基于PZT的无线能量传输电路模型和效率研究

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目前,无线能量传输技术已经成为国内外争相研究的热点。实现无线能量传输的方法,根据传输方式的不同,包括电磁感应式、谐振耦合式、微波式和(超)声波式等等。其中(超)声波式无线能量传输与其他方式相比,虽然传输的功率较低,但其具有对人体安全、无电磁干扰等优点,使得该方式在某些特殊的供电场合具有一定的应用前景。   在以往的文献中,对(超)声波式的研究大多仅限于实验,而理论方面的研究较少;所以本文为了推进(超)声波方式的工程应用,将会对该方式的工作原理、电路模型和效率等理论问题进行较为深入的研究。文中采用一种常用的声.电转化元件PZT作为声电能量转化介质,首先通过对耦合模理论和PZT物理特性的介绍,分析了系统的工作原理和组成结构,给出了系统适用的振子结构和电源类型;其次在对振子工作过程理想化假设的前提下,以一维纵向振动理论、压电方程、级联理论以及系统能量传输过程分析为基础,建立了单个振子和系统的等效机电模型;然后通过对系统等效机电模型的简化,得出了系统的效率公式,并从系统能量输入、传输和接收三个方面,研究了系统效率优化的方法;最后以纵-弯匹配振子为例,设计、制造出纵-弯匹配振子作为系统能量的收、发装置,配合外围实验仪器和电路搭建了系统实验平台,通过相关实验对以上理论分析的结果进行实验验证。   由实验发现,所建立的等效电路模型,除共振耦合系统发生的频率分裂效应外,得出的理论分析结果和实验数据能够较好的吻合,表明了所建立的系统等效电路模型具有很好的适用性。  
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