无线电能传输技术井下应用的设计
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鳗丝廑 ． ｌ
无 线 电能 传输 技 术井下 应 用的设计
中国矿业 大学信 息与电气工程 学院 赵 端 丁恩 杰 俞 啸
【 摘 要 】井 下设 备供 电，一直是 困扰煤矿企业 的主要 问题 ，有线 电缆在 井下容 易发 生断裂 ，存在较大 的安全隐患。无 线电能传 输技术 的发展 ，给煤矿井下 带来 了 新的供 电模 式。特别是近几年 受到广泛关注 的谐 振耦 式无 线电能传 输理论 ，其传 输效率高 ，且 非常适合 井下巷道 的中等传输距离。本文将从 无线电能传输技 术
去 。 能量 接 收 端 包 含 两 个 线 圈 ，分 别 为 接收线圈 （ 标为线圈３ ）和 负 载 线 圈 （ 标 为线圈４ ），其 中负载线圈直接与用 电负 载 相 连 接 。接 收 线 圈 接 收 到 发 射 线 圈 传 递 的能量 ，再传 送给负 载线圈 。负载线 圈 后 接 能 量 变 换 电路 ， 使 高 频 功 率 转 换 成 直 流 功 率 ，可 直 接 供 后 面 的 用 电 负 载 使 用 或 者是 存 储 。 对 于 井 下 应 用 来 讲 ， 由 于 是 移 动 充 电模 式 ， 我 们 需 要 考 虑 的 是 接 收 端 在 移 动 过 程 中 保 持 较 高 的平 均 充 电效 率 ，而 不 是 只 保 证 在 某 一 特 定 位 置 的 效 率 最 高 。 因 此 ， 下 一 节 将 针 对 井 下 应 用 的这 特 点对 典 型 的 谐 振 耦 合 式 电 能传 输 系 统 进 行 改进 和 实 验 验 证 。 ３ ． 井下 应 用 模 型 的 改进 为 了增 加 高 效 率 的 接 收 范 围 ， 我 们 参 考 天 线 设 计 中 的 波 束 成 形 理 论 ， 设 计 和 提 出 了交 叠 圆 式 发 送 结 构 ，为 了 与 单 线 圈 模 型 进 行 有 效 的对 比 ，多 线 圈 模 型 的外 接 正 方 形 与 单 线 圈 的 外 接 正 方 形 面 积 相 等 ，且 线 圈 匝 数 相 等 。利 用 交 叠 线 圈 的 发 送 模 型 ， 可 以通 过 降 低 发 送 线 圈 边 缘 处 的 磁 场 来 增 强 交 叠 区 域 磁 感 应 强 度 ， 使 得 接 收 线 圈 的 圆 心 在 交 叠 区 域 移 动 时，都能获 得较高 的接收效 率。交叠 圆形 结 构 的发 送 线 圈 结 构 如 图 ２ （ ｂ ， ｃ ） 所
的基本理论入手 ，设计和提 出一种适合 井下应用的无线电能传输系统。
【 关键词 】无线 电能传 输；煤矿 ；移动供电
１ ． 引 言
无线 电能传 输技术 “ （ ｗ Ｐ Ｔ ，ｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ Ｓ Ｓ ｉ ｏ ｎ ） 的发 展 ， 给 井 下 无 线 设 备 的 供 电 提 供 了新 的 研 究 思 路 。 所 谓 无 线 电 能传 输 就 是 借 助 于 电磁 场 或 电磁 波 进 行 能量 传 递 的 一 种 技 术 ， 主 要 利 用 电 磁 耦 合 、 微 波 、 电 磁 共 振 等 形 式 来 传 输 电能 。对 于 煤 矿 井 下 来 说 ，传 统 的有 线供 电方 式 ，由于导线直接接 触供 电容 易 因 接 触 摩 擦 而 产 生 微 小 电火 花 ， 进 而 引 起 爆 炸 ， 造 成 重 大 事 故 。而 无 线 电 能传 输 技 术 不 存 在 导 线 的 直 接 接 触 ， 因此 ， 该 技 术 必 将 是 一 种 安 全 、 可 靠 的 新 型井 下 电 能传 输 方 式 。 利 用 无 线 电能 传 输 技 术 ， 使 节 点 电 池 保 持 充 足 的 电 量 ， 就 可 以保 证 系 统 的 可 靠 运 行 ， 延 长 无 线 网 络 的生 存 期 ，特 别 是 在 灾 难 发 生 后 ， 节 点 所 拥 有 的 备 用 电 量 可 以 支 撑 应 急 救 灾 ，对 人 员 的及 时 救 援 和 抢 险 救 灾 有 着 重 要 的 作 用 ， 同 时 也 可 以 免 去 为 无 线 网 络 中数 以 干 计 的传 感 器 节 点 更 换 电 池 的不 便 。 ２ ． 无 线 电 能传 输 系 统模 型 井 下无 线 电 能传 输 系 统 是 一 个 移 动 的 充 电模 型 ， 即 接 收 线 圈 的 位 置 不 是 一 成 不 变 的 ， 这 就 需 要 确 保 接 收 线 圈 从 进 入 充 电范 围 开 始 到 离 开 ， 都 能 够 得 到 较 高 的 充 电 效 率 ， 从 而 使 接 收 线 圈 能 够 在 较 短 的充 电 时 间 内得 到 较 高 的 能 量 补 充 。 但 是 在 典 型 的谐 振 耦 合 式 电 能 传 输 系 统 中 ，￣ Ｏ Ｍ Ｉ Ｔ 的 谐 振耦 合实 验 ， 以及 后 来Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ 公 司 所 做 的 谐振 系统 验 证 实 验 ， 都 存 在 一 个 严 重 的 问题 ， 即 发 送 线 圈 和 接 收 线 圈都 是 单 线 圈 结 构 ，且 只 有 圆 心 处 在 同 一 条 直 线 上 才 能得 到 最 高 的 接 收 效 率。典型 的磁共振 式无线能量 传输系 统构成如 图１ 所 示 。 系 统 主要 有 两 部 分 组 成 ， 能 量 发 射 端 和 能 量 接 收 端 。 能 量 发 射 端 以直 流 作 为 功 率 输 入 ， 高 频 信 号 经 功 率 放 大 后 形 成 高 频 激 励 源 ，使 与 之 直 接 相 连 接 的源 线 圈 （ 标为线圈１ ）产 生 谐 振 ， 并 在 源 线 圈 周 围形 成 交 变 磁 场 。发 射线圈 （ 标 为线 圈２ ） 感 应 源 线 圈 的 交 变 磁 场 ，进 而 与 之 形 成 共 振 ，形 成 更 强 大 的 交 变 磁 场 。这 样 ， 能 量 通 过 源 线 圈 传 送 到 发 射 线 圈 ，再 由 发 射 线 圈 传 递 出
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无 线 电能 传输 技 术井下 应 用的设计
中国矿业 大学信 息与电气工程 学院 赵 端 丁恩 杰 俞 啸
【 摘 要 】井 下设 备供 电，一直是 困扰煤矿企业 的主要 问题 ，有线 电缆在 井下容 易发 生断裂 ，存在较大 的安全隐患。无 线电能传 输技术 的发展 ，给煤矿井下 带来 了 新的供 电模 式。特别是近几年 受到广泛关注 的谐 振耦 式无 线电能传 输理论 ，其传 输效率高 ，且 非常适合 井下巷道 的中等传输距离。本文将从 无线电能传输技 术
去 。 能量 接 收 端 包 含 两 个 线 圈 ，分 别 为 接收线圈 （ 标为线圈３ ）和 负 载 线 圈 （ 标 为线圈４ ），其 中负载线圈直接与用 电负 载 相 连 接 。接 收 线 圈 接 收 到 发 射 线 圈 传 递 的能量 ，再传 送给负 载线圈 。负载线 圈 后 接 能 量 变 换 电路 ， 使 高 频 功 率 转 换 成 直 流 功 率 ，可 直 接 供 后 面 的 用 电 负 载 使 用 或 者是 存 储 。 对 于 井 下 应 用 来 讲 ， 由 于 是 移 动 充 电模 式 ， 我 们 需 要 考 虑 的 是 接 收 端 在 移 动 过 程 中 保 持 较 高 的平 均 充 电效 率 ，而 不 是 只 保 证 在 某 一 特 定 位 置 的 效 率 最 高 。 因 此 ， 下 一 节 将 针 对 井 下 应 用 的这 特 点对 典 型 的 谐 振 耦 合 式 电 能传 输 系 统 进 行 改进 和 实 验 验 证 。 ３ ． 井下 应 用 模 型 的 改进 为 了增 加 高 效 率 的 接 收 范 围 ， 我 们 参 考 天 线 设 计 中 的 波 束 成 形 理 论 ， 设 计 和 提 出 了交 叠 圆 式 发 送 结 构 ，为 了 与 单 线 圈 模 型 进 行 有 效 的对 比 ，多 线 圈 模 型 的外 接 正 方 形 与 单 线 圈 的 外 接 正 方 形 面 积 相 等 ，且 线 圈 匝 数 相 等 。利 用 交 叠 线 圈 的 发 送 模 型 ， 可 以通 过 降 低 发 送 线 圈 边 缘 处 的 磁 场 来 增 强 交 叠 区 域 磁 感 应 强 度 ， 使 得 接 收 线 圈 的 圆 心 在 交 叠 区 域 移 动 时，都能获 得较高 的接收效 率。交叠 圆形 结 构 的发 送 线 圈 结 构 如 图 ２ （ ｂ ， ｃ ） 所
的基本理论入手 ，设计和提 出一种适合 井下应用的无线电能传输系统。
【 关键词 】无线 电能传 输；煤矿 ；移动供电
１ ． 引 言
无线 电能传 输技术 “ （ ｗ Ｐ Ｔ ，ｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ Ｓ Ｓ ｉ ｏ ｎ ） 的发 展 ， 给 井 下 无 线 设 备 的 供 电 提 供 了新 的 研 究 思 路 。 所 谓 无 线 电 能传 输 就 是 借 助 于 电磁 场 或 电磁 波 进 行 能量 传 递 的 一 种 技 术 ， 主 要 利 用 电 磁 耦 合 、 微 波 、 电 磁 共 振 等 形 式 来 传 输 电能 。对 于 煤 矿 井 下 来 说 ，传 统 的有 线供 电方 式 ，由于导线直接接 触供 电容 易 因 接 触 摩 擦 而 产 生 微 小 电火 花 ， 进 而 引 起 爆 炸 ， 造 成 重 大 事 故 。而 无 线 电 能传 输 技 术 不 存 在 导 线 的 直 接 接 触 ， 因此 ， 该 技 术 必 将 是 一 种 安 全 、 可 靠 的 新 型井 下 电 能传 输 方 式 。 利 用 无 线 电能 传 输 技 术 ， 使 节 点 电 池 保 持 充 足 的 电 量 ， 就 可 以保 证 系 统 的 可 靠 运 行 ， 延 长 无 线 网 络 的生 存 期 ，特 别 是 在 灾 难 发 生 后 ， 节 点 所 拥 有 的 备 用 电 量 可 以 支 撑 应 急 救 灾 ，对 人 员 的及 时 救 援 和 抢 险 救 灾 有 着 重 要 的 作 用 ， 同 时 也 可 以 免 去 为 无 线 网 络 中数 以 干 计 的传 感 器 节 点 更 换 电 池 的不 便 。 ２ ． 无 线 电 能传 输 系 统模 型 井 下无 线 电 能传 输 系 统 是 一 个 移 动 的 充 电模 型 ， 即 接 收 线 圈 的 位 置 不 是 一 成 不 变 的 ， 这 就 需 要 确 保 接 收 线 圈 从 进 入 充 电范 围 开 始 到 离 开 ， 都 能 够 得 到 较 高 的 充 电 效 率 ， 从 而 使 接 收 线 圈 能 够 在 较 短 的充 电 时 间 内得 到 较 高 的 能 量 补 充 。 但 是 在 典 型 的谐 振 耦 合 式 电 能 传 输 系 统 中 ，￣ Ｏ Ｍ Ｉ Ｔ 的 谐 振耦 合实 验 ， 以及 后 来Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ 公 司 所 做 的 谐振 系统 验 证 实 验 ， 都 存 在 一 个 严 重 的 问题 ， 即 发 送 线 圈 和 接 收 线 圈都 是 单 线 圈 结 构 ，且 只 有 圆 心 处 在 同 一 条 直 线 上 才 能得 到 最 高 的 接 收 效 率。典型 的磁共振 式无线能量 传输系 统构成如 图１ 所 示 。 系 统 主要 有 两 部 分 组 成 ， 能 量 发 射 端 和 能 量 接 收 端 。 能 量 发 射 端 以直 流 作 为 功 率 输 入 ， 高 频 信 号 经 功 率 放 大 后 形 成 高 频 激 励 源 ，使 与 之 直 接 相 连 接 的源 线 圈 （ 标为线圈１ ）产 生 谐 振 ， 并 在 源 线 圈 周 围形 成 交 变 磁 场 。发 射线圈 （ 标 为线 圈２ ） 感 应 源 线 圈 的 交 变 磁 场 ，进 而 与 之 形 成 共 振 ，形 成 更 强 大 的 交 变 磁 场 。这 样 ， 能 量 通 过 源 线 圈 传 送 到 发 射 线 圈 ，再 由 发 射 线 圈 传 递 出