CN104734204A - 一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，属于无线电能传输技术领域。其包括发射系统、能量传输装置和接收系统。能量传输装置包括发射换能器、接收换能器、金属板和内螺纹圆柱。其中，发射换能器采用夹心式纵振压电换能器结构，包括压电陶瓷片、电极片、带外螺纹的前盖板、后盖板和预应力螺栓。采用了基于超声波的无线电能传输技术，有效解决了感应耦合技术和电场耦合技术中难以避免的电磁干扰问题；填补了基于电磁原理的无线输电技术无法在密闭金属容器中应用的空缺；对发射换能器和接收换能器分别进行了阻抗匹配，减小了无功损耗，提高了系统的传输能力和传输效率；换能器与金属容器间采用螺纹连接，拆卸方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
传统的电能传输主要是由导线直接接触进行传输。但在矿井、石油钻采、水下、气密设备内部供电等场合，采用接触式电能传输可能产生爆炸、滑动磨损、接触火花、不能保证气密性等问题，对设备的使用寿命、人身财产安全等造成不良影响。
基于无线电能传输技术的无线供电方式，其电源与用电设备没有直接的电接触，因而可以有效避免导线接触产生的上述问题。从国内外的研究来看，现阶段的无线电能传输技术应用较为广泛的是感应耦合式无线电能传输和电场耦合式无线电能传输。他们采用磁场或电场作为传输媒介，利用电磁感应或交互电场，在接收器上产生感应电流或位移电流，实现能量的无线传输。然而，电磁波无法在金属中传播，故于存在金属挡板、金属墙等金属介质的场合，基于磁场或电场耦合的无线电能传输技术无法有效得到应用，是无线电能传输领域的一大缺憾。超声波作为一种机械波，可以在空气、水、金属等各种介质中传播。基于超声波的无线输电方式方向性强、能量集中且不存在电磁干扰的问题，在军工、医疗和家用等各种领域都有很好的应用前景。尤其在以金属为传输介质的场合，如密闭金属容器中电子设备的无线充电，超声波无线电能传输有难以取代的优势。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有无线电能传输技术中电磁波无法穿透金属，不能为金属容器中的用电设备无线充电的技术问题。
本发明采取的技术方案是：
一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，包括发射系统、能量传输装置和接收系统。
所述发射系统包括超声波电源和发射端阻抗匹配网络。超声波电源由工频电源、整流电路、逆变电路以及PWM产生电路和驱动电路组成，它可以为发射换能器提供超声频段的电能。发射端阻抗匹配网络用于减小发射换能器工作过程中的容性特性带来的无功损耗并进行阻抗变换，使调整后的发射换能器输入阻抗与超声波电源内阻相匹配，实现最大能量传输，其网络构成由发射换能器参数与超声波电源内阻决定。
所述能量传输装置包括发射换能器、接收换能器、金属板以及两个分别用于紧固发射换能器和接收换能器的内螺纹圆柱。发射换能器采用夹心式纵振压电换能器结构，包括压电陶瓷片、电极片、带外螺纹的前盖板、后盖板和预应力螺栓，它利用逆压电效应将超声波电源提供的电能转化为机械能，再以超声波的形式从换能器与金属介质的接触面传播出去。接收换能器的结构与发射换能器的结构完全一致，各项技术参数相同，以实现能量的强耦合。它利用压电效应将从换能器与金属介质接触面接收的机械能转化为电能，再通过换能器的正负电极输出到下一级电路。
发射换能器和接收换能器通过内螺纹圆柱固定，两内螺纹圆柱间为金属板。带外螺纹的前盖板将发射换能器和接收换能器分别通过螺纹连接固定在金属板两端的内螺纹圆柱上。发射系统输出的电能通过电极片输入发射换能器，转化为机械能后透过金属板，进一步传递到接收换能器，并再次将其转化为电能从电极片输出。
发射换能器的压电陶瓷片应选择在强电场下介电损耗和机械损耗低，机电耦合系数高的材料；接收换能器的压电陶瓷片应选择介电损耗低，机电耦合系数高，稳定性好的材料。
所述接收系统包括接收端阻抗匹配网络、整流稳压电路和负载。接收端阻抗匹配网络用于调整接收换能器的输出阻抗，使其与负载阻抗相匹配，其网络构成由接收换能器参数和负载阻抗决定。整流稳压电路将接收换能器输出的高频交流电压调整为稳定的直流电压并输出供负载使用。
所述的压电陶瓷片的材料可以选择锆钛酸铅(PZT)，其谐振频率可以选择在25kHz左右。
所述的电极片材质为铜，后盖板材质为铝，前盖板材质为钢。
所述的负载通常为密闭金属容器中的传感器、小型直流电动机等小功率电气设备。
本发明的有益效果是：
1)采用了基于超声波的无线电能传输技术，有效解决了感应耦合技术和电场耦合技术中难以避免的电磁干扰问题；
2)填补了基于电磁原理的无线输电技术无法在密闭金属容器中应用的空缺；
3)对发射换能器和接收换能器分别进行了阻抗匹配，减小了无功损耗，提高了系统的传输能力和传输效率；
4)换能器与金属容器间采用螺纹连接，拆卸方便。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是超声波换能器的结构图。
图3是能量传输装置的结构图。
图4是发射换能器的等效电路模型图。
图5是接收换能器的等效电路模型图。
图中：1压电陶瓷片；2电极片；3预应力螺栓；4后盖板；
5带外螺纹前盖板；6金属板；7内螺纹圆柱；8发射换能器；9接收换能器。
具体实施方式
下面结合说明书附图和技术方案对本发明的具体实施方式和工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输系统包括电源、整流电路、逆变电路、PWM产生电路、驱动电路、发射端阻抗匹配电路、发射换能器、金属介质、接收换能器、接收换能器阻抗匹配电路、整流稳压电路和负载。电源提供的工频交流电经过整流、逆变电路转换得到高频交流电，高频交流电经过发射换能器阻抗匹配电路进行调谐与阻抗变换，最后加载到发射换能器上。发射换能器利用逆压电效应将电能转化为机械能，能量以超声波的形式穿透金属介质传递到接收端。接收换能器利用压电效应将机械能转化为电能实现能量穿透金属的无线传输，再通过整流稳压电路进行整流和稳压，最后向负载提供稳定的功率输出。
如图2所示，所述超声波换能器为夹心式纵振压电换能器，主要由压电陶瓷片1、电极片2、带外螺纹的前盖板5、后盖板4和预应力螺栓3组成。其中，压电陶瓷片1的材料选择锆钛酸铅(PZT)，发射换能器8的压电陶瓷片1选用直径为50mm的PZT-4标准件，接收换能器9的压电陶瓷片1选用直径为50mm的PZT-8标准件，谐振频率都在25kHz左右。本发明中发射换能器8与接收换能器9的各项技术参数应保持一致，以实现能量的强耦合。为保证换能器的工作效率和使用寿命，超声波电源的工作频率也应尽可能与换能器的谐振频率保持一致。电极片2材质为铜，为发射或接收换能器引入或输出电能。后盖板4材质为铝，前盖板5材质为钢并加工有外螺纹，可与金属板上的内螺纹圆柱进行螺纹连接，将换能器固定在金属容器上。
如图3所示，所述能量传输装置中，发射换能器8和接收换能器9分别通过螺纹连接固定在金属容器壁即金属板6两端的内螺纹圆柱7上。发射系统输出的电能通过电极片输入发射换能器8，转化为机械能后透过金属板6，进一步传递到接收换能器9，并再次将其转化为电能从电极片输出。
如图4所示，通过电-力-声类比，可得发射换能器在谐振频率附近的机电等效电路。换能器的工作频率为通过串并联电感、电容使发射换能器的等效输入阻抗变换为纯阻性并与超声波电源的内阻相等，从而减小电容Cp1引起的无功损耗并实现最大功率传输。
如图5所示，基于同种机理，可得接收换能器在谐振频率附近的机电等效电路。接收换能器各项等效参数与发射换能器一致，同样可以通过串并联电感、电容减小Cp2引起的无功损耗并使换能器的等效输出阻抗与负载阻抗匹配。
Claims (8)
1.一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，该穿透金属板无线电能传输装置包括发射系统、能量传输装置和接收系统；
所述发射系统包括超声波电源和发射端阻抗匹配网络；超声波电源由工频电源、整流电路、逆变电路以及PWM产生电路和驱动电路组成，它可以为发射换能器提供超声频段的电能；发射端阻抗匹配网络用于减小发射换能器工作过程中的容性特性带来的无功损耗并进行阻抗变换，使调整后的发射换能器输入阻抗与超声波电源内阻相匹配，实现最大能量传输，其网络构成由发射换能器参数与超声波电源内阻决定；
所述能量传输装置包括发射换能器、接收换能器、金属板以及两个分别用于紧固发射换能器和接收换能器的内螺纹圆柱；发射换能器采用夹心式纵振压电换能器结构，包括压电陶瓷片、电极片、带外螺纹的前盖板、后盖板和预应力螺栓，它利用逆压电效应将超声波电源提供的电能转化为机械能，再以超声波的形式从换能器与金属介质的接触面传播出去；接收换能器的结构与发射换能器的结构完全一致，各项技术参数相同，以实现能量的强耦合；它利用压电效应将从换能器与金属介质接触面接收的机械能转化为电能，再通过换能器的正负电极输出到下一级电路；
发射换能器和接收换能器通过内螺纹圆柱固定，两内螺纹圆柱间为金属板；带外螺纹的前盖板将发射换能器和接收换能器分别通过螺纹连接固定在金属板两端的内螺纹圆柱上；
所述接收系统包括接收端阻抗匹配网络、整流稳压电路和负载；接收端阻抗匹配网络用于调整接收换能器的输出阻抗，使其与负载阻抗相匹配，其网络构成由接收换能器参数和负载阻抗决定；整流稳压电路将接收换能器输出的高频交流电压调整为稳定的直流电压并输出供负载使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的压电陶瓷片材料选择锆钛酸铅。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的压电陶瓷片的谐振频率选择25kHz。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的电极片材质为铜，后盖板材质为铝，前盖板材质为钢。
5.根据权利要求3所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的电极片材质为铜，后盖板材质为铝，前盖板材质为钢。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的负载为密闭金属容器中的传感器或小型直流电动机。
7.根据权利要求3所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的负载为密闭金属容器中的传感器或小型直流电动机。
8.根据权利要求4所述的一种基于超声波的穿透金属板无线电能传输装置，其特征在于，所述的负载为密闭金属容器中的传感器或小型直流电动机。
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