CN109067013A - 用于矿井的无线电能传输装置及其电能传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于矿井的无线电能传输装置，包括发送端和接收端；发送端安装于矿井的固定位置，接收端安装在矿井的罐笼上；发送端用于将电能转换为高频电源并对外发送，接收端用于接收高频电源并进行存储和对外供电。本发明还公开了所述用于矿井的无线电能传输装置的电能传输方法。本发明通过采用双发射线圈的技术方案，保证接收线圈在预设位置及一定范围内移动时能够保持恒定的功率和效率输出，保证了供电安全，还实现了大功率、远距离、安全、可靠、稳定且高效的磁耦合谐振式无线电能传输。

Description

用于矿井的无线电能传输装置及其电能传输方法

技术领域

本发明具体涉及一种用于矿井的无线电能传输装置及其电能传输方法。

背景技术

随着经济技术的发展，资源勘探领域也受到了越来越多的重视。深部资源开发是我国的重要发展战略，超深矿井大型提升装备是实现深部资源开发的关键装备。矿井提升装备是连接地面和地下的“咽喉”，矿物、人员、设备都是通过其实现在地面与地下的运输。一旦矿井提升装备出现故障，将会严重影响到工作人员的人身安全，造成不可估量的经济损失。因此矿山对提升装备的安全性要求极高。为了保证在正常和极端条件下，提升装备均能够高效安全的服役，通常会采用大量的传感器对罐笼矿井中的位置和姿态进行感知和检测。由于罐笼处于井下相对隔绝封闭的环境，用电必须满足矿井安全用电规则，因此，罐笼供电也面临着极大的考验。

传统罐笼供电采用蓄电池、拖缆等方法供电，采用蓄电池方法受制于电池容量有限，需要对电池反复拆装。而拖缆方法在超深矿井中使用会引入大量的强电线缆，不仅对线缆长度要求很高，而且线缆和钢丝绳缠绕极易引起更大的安全事故。

如果采用无线电能传输的方式为罐笼供电，现有的无线电能传输技术仍然会存在一些问题：比如，专利号为201410300222.5的专利，公开了一种磁耦合谐振无线充电平台，能够通过均匀磁场特性实现磁耦合谐振无线充电，但是仍然不能克服线圈位置变化导致的传输效率下降问题。专利号为201510301291.2的专利，公开了一种大功率无线充电装置，装置传输距离固定在10cm，且传输功率较小仍然不能满足大功率电能传输的需求。专利号为201810102859.1的专利，公开了一种多级多面磁谐振式无线充电系统，采用双线圈结构实现磁耦合谐振，通过欠压关段等方式解决联接中的相关问题，但该方法对电路传输过程种的能量转化并无帮助，也无法解决磁场变化的相关问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种安全、可靠、稳定且效率较高的用于矿井的无线电能传输装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述用于矿井的无线电能传输装置的电能传输方法。

本发明提供的这种用于矿井的无线电能传输装置，包括发送端和接收端；发送端安装于矿井的固定位置，接收端安装在矿井的罐笼上；发送端包括高频电源发生电路、发送端谐振电容和若干个发射线圈，接收端包括接收线圈、接收端谐振电容、电能调理电路和储能电路；高频电源发生电路的输出端并接发送端谐振电容，同时也直接并接若干个发射线圈；接收线圈、电能调理电路和储能电路依次串接，接收线圈和接收端谐振电容并接；高频电源发生电路用于产生高频电源，并通过并联的若干个发射线圈产生交变磁场；接收线圈用于感应发射线圈产生的交变磁场，并与接收端谐振电容产生谐振，从而在在接收线圈中产生交变电流，并通过电能调理电路实现稳定的电能输出并给储能电路供电并储能。

所述的发送端和接收端的谐振频率相同。

所述的发射线圈为两个发射线圈；两个发射线圈的绕制方向相同，且两个发射线圈的轴线重合。

所述的高频电源发生电路包括发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路和发送端高频逆变电路；发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路和发送端高频逆变电路依次串接；发送端交流电源电路用于提供交流电能；交流电能通过发送端整流电路整流和发送端稳压电路稳压后，再通过发送端高频逆变电路转换为高频交流电。

所述的高频电源发生电路还包括启动开关；启动开关连接在发送端交流电源电路的输出端，用于启动高频电源发生电路。

所述的启动开关为接近开关；接近开关安装在罐笼所在的罐道内，用于在罐笼上的接收端移动到发送端附近时产生检测信号并启动高频电源发生电路。

所述的电能调理电路包括接收端整流电路和接收端滤波电路；接收端整流电路用于接收接收线圈传输的交流电能并整流为直流电能；接收端滤波电路用于将整流的直流电能进行滤波后传输到储能电路进行存储。

所述的储能电路为锂电池、蓄电池或超级电容。

本发明还提供了一种所述用于矿井的无线电能传输装置的电能传输方法，包括如下步骤：

S1.发送端交流电源电路提供交流电能；

S2.交流电能通过发送端整流电路进行整流，并通过发送端稳压电路进行稳压；

S3.稳压后的电能通过发送端逆变电路转换为高频电源，并通过若干个发射线圈产生交变磁场；

S4.当接收线圈位于无线电能传输区域时，接收线圈感应发射线圈产生的交变磁场，与接收端谐振电容产生谐振从而在接收线圈中产生交变电流；

S5.接收端整流电路将接收线圈接收的交流电能整流为直流电能，并通过接收端滤波电路进行滤波；

S6.储能电路将接收的电能进行存储，并对外提供供电电源。

本发明提供的这种用于矿井的无线电能传输装置及其电能传输方法，通过采用双发射线圈的技术方案，很好地解决了单发射线圈条件下，发射线圈和接收线圈之间距离发生变化时对传输效率的影响，能够保证接收线圈在预设位置及一定范围内移动时能够保持恒定的功率和效率输出，而且采用无线供电模式代替传统的电缆，保证了供电安全的同时避免了线缆与钢丝绳缠绕可能导致的安全事故，同时还实现了大功率、远距离、安全、可靠、稳定且高效的磁耦合谐振式无线电能传输。

附图说明

图1为本发明装置的安装示意图。

图2为本发明装置的安装俯视示意图。

图3为本发明装置的功能模块图。

图4为本发明装置的系统拓扑图。

图5为本发明装置的等效电路原理图。

图6为本发明装置的线圈间的距离关系示意图。

图7为本发明装置的输出功率-耦合距离响应曲线示意图。

图8为本发明装置的系统传输效率-耦合距离相应曲线示意图。

图9为本发明方法的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明装置的安装示意图，如图2所示为本发明装置的安装俯视示意图：本发明提供的这种用于矿井的无线电能传输装置，包括发送端和接收端；发送端安装于矿井的固定位置，接收端安装在矿井的罐笼8上；发送端包括高频电源发生电路1、发送端谐振电容和若干个发射线圈(图中以两个发射线圈为例，标示为2和3)，接收端包括接收线圈4、接收端谐振电容、电能调理电路5和储能电路6；高频电源发生电路的输出端并接发送端谐振电容，同时也直接并接若干个发射线圈，接收线圈、电能调理电路和储能电路依次串接，接收线圈和接收端谐振电容并接；接收线圈用于感应发射线圈产生的交变磁场，并与接收端谐振电容产生谐振，从而在在接收线圈中产生交变电流，并通过电能调理电路实现稳定的电能输出并给储能电路供电并储能。

其中，发送端中，高频电源发生电路包括发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路和发送端高频逆变电路；发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路和发送端逆变电路依次串接；发送端交流电源电路用于提供交流电能；交流电能通过发送端整流电路整流和发送端稳压电路稳压后，再通过发送端高频逆变电路转换为高频电源电；接收端中，电能调理电路包括接收端整流电路和接收端滤波电路；接收端整流电路用于接收接收线圈传输的交流电能并整流为直流电能；接收端滤波电路用于将整流的直流电能进行滤波后传输到储能电路进行存储。

在具体实施时，发射线圈优选为两个发射线圈；两个发射线圈的绕制方向相同，且两个发射线圈的轴线重合，半径为10CM，接收线圈的半径为5CM(接收线圈半径影响接收功率和传输效率)左右；储能电路为锂电池、蓄电池或超级电容；同时，在高频电源发生电路中可以增加一个启动开关；启动开关连接在发送端交流电源电路的输出端，用于启动高频电源发生电路，启动开关优选为接近开关，接近开关安装在罐笼所在的罐道7内，用于在罐笼上的接收端移动到发送端附近时产生检测信号并闭合，从而启动高频电源发生电路。

理想状态下，发射线圈和接收线圈的中轴线应该位于同一直线上，而且接收线圈与两个发射线圈的距离相同。

如图3所示为本发明装置的功能模块图：从图中可以看到，发送端包括发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路、发送端谐振电容、发送端高频逆变电路和发送线圈；发送端交流电源电路用于提供交流电能；交流电能通过发送端整流电路整流和发送端稳压电路稳压后，再通过发送端逆变电路转换为高频交流电，并通过发送线圈产生交变磁场；

接收端包括接收线圈、接收端谐振电容、接收端整流电路、接收端滤波电路和储能电路；接收端整流电路用于接收接收线圈传输的交流电能并整流为直流电能；接收端滤波电路用于将整流的直流电能进行滤波后传输到储能电路进行存储。

在具体实施时，使用220V交流电作为供电电源，通过桥式整流电路整流后为发送端高频逆变电路供电。采用E类功率放大器作为发射端高频逆变，通过逆变电路产生频率高达2MHZ的高频交流电，接入发射线圈后会在线圈周围产生相应的交变磁场。当接收线圈进入发射线圈磁场范围内，线圈会感应磁场的相应变化并在线圈内部产生相应的交变电流。由于发射端与接收端的谐振频率一致，初次级两侧工作在磁耦合谐振状态。其中发送端包含：交流电源、整流稳压电路、E类功率放大器高频逆变电路、谐振电容和发射线圈。接收端包含：接收线圈、谐振电容、超快回复二极管全桥整流电路、滤波稳压电路以及锂电池充电电路、锂电池和负载。

如图4所示为本发明装置的系统拓扑图：该图包含两并联发射线圈L₁与L₃，当两线圈插入到发射回路时，则主发射回路和次发射回路被构造出来了。由于两并联发射线圈共享发射回路电路结构，因此，主发射回路和次发射回路具有相同的电路参数，其等效电路模型如图5所示。图中：U_S为高频电压源；C_S为双发射线圈等效电容；I₁、I₂与I₃分别为主发射回路、接收回路与次发射回路的高频电流；R₁、R₂和R₃分别为主发射线圈、接收线圈和次发射线圈的损耗电阻和辐射电阻之和；L₁、L₂和L₃分别为主发射线圈、接收线圈和次发射线圈的等效电感；C₁、C₂和C₃分别为主发射线圈、接收线圈和次发射线圈回路的等效电容；R_L为负载电阻。d₁为主发射线圈与接收线圈的耦合距离；d₂为次发射线圈与接收线圈的耦合距离；d₃＝d₁+d₂为主发射线圈与次发射线圈的耦合距离。M₁主发射线圈与接收线圈之间的互感；M₂次发射线圈与接收线圈之间的互感。

根据毕奥-萨伐尔定律，将磁场与电流的大小、方向、长度和接近程度联系起来。该定律在近似静磁学中也是有效的，并且与安培环路定律和高斯磁学定律保持一致。根据毕奥-萨伐尔定律，主发射线圈L₁在接收线圈L₂位置处所产生的磁感应强度B₁和次发射线圈L₃在接收线圈L₂位置处所产生的磁感应强度B₂分别为：

其中，μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率；r₁、r₂和r₃分别为主发射线圈、接收线圈和次发射线圈半径；n₁、n₂和n₃分别为主发射线圈、接收线圈和次发射线圈匝数；O为主发射线圈与次发射线圈的位置中点；O₁、O₂和O₃分别为主发射线圈、接收线圈和次发射线圈的几何中心；各线圈间的距离关系如图6所示。由上式可分别得到主发射线圈与接收线圈之间的互感M₁、次发射线圈与接收线圈之间的互感M₂为：

其中Ф₁表示为线圈L₁激发的磁场通过线圈L₂的磁通匝链数；Ф₂表示为线圈L₃激发的磁场通过线圈L₂的磁通匝链数。

当d₃分别等于32mm、45mm，接收线圈L₂从主发射线圈L₁移动到次发射线圈L₃时，d₁为变量，则d₂＝d₃-d₁也为变量。因此，可得到如图7所示的系统输出功率-耦合距离响应曲线和图8所传输效率-耦合距离响应曲线，其中图7(a)为d₃＝45mm条件下的系统输出功率-耦合距离响应曲线。图7(b)为d₃＝32mm条件下的系统输出功率-耦合距离响应曲线。图8(a)为d₃＝45mm条件下的系统传输效率-耦合距离响应曲线，图8(b)为d₃＝30mm条件下的系统传输效率-耦合距离响应曲线。

根据实验测定，本发明的最大输出功率可达为150W，传输效率大于85％。能在接收线圈左右移动5CM范围内保持相应的功率和效率输出。

如图9所示为本发明方法的方法流程图：所述用于矿井的无线电能传输装置的电能传输方法，包括如下步骤：

S1.发送端交流电源电路提供交流电能；

S2.交流电能通过发送端整流电路进行整流，并通过发送端稳压电路进行稳压；

S3.稳压后的电能通过发送端逆变电路转换为高频电源，并通过若干个发射线圈产生交变磁场；

S4.当接收线圈位于无线电能传输区域时，接收线圈感应发射线圈产生的交变磁场，与接收端谐振电容产生谐振从而在接收线圈中产生交变电流；

S5.接收端整流电路将接收线圈接收的交流电能整流为直流电能，并通过接收端滤波电路进行滤波；

S6.储能电路将接收的电能进行存储，并对外提供供电电源。

Claims (9)

1.一种用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于包括发送端和接收端；发送端安装于矿井的固定位置，接收端安装在矿井的罐笼上；发送端包括高频电源发生电路、发送端谐振电容和若干个发射线圈，接收端包括接收线圈、接收端谐振电容、电能调理电路和储能电路；高频电源发生电路的输出端并接发送端谐振电容，同时也直接并接若干个发射线圈；接收线圈、电能调理电路和储能电路依次串接，接收线圈和接收端谐振电容并接；高频电源发生电路用于产生高频电源，并通过并联的若干个发射线圈产生交变磁场；接收线圈用于感应发射线圈产生的交变磁场，并与接收端谐振电容产生谐振，从而在在接收线圈中产生交变电流，并通过电能调理电路实现稳定的电能输出并给储能电路供电并储能。

2.根据权利要求1所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的发送端和接收端的谐振频率相同。

3.根据权利要求2所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的发射线圈为两个发射线圈；两个发射线圈的绕制方向相同，且两个发射线圈的轴线重合。

4.根据权利要求1～3之一所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的高频电源发生电路包括发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路和发送端高频逆变电路；发送端交流电源电路、发送端整流电路、发送端稳压电路和发送端高频逆变电路依次串接；发送端交流电源电路用于提供交流电能；交流电能通过发送端整流电路整流和发送端稳压电路稳压后，再通过发送端高频逆变电路转换为高频交流电。

5.根据权利要求4所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的高频电源发生电路还包括启动开关；启动开关连接在发送端交流电源电路的输出端，用于启动高频电源发生电路。

6.根据权利要求5所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的启动开关为接近开关；接近开关安装在罐笼所在的罐道内，用于在罐笼上的接收端移动到发送端附近时产生检测信号并启动高频电源发生电路。

7.根据权利要求1～3之一所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的电能调理电路包括接收端整流电路和接收端滤波电路；接收端整流电路用于接收接收线圈传输的交流电能并整流为直流电能；接收端滤波电路用于将整流的直流电能进行滤波后传输到储能电路进行存储。

8.根据权利要求1～3之一所述的用于矿井的无线电能传输装置，其特征在于所述的储能电路为锂电池、蓄电池或超级电容。

9.一种权利要求1～8之一所述的用于矿井的无线电能传输装置的电能传输方法，包括如下步骤：

S1.发送端交流电源电路提供交流电能；

S2.交流电能通过发送端整流电路进行整流，并通过发送端稳压电路进行稳压；

S3.稳压后的电能通过发送端逆变电路转换为高频电源，并通过若干个发射线圈产生交变磁场；

S4.当接收线圈位于无线电能传输区域时，接收线圈感应发射线圈产生的交变磁场，与接收端谐振电容产生谐振从而在接收线圈中产生交变电流；

S5.接收端整流电路将接收线圈接收的交流电能整流为直流电能，并通过接收端滤波电路进行滤波；

S6.储能电路将接收的电能进行存储，并对外提供供电电源。