縱振式超聲波無線電能傳輸裝置仿真與實(shí)驗(yàn)

趙 鑫

(長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

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縱振式超聲波無線電能傳輸裝置仿真與實(shí)驗(yàn)

趙 鑫

(長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

利用ANSYS有限元仿真軟件，分析了縱振式超聲波無線電能傳輸裝置模型的縱振模態(tài)及其共振頻率。 加工了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的能量發(fā)射端采用錐形結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)對于空氣激振的輸出效果。搭建了實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，對發(fā)射與接收端的距離、角度及激振頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并采集了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)增大接收與發(fā)射端距離時(shí)能量傳輸效果減弱，裝置對心時(shí)能量傳輸具有最佳效果。在最佳傳輸頻率29.88 kHz下的能量傳遞效率可達(dá)24%。

縱振模態(tài)； 無線電; 傳輸； 超聲波； 能量傳遞

0 引 言

無線電能傳輸與無線通信技術(shù)類似，是人類擺脫有形介質(zhì)的束縛,實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸?shù)拿篮米非?。無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer, WPT)也稱之為非接觸電能傳輸技術(shù)(Contactless Power Transmission, CPT)，是一種借空間無形軟介質(zhì)(如電場、磁場、微波等)實(shí)現(xiàn)將電能由電源端傳遞至用電設(shè)備的一種供電模式，該技術(shù)是集電磁場、電力電子、高頻電子和電磁感應(yīng)等多學(xué)科交叉的拓展性研究，是能源傳輸和接入的一次革命性進(jìn)步[1-4]。目前可實(shí)現(xiàn)的無線電能傳輸方式按傳輸距離可分為短距離、中短距離及長距離無線電力傳輸三種[5-7]。短距離無線電力傳輸?shù)妮旊娋嚯x處在毫米量級，其傳輸形式主要以電磁感應(yīng)方式為主[8]。中短距離無線電力傳輸?shù)妮旊娋嚯x處在米級，其傳輸形式包括電磁共振、超聲波等形式。麻省理工學(xué)院的Soljaci小組實(shí)現(xiàn)利用電磁共振感應(yīng)技術(shù)成功點(diǎn)亮一盞距發(fā)射器2.13 m 的60 W 電燈[9]。長距離無線電力傳輸?shù)妮旊娋嚯x可達(dá)千米量級，主要包括微波和激光兩種方式，美國的SBSP(Space-based Solar Power)系統(tǒng)和SSPS(Satellite Solar Power System)系統(tǒng)基于微波的無線電力傳輸實(shí)現(xiàn)了利用太陽能為地球和衛(wèi)星及空間航天器無線供電[10-11]。

超聲波無線輸電方式屬于中短距離輸電，超聲波是指頻率大于20 kHz 的聲波，它具有方向性強(qiáng)、能量易于集中、可在各種媒質(zhì)中傳播且無電磁干擾[12]。上世紀(jì)初，正、逆壓電效應(yīng)相繼被發(fā)現(xiàn)之后，超聲技術(shù)開啟了深入且廣泛的研究歷程[13-15]。目前，國內(nèi)外的研究主要集中在醫(yī)療、傳感等領(lǐng)域，如日本學(xué)者 Ishiyama[16]論述了通過超聲波給低功率移動(dòng)設(shè)備無線充電的方法，國內(nèi)學(xué)者胡元太[17]等研究在密封環(huán)境下通過超聲波定期給電子設(shè)備進(jìn)行充電。

文中提出一種縱振式超聲波無線電能傳輸裝置，以實(shí)現(xiàn)利用空氣為介質(zhì)進(jìn)行電能的傳遞。結(jié)合了正、逆壓電效應(yīng)的作動(dòng)機(jī)理，理論上分析了縱振式超聲波能量傳遞與轉(zhuǎn)化的可行性，設(shè)計(jì)了縱振式超聲波無線電能傳輸裝置模型，利用ANSYS有限元仿真軟件分析了模型縱振模態(tài)及其共振頻率，仿真結(jié)果表明，最佳的共振頻率為30.59 kHz，即該設(shè)計(jì)處于超聲頻段,符合理論要求。加工了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，且樣機(jī)能量發(fā)射端采用錐形結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)對于空氣激振的輸出效果。搭建了實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，對發(fā)射與接收端的距離、角度及激振頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并采集了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)增大接收與發(fā)射端距離時(shí),能量傳輸效果減弱，裝置對心時(shí)能量傳輸具有最佳效果，該裝置的最佳傳輸頻率為29.88 kHz，其在該傳輸頻率下的能量傳遞效率可達(dá)24%。

1 超聲波無線電能傳輸原理

超聲波是指超過人耳可聽閾值的聲波(>20 kHz)，目前產(chǎn)生超聲波的方法有流體動(dòng)力法、壓電效應(yīng)法和磁致伸縮效應(yīng)法。隨著壓電材料的發(fā)展，利用壓電材料逆壓電效應(yīng)激勵(lì)金屬彈性體振動(dòng)是一種簡單快捷的激超聲波的方式?；趬弘姴牧系臒o線電能傳輸系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 超聲波無線電能傳輸系統(tǒng)原理圖

超聲波無線電能傳輸系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩個(gè)模塊，通過功率放大器對發(fā)射端壓電振子激勵(lì)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，超聲波振動(dòng)帶動(dòng)周圍空氣振動(dòng)，從而進(jìn)行能量傳遞。在正壓電效應(yīng)的作用下,接收模塊壓電振子可接收空氣振動(dòng)所傳遞的能量，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，感應(yīng)電壓可通過檢測裝置進(jìn)行檢測。

單純從機(jī)電耦合的角度考慮，壓電材料通常分別為機(jī)械自由和機(jī)械夾持兩種固定邊界條件。針對機(jī)械自由條件很難承受較大負(fù)載力的特點(diǎn)，文中所設(shè)計(jì)的無線電能傳輸裝置采用夾心式安裝，屬于機(jī)械夾持方式對盤型壓電片進(jìn)行固定。由于機(jī)械夾持的特點(diǎn)在于其不能自由形變，因此壓電材料的應(yīng)變?yōu)榱慊虺?shù)。壓電本構(gòu)方程可以揭示壓電材料的能量轉(zhuǎn)化特性，其集中反映了壓電元件所受外力引起的機(jī)械形變與輸出電能之間的關(guān)系。機(jī)械夾持類壓電方程根據(jù)其電學(xué)特性可分為電學(xué)短路與電學(xué)開路，二者可根據(jù)外接負(fù)載的阻值與內(nèi)阻相比較而進(jìn)行區(qū)分。

電學(xué)短路型壓電本構(gòu)方程為：

(1)

(2)

電學(xué)開路型壓電本構(gòu)方程為：

(3)

(4)

式中: S----應(yīng)變矢量;

D----電荷密度矢量;

E----電場強(qiáng)度矢量;

T----應(yīng)力矢量;

c----恒電場強(qiáng)度下彈性系數(shù);

e----壓電應(yīng)力常數(shù);

h----剛度常數(shù);

β----介電常數(shù)。

根據(jù)式(1)～式(4)可以看出，當(dāng)施加外加單場后，壓電材料會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，從而帶動(dòng)周圍空氣進(jìn)行振動(dòng)，當(dāng)其形變達(dá)到超聲頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。同時(shí)，壓電材料承受外力的作用而產(chǎn)生形變時(shí)會(huì)有電位移產(chǎn)生，進(jìn)而電位移推動(dòng)內(nèi)部電荷溢出壓電材料進(jìn)而形成電流。壓電材料屬于智能材料且具有較高的能量密度，其動(dòng)態(tài)電阻隨壓電材料的形變程度而變，因此，當(dāng)高能量空氣振動(dòng)機(jī)理壓電振子振動(dòng)時(shí)，壓電振子可完成振動(dòng)能量到電能的轉(zhuǎn)化，即完成整個(gè)無線電能傳輸過程，整個(gè)過程僅以空氣為媒介。

2 縱振式能量傳輸裝置設(shè)計(jì)與仿真

夾心式縱向振動(dòng)能量傳輸裝置內(nèi)部使用螺栓將壓電陶瓷夾在中間，并給螺栓施加一定的預(yù)緊力，防止壓電陶瓷在振動(dòng)的過程中發(fā)生破損，提高縱向振動(dòng)的功率容量。錐形能量發(fā)射端與夾心式縱向振動(dòng)能量傳輸裝置相連接，由于整個(gè)裝置在壓電陶瓷的帶動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，其聲阻抗與空氣匹配，最終可將壓電陶瓷的振動(dòng)傳遞給空氣并產(chǎn)生超聲波。接收超聲波時(shí)，則是以上過程的逆過程。

在設(shè)計(jì)該換能器時(shí)，首先需確定其工作頻率，超聲波在傳輸過程中的衰減方程式為：

(5)

式中： ε0、ε1----發(fā)射和接收端質(zhì)點(diǎn)的振幅；

f----超聲波頻率；

l----傳輸?shù)木嚯x；

α----衰減因子。

在垂直于超聲波傳播方向上單位面積(cm2)超聲波所傳送的輸出功率為:

(6)

式中:ρ----空氣的密度;

c----聲波在空氣中的傳播速度；

ω----聲波振動(dòng)的角頻率;

εm----質(zhì)點(diǎn)的振幅。

由式(5)、(6)可見，共振頻率越高，輸出的功率越高，但由于其振幅下降導(dǎo)致傳輸效率越低。綜合以上考慮，取頻率f=30 kHz較為合理。

縱振式超聲波電能傳輸裝置模型如圖2所示。

圖2 縱振式超聲波電能傳輸裝置模型示意圖

其主要由發(fā)射端與壓電陶瓷構(gòu)成，通過計(jì)算與查表可得出各部分尺寸分別為：h1是25 mm，h2是37 mm，總高度為62 mm，d1為38 mm，d2為60 mm。壓電陶瓷的直徑為36 mm，厚度S為6 mm。

利用ANSYS有限元仿真軟件對縱振式超聲波電能傳輸裝置進(jìn)行模態(tài)仿真分析。在所建立的有限元模型中,壓電陶瓷材料和其他金屬材料分別采用solid45單元和solid226單元進(jìn)行定義，在材料設(shè)置面板進(jìn)行壓電材料屬性設(shè)定，其具體的材料參數(shù)見表1。

表1 壓電片材料參數(shù)

建立縱振式超聲波電能傳輸裝置三維實(shí)體模型，并假定壓電陶瓷片與其他金屬材料間接觸且無干涉，并且兩種材料在粘結(jié)層上的位移和力是連續(xù)形式。壓電材料采用swap網(wǎng)格劃分形式，金屬材料采用free網(wǎng)格劃分形式，最小的網(wǎng)格單元為1mm。超聲波無線電能傳輸裝置仿真模態(tài)如圖3所示。

圖3 超聲波無線電能傳輸裝置仿真模態(tài)

根據(jù)所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真分析，得出其共振頻率為30.59kHz，與設(shè)定的理想值30kHz稍有偏差，且此偏差在允許范圍內(nèi)。在此頻率下超聲波無線電能傳輸裝置會(huì)產(chǎn)生縱振模態(tài)，此種模態(tài)可有效地激發(fā)軸向空氣產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，是能量傳輸?shù)淖罴涯Ｊ?。根?jù)所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了樣機(jī)的加工與裝配。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建與測試

縱振式超聲波無線電能傳輸裝置測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 縱振式超聲波無線電能傳輸裝置測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了準(zhǔn)確測量無線電能傳輸效果，所設(shè)計(jì)裝置需準(zhǔn)確對心以避免由裝備帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。由圖中可以看出,通過功率放大器對超聲波無線能量傳輸裝置的發(fā)射端施加激勵(lì)信號，使其產(chǎn)生縱向振動(dòng)，接收端接收由空氣介質(zhì)傳遞的能量，再通過頻譜分析儀進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)中，對發(fā)射與接收端的距離、角度及激振頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并采集了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

傳輸間隔距離-激勵(lì)電壓關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 傳輸間隔距離-激勵(lì)電壓關(guān)系曲線

試驗(yàn)時(shí)將激勵(lì)頻率設(shè)定為29.86kHz。由圖中可知，當(dāng)距離增加時(shí)，超聲波無線電能傳輸?shù)男Ч麜?huì)減弱，而隨著所施加峰-峰值電壓的增大，接收端產(chǎn)生的激勵(lì)電壓亦會(huì)增加。當(dāng)施加峰-峰值電壓為50Vpp，測試間隔距離為10mm時(shí)，接收端激勵(lì)電壓為8.4Vpp。

為了更好地研究接收與發(fā)射端的位置關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)行了不同夾角與激勵(lì)電壓之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 裝置間夾角-激勵(lì)電壓關(guān)系曲線

由圖中可以看出，當(dāng)接收端與發(fā)射端對心，并且夾角為0°時(shí)，電能傳輸效果最佳，而當(dāng)夾角由0°增加時(shí)，可以看出傳輸效率明顯下降。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)夾角超過30°后幾乎沒有能量傳遞，因此為保證能量傳輸?shù)男?，在裝配時(shí)要盡量保證發(fā)射端與接收端間夾角為0°。

激振頻率是本實(shí)驗(yàn)中最重要的影響因素之一，為了更好地研究能量傳輸裝置最佳的激振頻率，激振頻率與激勵(lì)電壓的關(guān)系如圖7所示。

圖7 激振頻率與激勵(lì)電壓關(guān)系曲線

由圖中可以看出，激勵(lì)電壓存在一個(gè)峰值點(diǎn)，當(dāng)激振頻率為29.88kHz時(shí)，具有最佳的電能傳輸效果。而在該頻率兩邊的其他頻率下的激勵(lì)電壓會(huì)有明顯的下降，因此激振頻率可極大地影響電能傳輸?shù)男Ч?。?dāng)激振頻率為29.88kHz，距離為10mm時(shí)，會(huì)有最大24%的無線電能傳輸效率。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種縱振式超聲波無線電能傳輸裝置，以實(shí)現(xiàn)利用空氣為介質(zhì)進(jìn)行電能的傳遞。對該裝置進(jìn)行了理論分析，仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究得到的結(jié)論如下：

1)經(jīng)分析認(rèn)為實(shí)際材料參數(shù)和仿真輸入?yún)?shù)間存在差異，導(dǎo)致仿真結(jié)果有0.71kHz的偏差，但總體上偏差在可接受的范圍內(nèi)。

2)設(shè)計(jì)的縱振式超聲波無線電能傳輸裝置可以通過對試驗(yàn)參數(shù)，如發(fā)射與接收端的距離、角度及激振頻率等改變來對其能量傳輸效率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)當(dāng)增大接收與發(fā)射端距離時(shí)，能量傳輸效果減弱，裝置對心時(shí)能量傳輸具有最佳效果，該裝置的最佳傳輸頻率為29.88kHz，其在該傳輸頻率下的能量傳遞效率可達(dá)24%。

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Simulation and experiment of wireless power transmission device with longitudinal ultrasonic vibration

ZHAO Xin

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

With ANSYS software, the longitudinal vibration mode and resonant frequency of a longitudinal vibration ultrasonic wireless power transfer model are analyzed. The experimental mechanism is developed, in which the energy transmitter applies a tapered structure to enhance air excitation. A test system for the mechanism is established to measure the transmission distance, angle and excitation frequency. The results indicated that the energy transferred would be weaker when the transmission distance increases. The optimal transmission is obtained when the transmitter and receiver are calibrated in center. The transmission rate is up to 24% at the optical when transmission frequency 29.88 kHz.

longitudinal vibration mode； wireless; transmission； ultrasonic wave； energy transfer.

2016-12-15

趙 鑫(1972-)，男，漢族，吉林白山人，長春工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)械制造工藝與設(shè)備、壓電技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、模具設(shè)計(jì)方向研究,E-mail:zhaoxinzgf@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.07

TH 49

A

1674-1374(2017)03-0251-05