wireless power transmission for UAV charging. Proc. Comp. Sc., 2015, no. 60, pp. 1846--1855. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.08.295

[13] Kurs A., Karalis A., Moffatt R., et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science, 2007, vol. 317, no. 5834, pp. 83--86. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1143254

[14] McDonough M. Integration of inductively coupled power transfer and hybrid energy storage system: a multi-port power electronics interface for battery powered electric vehicles. IEEE Trans. Power Electron., 2015, vol. 30, no. 11, pp. 6423--6433. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2422300

[15] Yin S., Qu Z. Rate-optimal coding design in joint transfer of energy and information. IEEE Commun. Lett., 2015, vol. 19, no. 5, pp. 715--718. DOI: https://doi.org/10.1109/LCOMM.2015.2410291

[16] Griffin B., Detweiler C. Resonant wireless power transfer to ground sensors from a UAV. IEEE ICRA, 2012, pp. 2660--2665. DOI: https://doi.org/10.1109/ICRA.2012.6225205

[17] Чернов Ю.А. Электроснабжение электрических железных дорог. М., УМЦ ЖТД, 2016.

[18] Некрасов О.А., Лисицын А.Л., Мугинштейн Л.А. и др. Режимы работы магистральных электровозов. М., Транспорт, 1983.

[19] Ким К.К., Панычев А.Ю. Инновационные электротехнические разработки для транспортной отрасли Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. Бюллетень результатов научных исследований, 2021, № 4, c. 87--103. DOI: https://doi.org/10.20295/2223-9987-2021-4-87-103

[20] Ким К.К., Ефремов М.А., Иванов С.Н. Разработка электромеханической системы для привода беспилотного летательного аппарата. Производственные технологии будущего: от создания к внедрению. Матер. VI Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых. Ч. 1. Комсомольск-на-Амуре, Изд-во КнАГУ, 2023, с. 193--197.