CN102820713A - 冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统 - Google Patents

Abstract

一种冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，包括无线供能装置控制器、冷凝器顶部无线供能发送装置、冷凝器底部无线供能发送装置、清洗机器人顶部无线供能接收装置、清洗机器人底部无线供能接收装置，冷凝器顶部无线供能发送装置固定于冷凝器水室的顶部位置上，冷凝器底部无线供能发送装置固定于冷凝器水室的底部位置上，清洗机器人顶部无线供能接收装置固定于清洗机器人主体的顶部位置上用来与冷凝器顶部无线供能发送装置对应配合以完成无线供电传输，清洗机器人底部无线供能接收装置固定于清洗机器人主体的底部位置上用来与冷凝器底部无线供能发送装置对应配合以完成无线供电传输。本发明具有结构合理紧凑、自动化程度高、工作稳定可靠等优点。

Description

冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统

技术领域

本发明主要涉及到无线供电设备领域，特指一种适用于冷凝器在线清洗机器人的无线供电系统。

背景技术

现有冷凝器在线清洗机器人的动力均采用通过电缆从外部电源引入的方式。由于长期浸泡于水中并承受水流的冲击，供电电缆常出现老化、缠绕、磨损、脱落等问题，将会严重影响到清洗机器人的工作效率与使用寿命。

针对上述问题，有一种解决的办法是采用高能电池为清洗机器人供电，但目前由高能电池供电的机器人都使用接插式充电方式，这种方式在水下密封性、充电管理等方面均存在问题。而且，电池寿命受到充放电次数的限制，当电池失效时需要更换电池，由于清洗机器人安装在密封的冷凝器中，汽轮机组必须停机才能更换，因此其应用具有很大的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构合理紧凑、自动化程度高、工作稳定可靠的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，包括无线供能装置控制器、冷凝器顶部无线供能发送装置、冷凝器底部无线供能发送装置、清洗机器人顶部无线供能接收装置、清洗机器人底部无线供能接收装置，所述冷凝器顶部无线供能发送装置固定于冷凝器水室的顶部位置上，所述冷凝器底部无线供能发送装置固定于冷凝器水室的底部位置上，所述清洗机器人顶部无线供能接收装置固定于清洗机器人主体的顶部位置上用来与冷凝器顶部无线供能发送装置对应配合以完成无线供电传输，所述清洗机器人底部无线供能接收装置固定于清洗机器人主体的底部位置上用来与冷凝器底部无线供能发送装置对应配合以完成无线供电传输。

作为本发明的进一步改进：

本发明还进一步包括安装于冷凝器水室中的水下超声波传感器和水质磁导率传感器，所述水质磁导率传感器用来检测冷凝器水室中的水质磁导率，所述水下超声波传感器用来检测冷凝器顶部无线供能发送装置与清洗机器人顶部无线供能接收装置之间的距离和/或冷凝器底部无线供能发送装置与清洗机器人底部无线供能接收装置之间的距离；所述无线供能装置控制器根据水下超声波传感器和水质磁导率传感器的检测结果调节冷凝器顶部无线供能发送装置和/或清洗机器人底部无线供能接收装置的工作频率。

所述无线供能装置控制器对冷凝器顶部无线供能发送装置和清洗机器人底部无线供能接收装置工作频率的调节步骤为：

①检测冷凝器水室顶部的冷凝器顶部无线供能发送装置与清洗机器人顶部无线供能接收装置的距离d₁，冷凝器底部无线供能发送装置与清洗机器人底部无线供能接收装置的距离d₂；

②无线供能装置控制器检测清洗机器人主体所需电能Ps；

③无线供能装置控制器通过水质磁导率传感器检测水质的磁导率μ；

④无线供能装置控制器将以上检测到的参数代入以下公式，计算出冷凝器顶部无线供能发送装置的工作频率f₁、冷凝器底部无线供能发送装置的工作频率f₂：

$f_1=\frac{(d_1+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s}$ $f_2=\frac{(d_2+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s};$

其中，U_s为负载端电压有效值；N为对应的无线供能接受装置中线圈的匝数；r为对应的无线供能装置中线圈的半径；

⑤无线供能装置控制器根据步骤④得到的工作频率分别调节冷凝器顶部无线供能发送装置、冷凝器底部无线供能发送装置的工作频率。

所述冷凝器顶部无线供能发送装置、冷凝器底部无线供能发送装置、清洗机器人顶部无线供能接收装置、清洗机器人底部无线供能接收装置均采用铜线绕制的螺旋线圈。

所述在冷凝器顶部无线供能发送装置、冷凝器底部无线供能发送装置、清洗机器人顶部无线供能接收装置、清洗机器人底部无线供能接收装置上均设有散热器。

所述散热器采用非金属水冷式散热器，所述非金属水冷式散热器内部开设有散热器水孔。

所述清洗机器人顶部无线供能接收装置、清洗机器人底部无线供能接收装置接收到电能后通过高速同步整流电路对高频电流整流为直流电，并通过功率合成电路对两个无线供能接收装置接收的电能进行功率合成控制；所述电能通过功率合成电路后分配给清洗机器人控制器和逆变器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，结构合理紧凑、自动化程度高、工作稳定可靠，能够为可移动式负载提供不间断的稳定电能，尤其是冷凝器在线机器人这种长期在水下工作、处于运动状态的可移动式负载。

2、本发明的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，使用位于顶部和底部的两个无线供能装置，一方面能为移动式清洗机器人提供电能，增大清洗机器人的工作范围，另一方面两个无线供能装置为清洗机器人提供电能，使机器人工作更加稳定、可靠。

3、本发明的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，无线供能装置控制器根据水下超声波传感器提供的清洗机器人主体与冷凝器顶部无线供能发送装置或冷凝器底部无线供能发送装置之间的距离、控制器检测到的负载负荷大小以及水质磁导率传感器检测到得水质磁导率，使用系统控制算法得出无线供能发送装置止常工作状态所需的工作振动频率，并按照计算结果输出控制指令对两个无线供能装置工作状态进行调整，从而保证了为冷凝器在线清洗机器人供电的可靠性以及供电效率。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中清洗机器人内部电能处理流程示意图。

图例说明：

1、无线供能装置控制器；2、散热器；3、冷凝器顶部无线供能发送装置；4、清洗机器人移动导轨；5、水下超声波传感器；6、清洗机器人顶部无线供能接收装置；7、散热器水孔；8、清洗机器人主体；9、清洗机器人升降螺母；10、清洗机器人底部无线供能接收装置；11、冷凝器铜管；12、冷凝器底部无线供能发送装置；13、冷凝器水室；14、水质磁导率传感器；15、高速同步整流电路；16、功率合成电路；17、逆变器；18、清洗机器人控制器；19、伺服电机。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，在具体应用实例中，清洗机器人主体8位于冷凝器水室13中，在清洗机器人控制器18的控制下，通过清洗机器人升降螺母9可沿着清洗机器人移动导轨4运动，用来对冷凝器铜管11进行清洗作业。本发明的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，包括：无线供能装置控制器1、冷凝器顶部无线供能发送装置3、冷凝器底部无线供能发送装置12、清洗机器人顶部无线供能接收装置6、清洗机器人底部无线供能接收装置10，冷凝器顶部无线供能发送装置3固定于冷凝器水室13的顶部位置上，冷凝器底部无线供能发送装置12固定于冷凝器水室13的底部位置上，清洗机器人顶部无线供能接收装置6固定于清洗机器人主体8的顶部位置上，清洗机器人底部无线供能接收装置10固定于清洗机器人主体8的底部位置上，冷凝器顶部无线供能发送装置3用来与清洗机器人顶部无线供能接收装置6对应配合以完成无线供电传输，冷凝器底部无线供能发送装置12用来与清洗机器人底部无线供能接收装置10对应配合以完成无线供电传输。

无线供能装置控制器1安装在冷凝器水室13的顶部用以控制冷凝器顶部无线供能发送装置3向清洗机器人顶部无线供能接收装置6发送电能、及控制冷凝器底部无线供能发送装置12向清洗机器人底部无线供能接收装置10发送电能。

本实施例中，冷凝器顶部无线供能发送装置3、冷凝器底部无线供能发送装置12、清洗机器人顶部无线供能接收装置6、清洗机器人底部无线供能接收装置10均采用铜线绕制的螺旋线圈；其工作原理为：冷凝器顶部无线供能发送装置3和冷凝器底部无线供能发送装置12发出一定频率的交变电磁场，清洗机器人顶部无线供能接收装置6和清洗机器人底部无线供能接收装置10感应到该交变电磁场后产生相同频率交变电流，该交变电流在清洗机器人顶部无线供能接收装置6、清洗机器人底部无线供能接收装置10中义产生相同频率的交变电磁场。由于两个装置的振荡频率相同，故两者产生共振作用使能量的传递作用得到加强，最终使电能最大程度地从冷凝器顶部无线供能发送装置3、冷凝器底部无线供能发送装置12通过电磁场方式传送到清洗机器人主体8上。

本实施例中，在冷凝器顶部无线供能发送装置3、冷凝器底部无线供能发送装置12、清洗机器人顶部无线供能接收装置6、清洗机器人底部无线供能接收装置10上均连接有散热器2，该散热器2对上述部件进行散热，以保持止常的温度，进而提高电能传送效率的作用。该散热器2可以采用非金属水冷式散热器，其内部的散热器水孔7中流过冷凝水以增大散热器2的散热效果。

本实施例中，在冷凝器顶部无线供能发送装置3的下方或冷凝器底部无线供能发送装置12的上方设有水下超声波传感器5，利用水下超声波传感器5能够检测并计算出冷凝器水室13顶部的冷凝器顶部无线供能发送装置3与清洗机器人顶部无线供能接收装置6之间的距离、及冷凝器底部无线供能发送装置12与清洗机器人底部无线供能接收装置10之间的距离。同时，使用安装于冷凝器水室13中的水质磁导率传感器14检测水质磁导率，将水下超声波传感器5和水质磁导率传感器14的结果用于调节无线供能装置的工作频率。

无线供能装置控制器1根据水下超声波传感器5提供的清洗机器人主体8与冷凝器顶部无线供能发送装置3或冷凝器底部无线供能发送装置12之间的距离、控制器检测到的负载负荷大小以及水质磁导率传感器14检测到的水质磁导率，使用系统控制算法得出无线供能发送装置止常工作状态所需的工作振动频率，并按照计算结果输出控制指令对两个无线供能装置工作状态进行调整。

该系统控制算法的步骤为：

(1)检测冷凝器水室13顶部的冷凝器顶部无线供能发送装置3与清洗机器人顶部无线供能接收装置6的距离d₁，冷凝器底部无线供能发送装置12与清洗机器人底部无线供能接收装置10的距离d₂。

(2)无线供能装置控制器1检测清洗机器人主体8与负载功率PS对应的所需电能。

(3)无线供能装置控制器1通过水质磁导率传感器14检测水质的磁导率μ。

(4)无线供能装置控制器1将以上检测到的参数代入以下计算公式，计算出冷凝器顶部无线供能发送装置3的工作频率f₁、冷凝器底部无线供能发送装置12的工作频率f₂。

$f_1=\frac{(d_1+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s}$ $f_2=\frac{(d_2+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s}$

其中U_s为负载端电压有效值；N为对应的无线供能接受装置中线圈的匝数；r为对应的无线供能装置中线圈的半径；以上均为定值。

(5)无线供能装置控制器1根据步骤(4)得到的工作频率分别调节冷凝器顶部无线供能发送装置3、冷凝器底部无线供能发送装置12的工作频率。

上述的频率计算公式由以下推导而得：

根据功率计算公式： $P_s=\frac{U_s^2}{R_L}---\left(1\right)$

式中：P_s为负载功率；U_s为负载端电压有效值；R_L为负载阻抗值。

法拉第电磁感应定律： $\mathrm{\ϵ}=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式中：ε为感应电动势；φ为通过线圈的磁通量；

磁通量： $\mathrm{\φ}=\mathrm{BS}=\mathrm{\μHS}=\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{NI}}{l}S---\left(3\right)$

μ为空气磁导率；l为磁链长度；N为线圈匝数；S为线圈面积；I为通过线圈导线的电流大小；

(3)式代入(2)式得：

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{\μNS}}{l}\frac{{\mathrm{dI}}_P}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{\μNS}}{l}\frac{\mathrm{\Δ}{I}_P}{\mathrm{\Δt}}=-\frac{\mathrm{\μNS}}{l}2\mathrm{f\Δ}{I}_P=-\frac{\mathrm{\μNS}}{l}2f\frac{\mathrm{\ΔU}}{R}=-\frac{\mathrm{\μNS}}{l}2f\frac{2\sqrt{2}{U}_p}{R}---\left(4\right)$

式中：f为电压、电流频率；U_p为一次侧电压有效值；

(4)式代入(1)式得：

$P_s=\frac{U_s^2}{R_L}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{8R_L}={\left(\frac{\mathrm{\μNS}}{l}2f\frac{2\sqrt{2}{U}_p}{R}\right)}^2\frac{1}{8R_L}---\left(5\right)$

考虑强耦合情况下，负载阻抗从二次侧变换到一次侧得：R＝n²R_L，这里取匝数比n为1，故有R＝R_L，U_s＝U_p；对于圆形线圈，通过其磁通量的面积S＝πr²则：

$P_s={\left(\frac{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}}{l}2f\frac{2\sqrt{2}{U}_p}{R_L}\right)}^2\frac{1}{8R_L}={\left(\frac{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}}{l}2f\frac{2\sqrt{2}{U}_p}{R_L}\right)}^2\frac{1}{8R_L}={\left(\frac{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}}{l}2f\frac{U_p}{R_L}\right)}^2\frac{1}{R_L}---\left(6\right)$

$f=\frac{l\sqrt{P_s{R}_L^3}}{2\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\πN}{U}_p}=\frac{l\sqrt{\frac{U_s^2}{R_L}{R}_L^3}}{2\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{U}_p}=\frac{l{U}_s}{2\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s}---\left(7\right)$

式中l为磁链长度，当两个线圈发送强耦合作用后磁链将链接两个线圈，其长度约为2d+2πr则：

$f=\frac{l\sqrt{P_s{R}_L^3}}{2\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\πN}{U}_p}=\frac{l\sqrt{\frac{U_s^2}{R_L}{R}_L^3}}{2\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{U}_p}=\frac{(d+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s}---\left(8\right)$

工作时，当清洗机器人主体8距离冷凝器的顶部较近时，主要靠清洗机器人顶部无线供能接收装置6接收冷凝器顶部的冷凝器顶部无线供能发送装置3传送的电能提供给清洗机器人主体8。当清洗机器人主体8距离冷凝器的底部较近时，主要靠清洗机器人底部的清洗机器人底部无线供能接收装置10接收冷凝器底部的冷凝器底部无线供能发送装置12传送的电能提供给清洗机器人主体8。当清洗机器人主体8处于两者之间时，将使用两者同时提供的电能为清洗机器人主体8供电。

参见图2，本发明的无线供能系统在无线供能装置控制器1的控制下能够连续不断地为清洗机器人主体8提供电能。清洗机器人顶部无线供能接收装置6、清洗机器人底部无线供能接收装置10接收到电能后将通过高速同步整流电路15对高频电流整流为直流电，利用功率合成电路16对两个无线供能接收装置接收的电能进行功率合成控制，使无线供能装置满足清洗机器人主体8稳定运行所需的功率要求。电能通过功率合成电路16后分配给清洗机器人控制器18和逆变器17。逆变器17将功率合成电路16输出的直流电逆变为交流电提供给清洗机器人的伺服电机19。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于：包括无线供能装置控制器(1)、冷凝器顶部无线供能发送装置(3)、冷凝器底部无线供能发送装置(12)、清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)、清洗机器人底部无线供能接收装置(10)，所述冷凝器顶部无线供能发送装置(3)固定于冷凝器水室(13)的顶部位置上，所述冷凝器底部无线供能发送装置(12)固定于冷凝器水室(13)的底部位置上，所述清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)固定于清洗机器人主体(8)的顶部位置上用来与冷凝器顶部无线供能发送装置(3)对应配合以完成无线供电传输，所述清洗机器人底部无线供能接收装置(10)固定于清洗机器人主体(8)的底部位置上用来与冷凝器底部无线供能发送装置(12)对应配合以完成无线供电传输。

2.根据权利要求1所述的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于：还包括安装于冷凝器水室(13)中的水下超声波传感器(5)和水质磁导率传感器(14)，所述水质磁导率传感器(14)用来检测冷凝器水室(13)中的水质磁导率，所述水下超声波传感器(5)用来检测冷凝器顶部无线供能发送装置(3)与清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)之间的距离和/或冷凝器底部无线供能发送装置(12)与清洗机器人底部无线供能接收装置(10)之间的距离；所述无线供能装置控制器(1)根据水下超声波传感器(5)和水质磁导率传感器(14)的检测结果调节冷凝器顶部无线供能发送装置(3)和/或清洗机器人底部无线供能接收装置(10)的工作频率。

3.根据权利要求2所述的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于，所述无线供能装置控制器(1)对冷凝器顶部无线供能发送装置(3)和清洗机器人底部无线供能接收装置(10)工作频率的调节步骤为：

①检测冷凝器水室(13)顶部的冷凝器顶部无线供能发送装置(3)与清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)的距离d₁，冷凝器底部无线供能发送装置(12)与清洗机器人底部无线供能接收装置(10)的距离d₂；

②无线供能装置控制器(1)检测清洗机器人主体(8)所需电能P_S；

③无线供能装置控制器(1)通过水质磁导率传感器(14)检测水质的磁导率μ；

④无线供能装置控制器(1)将以上检测到的参数代入以下公式，计算出冷凝器顶部无线供能发送装置(3)的工作频率f₁、冷凝器底部无线供能发送装置(12)的工作频率f₂：

$f_1=\frac{(d_1+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s}$ $f_2=\frac{(d_2+\mathrm{\πr})U_s}{\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μN}{P}_s};$

其中，U_s为负载端电压有效值；N为对应的无线供能接受装置中线圈的匝数；r为对应的无线供能装置中线圈的半径；

⑤无线供能装置控制器(1)根据步骤④得到的工作频率分别调节冷凝器顶部无线供能发送装置(3)、冷凝器底部无线供能发送装置(12)的工作频率。

4.根据权利要求1或2或3所述的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于，所述冷凝器顶部无线供能发送装置(3)、冷凝器底部无线供能发送装置(12)、清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)、清洗机器人底部无线供能接收装置(10)均采用铜线绕制的螺旋线圈。

5.根据权利要求1或2或3所述的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于，所述在冷凝器顶部无线供能发送装置(3)、冷凝器底部无线供能发送装置(12)、清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)、清洗机器人底部无线供能接收装置(10)上均设有散热器(2)。

6.根据权利要求4所述的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于，所述散热器(2)采用非金属水冷式散热器，所述非金属水冷式散热器内部开设有散热器水孔(7)。

7.根据权利要求1或2或3所述的冷凝器在线清洗机器人用无线供电系统，其特征在于，所述清洗机器人顶部无线供能接收装置(6)、清洗机器人底部无线供能接收装置(10)接收到电能后通过高速同步整流电路(15)对高频电流整流为直流电，并通过功率合成电路(16)对两个无线供能接收装置接收的电能进行功率合成控制；所述电能通过功率合成电路(16)后分配给清洗机器人控制器(18)和逆变器(17)。

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