本课题以无人机无线充电为研究背景,旨在解决现有无人机无线充电技术研究中存在磁耦合机构功率密度低、发射和接收电路体积大、功率兼容性差等问题,提出一种应用于无人机的高功率密度模块化无线充电系统设计方法。设计得到的单个无线充电模块经过并联,可有效提升输出功率和带载能力,满足不同功率等级无人机的充电需求。具体内容如下:根据课题指标要求完成了无线充电系统的结构分析,明确了模块化设计思路和多模块并联解决功率等级宽范围兼容的集成方案,确定了单无线充电模块的研究主要包括原边逆变、磁耦合机构、副边充电管理这三部分。首先从控制简单、易于小型化设计的角度出发,选取了单管逆变电路作为高频激励。考虑到电压增益和带载稳定性高的优点,选择了并联-并联谐振补偿网络,研究了恒流输出特性及输出功率、效率的计算方法,仿真分析了副边线圈自感、内阻、互感和负载对系统效率的影响,为磁耦合机构设计提供参考。提出了一套高功率密度的磁耦合机构设计方案。对比正交型、螺线管、平面型及其衍生的矩形、圆环和圆盘形等多种磁耦合机构,以通用性强和磁密高的优点选择了平面矩形结构。在此基础上,将无人机机身与磁耦合机构整体建模,分析了机身对系统性能的影响。从轻量化的角度,对比分析了铁氧体磁芯排布、磁材料类型及厚度对系统传输性能的影响,完成了磁耦合机构的优化设计工作。进一步分析线圈矩阵的最小间隔距离,以避免交叉耦合的不利后果。设计了基于平均电流控制的副边电能变换器。针对无人机锂电池的恒流、恒压充电需求,选用基于Buck变换器的充电管理电路,设计了双闭环控制的PI补偿参数,通过仿真验证了恒流、恒压输出特性。在此基础上提出了基于单电压外环、多电流内环的主从均流控制策略实现并联模块数量变化时单个无线充电模块输出电流的稳定,并通过电路仿真结果进行验证。完成了无人机无线充电系统样机制作及实验系统的搭建。实验测试了系统具备输出功率33.6W、系统效率82.8%的传输特性。其中,发射端功率密度为0.78W/g;接收线圈功率密度为2.8W/g,总功率密度为1.1W/g。此外,完成了两模块并联的验证实验,单模块输出电流稳定在2.1A、总输出功率最大67W,实现了多模块并联的均流控制和功率等级的提升。