利用超声波方式实现无线电能传输的可行性的研究_张建华

文章编号： 1003-3076（2011）02-0066-04
1 引言
无线输电 是 指“在 电 力 网 中，电 源 不 通 过 相 互 连接的电线向电力 负 荷 传 输 电 能［1］”。 目 前 可 实 现 的 无 线 输 电 方 式 ，按 传 输 距 离 可 分 为 ：短 距 离 无 线 输 电（ mm 级） ，主要包括电磁感应方式，又称感应电能 传输（ IPT） ；中短距离无线输电 （ m 级） ，主要有 麻 省 理工学院的 Marin Soljaci 小组实现的基于电磁共振 感应技术的无 线 能 量 传 输［2］； 长 距 离 无 线 传 电 （ km 级） ，主要包括微波 和 激 光 两 种 方 式，基 于 微 波 无 线 输电的 美 国 的 SBSP （ Space-based Solar Power） 系 统 和 SSPS（ Satellite Solar Power System） 系统，实现了利 用太阳能为地球和卫星及空间航天器供电。
收稿日期： 2010-03-16 作者简介： 张建华（1986-） ，男，河南籍，硕士研究生，主要研究方向为无线电能传输技术和压电俘能技术；
黄学良（1969-） ，男，浙江籍，教授，博士，主要研究方向为新型能量转换装置研究，智能用电技术研究。
第2期
张建华，等： 利用超声波方式实现无线电能传输的可行性的研究
器时，通过对压电材料的机电等效，得到了超声波无线电能传输的 等 效 电 路 图；并 给 出 了 适 合 于 超
声 波 无 线 电 能 传 输 的 两 类 换 能 器 ，估 算 了 超 声 波 电 能 传 输 的 效 率 。
关键词： 超声波； 无线电能传输； 压电效应； 换能器
中图分类号： TM46
文献标识码： A
图 3 发射和接收端换能器间电能传输的电路等效图 Fig. 3 Equivalent circuit of WPT between transducers of transmitter and receiver
波空气换能器发展 比 较 滞 后，使 得 空 气 超 声 技 术 发 展相对落后。近来 由 于 材 料 学 科 的 发 展，出 现 了 许 多新型的材料，如 聚 醚 碸、尼 龙 薄 膜 等，由 于 它 们 具 有多孔、散射损耗 低、声 阻 抗 小 等 特 点，为 换 能 器 匹 配层提供了 优 良 的 材 料； 此 外 研 究 工 具 的 革 新，如 MATLAB、ANSYS、SYSNOISE 等仿真 软 件 的 使 用，简 化了对换能器的分 析 和 设 计 过 程，可 以 方 便 地 得 到 换 能 器 的 模 态 、辐 射 功 率 、方 向 性 等 参 数 。 这 些 因 素 都极大地促进了换 能 器 的 研 究，使 得 利 用 超 声 波 输 电成为一种可能。
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固有频率一致的电信号；匹配电路则具有实现阻抗 变 换 ，提 高 电 路 输 出 效 率 的 作 用 ，从 而 实 现 压 电 换 能 器的机电共振，将 超 声 波 发 射 出 去。 闭 环 控 制 电 路 通过对比实际输出 信 号 和 给 定 信 号 的 误 差，来 调 节 功 率 管 的 通 断 状 态 ，改 变 开 关 频 率 ，使 主 电 输 出 电 压 频率可调。接收单元通过压电换能器将超声波转化 为 高 频 电 能 ，再 经 过 整 流 和 滤 波 装 置 ，就 可 以 得 到 稳 定的直流电供用电设备使用。
图 4 多层匹配 Fig. 4 Multi-layer match
图中 Zp 、Za 分 别 为 压 电 陶 瓷 和 空 气 的 声 阻 抗；
Z
i l
为匹 配 层 的 声 阻 抗，i
=
1，2，3。 工 作 在 共 振 频 率
时 ，在 不 考 虑 能 量 损 耗 的 理 想 状 态 下 ，各 匹 配 层 的 声
1） 每波长损耗（ γ） 要尽可能的小（ < 0. 14Np） ； 2） 最 外 面 的 匹 配 层 的 声 阻 为 0. 04 ～ 0. 3MRayl； 3） 材料的衰减系数和频率必须表现出线性的 关 系 ，以 便 在 没 有 频 率 的 限 制 下 利 用 这 种 材 料 。 此外由于材料 特 性 的 限 制，为 实 现 阻 抗 的 有 效 匹配，可使用多层匹配的方法，如图 4 所示。
图中 s 和 r 分别表示发射端和接受端。当得到 电路的相关 参 数 时，给 定 电 路 发 射 端 输 入 Us ，就 可 以近似地估算出接收端的输出电压 Ur。
3 超声波空气耦合换能器
超 声 波 换 能 器 的 种 类 繁 多 ，但 由 于 气 -固 体 声 阻 抗的严重不匹配 （ 气 体 和固体 的 声阻抗分别为 400 瑞利和 1 ～ 35 兆 瑞 利 ） ，导 致 以 空 气 为 媒 介 的 超 声
型 变 幅 杆 ，可 以 使 薄 弯 板 获 得 较 大 的 振 动 速 度 ，使 系 统 的 声 功 率 有 较 大 提 高［8 ］。
为了改善薄弯板的指向性及与传输媒介的阻抗 匹配，换能 器 的 辐 射 板 在 结 构 上 采 用 阶 梯 形［9］，振
荡器由夹心 式 换 能 器 和 变 幅 杆 组 成，如 图 5 （ a ） 所
Fig. 6
图 6 （a）阶梯型辐射板的辐射方向
（ b） 平板的辐射方向
（ a） radiation direction of （ b） radiation direction of
stepped plate
flat plate
为了获得更大 功 率，一 种 双 阶 梯 型 矩 形 盘 已 经 研制出来，如图 5（ b） 所示。这种矩形盘能够提供更 加一致的振动分 布，功 率 更 大，最 大 已 经 可 达 2kW。 这种双阶梯的结构配以适当的反射板可使系统辐射 功率得到进一步提高。
图 2 压电换能器等效电路图 Fig. 2 Equivalent circuit of piezoelectric transducer
图中 C0 为压 电 换 能 器 的 静 态 电 容，R0 为 介 电 损耗电阻［5］，Cm 、Lm 、Rm 分 别 为 压 电 换 能 器 的 动 态 等 效 电 容 、等 效 电 感 和 等 效 电 阻 。
第 30 卷 第 2 期 2011 年 4 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol. 30，No. 2 April 2011
利用超声波方式实现无线电能传输的可行性的研究
张建华，黄学良，邹玉炜，柏 杨
（ 东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096）
图 1 基于压电材料的无线电能传输系统 Fig. 1 Wireless power transmission system
based on piezoelectric materials
图中发射单元 包 括 主 电 路 和 闭 环 控 制 单 元，主 电路又包含整流 电 路、逆 变 电 路 和 匹 配 电 路。 整 流 和逆变电路将工频 电 源 电 压，转 化 成 与 压 电 换 能 器
本文研究的超 声 波 无 线 输 电 方 式，属 于 中 短 距 离输电。超声波是指 频 率 大 于 20kHz 的 声 波，它 具 有 方 向 性 强 ，能 量 易 于 集 中 、可 在 各 种 媒 质 中 传 播 且 无电磁干扰等优 点。 上 世 纪 初，压 电 效 应 与 反 压 电 效应被发 现 之 后，超 声 技 术 开 始 了 实 用 化 的 研 究。 超声波的应用按功率的大小可分为功率超声和检测 超 声 ，功 率 超 声 的 应 用 包 括 超 声 波 碎 石 、超 声 波 清 洗 和 超 声 波 焊 接 等 ，检 测 超 声 的 应 用 包 括 超 声 波 雷 达 、 超声成像和超声波探伤等等。超声波无线电能传输 属于功率超声波应 用 的 范 畴，这 种 方 式 相 对 于 其 它 无线电能传输方式 的 研 究 开 展 得 较 晚，国 内 外 目 前 的研究主要集中在 医 疗 和 家 用 领 域，如 为 低 功 率 移
超声波在空气 中 传 播 时，由 于 介 质 弹 性 摩 擦 吸 收 、介 质 粘 滞 性 和 热 传 导 等 物 理 现 象 的 存 在 ，以 及 超 声波换能器方向性 的 影 响，接 收 换 能 器 和 发 射 换 能 器 之 间 传 输 功 率 ，不 能 用 一 个 直 接 的 公 式 来 表 达 ，所 以我们把它们用电路的形式来等效。利用超声波传 输电能时，发射端和 接 收 端 压 电 换 能 器 之 间 传 递 能 量的等效电路图如图 3 所示。
由于在超声波 能 量 传 输 过 程 中，研 究 其 质 点 的 机械振动比较困难。为了方便研究能量的传输过 程，可通过 机 电 等 效 的 方 法［4］，将 系 统 等 效 成 电 路 的形式。当对压电 陶 瓷 晶 体 加 以 交 变 电 压 时，换 能 器将产生纵向振动。当交变电压频率等于换能器谐 振频率时振动最强烈。压电换能器在谐振频率附近 的等效电路如图 2 所 示，只 需 要 加 上 适 当 的 调 谐 电 感，就可以使振动系统在换能器串联谐振频率 fs 附 近的总电抗为零。
动 设 备 的 无 线 充 电［3 ］。
2 超声波无线输电基本原理及等效电路
目前超声 波 基 本 上 都 是 利 用 压 电 效 应 法 产 生 的，具有工作 频 率 宽 （ 从 20kHz 到 数 MHz） 、功 率 容 量大（ 可达几 KW） 等特点。并且压电材料具有逆压 电效应，可方便地 将 超 声 波 转 换 成 电 能。 综 合 压 电 材 料 的 这 些 优 点 ，这 里 阐 述 的 超 声 波 无 线 输 电 ，是 基 于压电材料的超声波无线输电方式。基于超声波的 无线电能传输系统主要包括超声波的发生单元和接 受单元。系统结构的示意图，如图 1 所示：
4 超声波无线输电的效率分析