临近空间浮空器吊舱在系统集成调试阶段处在悬吊状态时存在多方向摆动与持续旋转现象，导致传统有线供电难，以及常规无线传能耦合结构难以保证稳定供电的问题。针对复杂偏移工况下耦合系数波动显著的问题，中国科学院空天信息创新研究院空天能源动力研究团队提出碗状耦合结构抗偏转无线充电系统，完成参数优化与1 kW原理样机研制和六自由度实验验证。结果表明，该结构不仅实现了360°的抗旋转偏移，且任意方向摆动条件下仍具有高效率与偏移鲁棒性，能够显著提升临近空间浮空器在集成调试阶段的供电可靠性与作业连续性。
研究背景
临近空间浮空器吊舱在地面调试阶段需长时间依托柔性吊挂进行姿态标定与载荷联调（图1），其在扰动下产生的多方向摆动与持续旋转（图2），使传统有线供电易出现缠绕与失效风险，也使常规耦合结构在该偏转工况下难以稳定供电。同时，吊舱对载荷质量高度敏感，接收端必须轻量化设计。因此，有必要开展适用于复杂偏移工况的高效、轻量化耦合结构设计研究，以应对调试阶段的能源供给挑战。
图1 飞行试验调试阶段示意图
图2 偏移类型示意图
论文所解决的问题及意义
现有研究大多局限于单一维度偏移场景，主要针对位置偏移、旋转偏移或单方向摆动偏移开展探索，鲜有研究能够突破维度限制，同时解决任意方向摆动与360°旋转偏移的协同适配难题，这一技术瓶颈导致无线供能技术在吊舱柔性悬挂等复杂姿态场景下的传能可靠性不足，严重制约了其工程化落地与规模化应用。
针对上述问题，本文创新性提出一种基于碗状耦合结构的抗偏转无线充电系统（图3），通过耦合结构拓扑创新、多参数协同优化设计及六自由度实验验证，有效实现了对吊舱复杂姿态变化的高适配性与传能稳定性。
该研究成果不仅突破了传统耦合结构在复杂偏移工况下的性能局限，显著提升了无线充电技术在极端姿态场景中的工程可用性，更构建了一套面向复杂偏移场景的耦合结构设计、参数优化与实验验证的完整方法体系，为同类复杂姿态供能场景的技术研发提供了可推广、可借鉴的理论支撑与工程范式。
图3 临近空间飞行器用MCRWPT系统
论文方法及创新点
1、新型碗状耦合结构设计及关键参数优化
针对吊舱在调试阶段产生的旋转偏移与任意方向摆动偏移，本文提出了一种新型碗状耦合结构（图4）。系统研究了线圈外径（DP、DS）、线圈高度（HP、HS）及碗状曲率半径（RQ）等关键尺寸参数对耦合系数（k）及耦合系数波动率（KFR）的影响（图5），实现了在偏移工况下兼顾耦合强度与偏移鲁棒性的几何优化。
图4 碗状耦合结构示意图
图5 关键参数影响机制分析
2、基于耦合性能与轻量化需求的线圈匝数与磁心厚度优化
为提升系统效率并满足吊舱载重约束，论文进一步研究发射端线圈匝数（NP）及接收端线圈匝数（NS）对传输效率（η）的影响（图6）。在磁心设计方面，考虑磁通密度、损耗与重量之间的权衡，对磁心厚度进行优化，使系统在无磁饱和风险下实现接收端显著减重。参数设计流程如图7所示。
图6 线圈匝数与传输效率的关系
图7 参数设计流程图
3、六自由度实验验证与偏移鲁棒性测试
搭建了1 kW 的六自由度的无线电能传输实验平台（图8），模拟吊舱在不同方向上的摆动与旋转偏移（图9），开展互感（M）、耦合系数（k）、输出电压（Uo）及系统效率（ηs）的实验测试（图10），验证了碗状耦合结构的偏移鲁棒性。
图8 无线电能传输实验平台
图9 收发线圈间摆动偏移及旋转偏移
图10 实验结果
结论
1）创新性提出一种新型碗状耦合结构，该结构可同时适配360°旋转偏移与任意方向摆动偏移工况，显著提升了无线充电系统在吊舱柔性悬挂场景下的抗偏移性能，为复杂姿态偏移下的稳定传能提供了结构支撑。
2）引入耦合系数波动率KFR作为核心设计指标，系统开展了耦合结构关键几何参数、线圈匝数及磁心厚度的多参数协同优化，实现了复杂工况下能量的高效率、低波动稳定传输。
3）搭建六自由度无线能量传输实验平台，并完成验证测试，结果显示：在12 cm气隙条件下，当系统处于360°旋转及任意方向±10°摆动工况时，系统效率波动率仅为4.1%，充分验证了该无线充电方案的可行性、稳定性及鲁棒性。
团队介绍
中国科学院空天信息创新研究院浮空器系统研究发展中心是国家浮空器领域的战略科技力量，具备浮空器全系统多学科设计、制造、测试、试验和运维全链条能力，平台研发与试验能力处于国际先进水平。近年来牵头承担了包含国家重大科技专项、国家重点研发计划及中国科学院战略性先导专项等多个重大科研任务，打造形成了研发实力雄厚，人员队伍高素质、学科布局合理、基础设施全面的临近空间浮空器工程技术中心。
空天能源动力研究团队负责人为徐国宁，中国科学院骨干岗位特聘研究员，中国科学院大学岗位教授，中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队负责人，国家重大工程数字化总师。兼任 IEEE 高级会员，教育部重点实验室学术委员会委员，中国电工技术学会智能传感与电气装备专委会副主任委员，空间太阳能电站专业委员会委员。
徐国宁，研究员，博士生导师，副主任，研究方向为空天能源动力技术，包括临近空间高效率能源变换技术、柔性薄膜发电技术和空间无线能量传输技术等。
杨尚航，博士研究生，研究方向为无线电能传输技术。
王义，博士，助理研究员，研究方向为电力电子与电力传动、无线电能传输技术。
本工作成果发表在2025年第20期《电工技术学报》，论文标题为“基于碗状耦合结构的临近空间飞行器用抗偏转无线充电系统“。本课题为中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划资助项目。
