Modern Transportation Systems and TechnologiesModern Transportation Systems and TechnologiesИнновационные транспортные системы и технологии2782-3733Eco-Vector67991110.17816/transsyst679911ReviewsОбзорыReview ArticleParameter definition of on-board charging winding of multicopter with extended flight timeОпределение параметров бортовой зарядной обмотки мультикоптера с увеличенным полетным временемhttps://orcid.org/0000-0001-7282-44293278-4938KimKonstantin K.КимКонстантин Константинович
Russian Federation

Dr Sci. (Engineering), Professor

д-р техн. наук, профессор

kimkk@inbox.ruhttps://orcid.org/0009-0005-6587-60088379-4655MikhailovMikhail V.МихайловМихаил Владимирович
Russian Federation

graduate student

аспирант

mihanikk2001@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0002-1804-69825664-6112KorolevaElena B.КоролеваЕлена Борисовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

elzazybina@yandex.ruEmperor Alexander I St. Petersburg State Transport UniversityПетербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I18122025201220251145455581905202530072025Copyright ©; 2025, Kim K.K., Mikhailov M.V., Koroleva E.B.Copyright ©; 2025, Ким К.К., Михайлов М.В., Королева Е.Б.2025Kim K.K., Mikhailov M.V., Koroleva E.B.Ким К.К., Михайлов М.В., Королева Е.Б.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://transsyst.ru/transj/article/view/679911

AIM: This work aimed to determine the required charging voltage of the battery using an on-board charging winding based on electromagnetic energy generated by the alternating current of the contact wire.

METHODS: A mathematical model was created in COMSOL Multiphysics® 6.0 using Maxwell’s equations and the finite element method to calculate the induced electromotive force in the on-board winding of an unmanned aerial vehicle.

RESULTS: The relationships between the electromotive force induced in the on-board charging winding and its parameters and the distance to the contact wire were determined. The study shows that for a 600 A current in the contact wire, the charging current can allow for battery recharging and the winding weight does not exceed the multicopter lifting capacity.

CONCLUSION: This method may only be recommended for battery recharging of an unmanned aerial vehicle.

Цель. Обеспечение требуемого значения зарядного напряжения аккумуляторной батареи с помощью бортовой зарядной обмотки за счет энергии электромагнитного поля, созданного переменным током контактного провода.

Материалы и методы. Создана математическая модель в программе COMSOL Multiphysics® 6.0 с использованием уравнений Максвелла и метода конечных элементов для расчета наведенной электродвижущей силы в бортовой обмотке беспилотного летательного аппарата.

Результаты. Определены зависимости электродвижущей силы, индуцированной в бортовой зарядной обмотке, от ее параметров и расстояния до контактного провода. Показано, что для электрического тока в контактном проводе, равном 600 А, величина зарядного тока может обеспечить режим дозаряда аккумуляторной батареи, причем масса обмотки не превышает грузоподъемность мультикоптера.

Заключение. Данный способ может быть рекомендован только для дозаряда аккумуляторной батареи беспилотного летательного аппарата.

unmanned aerial vehicleon-board charging windingcontact wireelectromagnetic fieldinduction methodbatterycharging voltageweightбеспилотный летательный аппаратбортовая зарядная обмоткаконтактный проводэлектромагнитное полеиндукционный способаккумуляторная батареязарядное напряжениемассаThe research was carried out within the framework of scientific project No. 24-29-00159, a grant provided by the Russian Science Foundation for 2024–2025 based on the results of the 2023 competition “Conducting fundamental scientific research and exploratory scientific research by small individual scientific groups.”Исследования выполнены в рамках научного проекта № 24-29-00159 гранта, предоставленного Российским Научным Фондом на 2024 – 2025 гг. по результатам конкурса 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».Bogushevskaya VA, Zayats OV, Maslyakov YaN, et al. Development of a remote power supply system for unmanned aerial vehicles. Proceedings of MAI. 2012;51:1–14. (In Russ.) EDN: OWPABHБогушевская В.А., Заяц О.В., Масляков Я.Н., и др. Разработка системы дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. 2012. Вып. № 51. С. 1–14. EDN: OWPABHNazarenko PA. Model of a solar-powered UAV / PA Nazarenko, VI Satarova, LV Makarova. Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2021;10:44–51. (In Russ.) doi: 10.24412/2071-6168-2021-10-44-51 EDN: RMUUSUНазаренко П.А., Сатарова В.И., Макарова Л.В. Модель БПЛА на солнечной энергии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 10. С. 44–51. doi: 10.24412/2071-6168-2021-10-44-51 EDN: RMUUSUOvchinnikov AV, Novikova KO, Fetisov VS. Recharge of VTOL UAVs on Landing Platforms with Adaptable Contact Band Width. Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023;2(19):80–89. (In Russ.) doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-2-80-89 EDN: ZTPPNWОвчинников А.В., Новикова К.О., Фетисов В.С. Подзарядка беспилотных летательных аппаратов с вертикальным взлетом-посадкой на контактных платформах с адаптируемой шириной контактных полос // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 2. С. 80–89. doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-2-80-89 EDN: ZTPPNWPatent RUS № 2837679 / 03.04.2025. Byul. № 10. Kim KK, Koroleva EB, Mikhajlov MV, Solov’ev AS. Sistema posadki bespilotnogo letatel’nogo apparata vertikal’nogo vzleta i posadki. (In Russ.) EDN: GEOEECПатент РФ на изобретение № 2837679/ 03.04.2025. Бюл. № 10. Ким К.К., Королева Е.Б., Михайлов М.В., Соловьев А.С. Система посадки беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки. EDN: GEOEECKim KK, Koroleva EB, Vataev AS. Monitoring of railway infrastructure facilities using unmanned aerial vehicles. In: Eltrans–2023: proceedings of the XI International Symposium, St. Petersburg, May 31 – June 02, 2023 / Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University. St. Petersburg: NP-Print; 2023:247–252. (In Russ.)Ким К.К., Королева Е.Б., Ватаев А.С. Мониторинг объектов инфраструктуры железных дорог с применением беспилотных летательных аппаратов. В кн.: Eltrans – 2023: сборник трудов XI Международного симпозиума, Санкт-Петербург, 31 мая – 02 июня 2023 г. Санкт-Петербург: ООО «ИПК «НП-Принт», 2023. С. 247–252.Kim KK, Koroleva EB., Tkachuk AA. Unmanned electric aircraft and systems for railway monitoring Transport of the Russian Federation. A journal about science, practice, and economics. 2024;6(115):44–51. (In Russ.) EDN: ICAUZZКим К.К., Королева Е.Б., Ткачук А.А. Беспилотные электрические летательные аппараты и комплексы для мониторинга на железнодорожном транспорте // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике. 2024. № 6(115). С. 44–51. EDN: ICAUZZFrolova EA, Dobroskok NA. Kriticheskij obzor metodov elektromagnitnoj beskontaktnoj peredachi energii. Razvivaya energeticheskuyu povestku budushchego: Sb. dokladov mezhd. nauch.-prakt. konf. dlya predstavitelej soobshchestva molodyh inzhenerov TEK, Sankt-Peterburg, 10–11 dekabrya 2021 goda. St. Peterburg: Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj elektrotekhnicheskij universitet im. V.I. Ul’yanova (Lenina), 2021:153–157. (In Russ.) EDN: KSMAZTФролова Е.А., Доброскок Н.А. Критический обзор методов электромагнитной бесконтактной передачи энергии. В кн.: Развивая энергетическую повестку будущего: Сб. докладов межд. науч.-практ. конф. для представителей сообщества молодых инженеров ТЭК, Санкт-Петербург, 10–11 декабря 2021 г. СПб: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), 2021. С. 153–157. EDN: KSMAZTNguyen M, Nguyen CV, Truong LH, et al. Electromagnetic Field Based WPT Technologies for UAVs: A Comprehensive Survey. Electronics. 2020;9(3):461. doi:10.3390/electronics9030461 EDN: EROGICNguyen M., Nguyen C.V., Truong L. H., et al. Electromagnetic Field Based WPT Technologies for UAVs: A Comprehensive Survey. Electronics. 2020. Vol. 9, N. 3. doi: 10.3390/electronics9030461 EDN: EROGICYıldırım O. Analysis and experimental verification of efficiency parameters affecting inductively coupled wireless power transfer systems. Heliyon. 2024;10(5). doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e27420 EDN: DDSEUFYıldırım O. Analysis and experimental verification of efficiency parameters affecting inductively coupled wireless power transfer systems // Heliyon. 2024. Vol. 10, N. 5. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e27420 EDN: DDSEUFShitov V. Jenergija po vozduhu: vse sposoby zarjadit’ dron // Mashiny i mehanizmy. 2022. №199 [Internet] [cited 2025 March 31]. Available from: https://21mm.ru/news/tehnologii/energiya-po-vozdukhu-vse-sposobyzaryadit-dron (In Russ.)Шитов В. Энергия по воздуху: все способы зарядить дрон // Машины и механизмы. 2022. №. 199. [internet] Дата обращения 31.03.2025. Доступ по ссылке: https://21mm.ru/news/tehnologii/energiya-po-vozdukhu-vse- sposobyzaryadit-dronNikitin VV, Vasiliev VA, Zhao T. Wireless power transmission to the carriage of high speed magnetolevitational transport. Electronics and electrical equipment of transport. 2022; 1: 23-26. (In Russ.) EDN: HTBPUOНикитин В.В. Васильев В.А., Чжао Т. Бесконтактная передача энергии на экипажи высокоскоростного магнитолевитационного транспорта // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 1. С. 23–26. EDN: HTBPUOKim KK, Koroleva EB, Rybin PK, Stepanskaya OA. An unmanned aerial vehicle for monitoring an AC contact network. Modern Transportation Systems and Technologies. 2024;10(4):463–476. doi: 10.17816/transsyst636732 (In Russ.) EDN: KDGRRTКим К.К., Королева Е.Б., Рыбин П.К., Степанская О.А. Беспилотный летательный аппарат для мониторинга контактной сети переменного тока // Инновационные транспортные системы и технологии. 2024. Т. 10, № 4. С. 463–476. doi: 10.17816/transsyst636732 EDN: KDGRRTKim KK, Koroleva EB, Vataev AS, et al. Mathematical simulation of the contactless process in charging a multicopter battery from the external electromagnetic field. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Mechanical Engineering. 2024;4(151):28–46. (In Russ.) doi: 10.18698/0236-3941-2024-4 EDN: ZRDBMUКим К.К., Королева Е.Б., Ватаев А.С. и др. Математическое моделирование бесконтактного процесса подзаряда аккумуляторной батареи мультикоптера от внешнего электромагнитного поля // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2024. № 4(151). С. 28-46. doi: 10.18698/0236-3941-2024 EDN: ZRDBMUValinsky OS, Kim KK. Developments of St. Petersburg State University of Railway Communications in the Field of Non-traditional and Renewable Energy. Transport of the Russian Federation. A journal about science, practice, and economics. 2024;(2):32–38. (In Russ.)Валинский О.С., Ким К.К. Разработки Петербургского государственного университета путей сообщения в области нетрадиционной и возобновляемой энергетики // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике. 2024. № 2. С. 32–38.Patent № 042897 / 31.03.2023. Byul. 2023-03. Кim КК. Bespilotnyj letatel’nyj kompleks. (In Russ.) EDN: AGVBFHЕвразийский патент № 042897 / 31.03.2023. Бюл. 2023-03. Ким К.К. Беспилотный летательный комплекс. EDN: AGVBFHKalantarov PL, Cejtlin LA. Calculating Inductances: Reference Book. Leningrad: Energoatomizdat, 1986 (In Russ.)Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1986.