【《磁耦合谐振式无线电能传输在矿井环境中的应用分析》15000字】

PAGE磁耦合谐振式无线电能传输在矿井环境中的应用研究摘要煤炭能源作为目前我国主要的新型一次能源,在我国经济和政治社会持续发展中一直占据一个不可替代的重要地位。井下安全高效的煤矿开采工作离不开井上监控与井下通信管理系统,但是由于传统的监控导线电缆供电布置方式一直严重制约着井下监控导线传感器的正确布置,且在一些煤矿井下出现裸露的监控导线和产生电火花都非常具有可能形成煤矿重大事故的安全隐患。目前便携式隔爆设备主要还是依靠新型蓄电池进行供电,但是在一些煤矿井下一律禁止用户打开隔爆器的外壳或者更换旧蓄电池,而且这些电池组的充电必须在煤矿地面上才能进行。这些突出问题对推进煤矿井下安全高效的石油开采工作具有很大的长远影响。磁耦合谐振式无线光和电能信息传输技术不仅具有实时传输信息功率大、效率高、传输运行距离远等多大优点,且有效避免了各种物理上的接触,如果我们能将该传输技术广泛应用在大型煤矿井下,将来就会有效使井下监控器和传感器的天线布置安全问题及便携式充电设备不能在井下进行充电的安全问题及时得以有效解决,对有效保证安全高效的煤矿生产、改善当前矿井采煤开采的严峻形势等都具有十分重大意义。关键词：无线电能传输；照明系统；矿产资源；磁耦合谐振式目录第一章绪论 61.1课题研究背景 61.2无线电能传输方式 61.3国内外研究现状 61.3.1国外研究现状 61.3.2国内研究现状 6第二章磁耦合谐振式无线电能传输系统模型分析 6第三章井下移动式能量传输系统模型 93.1煤矿井下物理环境 93.2煤矿井下电磁环境特征 113.2.1电磁波的传播机制 113.2.2电磁波高速传播时的功率损耗与谐波效应 123.3矿井下电磁能量传输模型 133.4系统能量传输过程分析 13第四章无线电能传输实物制作 144.1材料 144.2电路图 154.3工作原理 154.4实物图 154.5成果展示 165.1本文总结 175.2论文展望 17第一章绪论1.1课题研究背景中国拥有丰富的煤矿储量，但是煤矿井下的环境特别恶劣，安全生产系统非常落后，所以煤矿的生产事故一直很多。影响煤矿安全生产的主要缘由就是瓦斯爆炸、火灾和塌陷，而引起这些灾害的主要原因就是有线电缆的摩擦破损产生的电火花。除去这些自然灾害对矿井开采的危害之外，井下窄小的巷道也不利于电气设备的移动，因为矿井工作是需要定期移动的，电气设备也需要跟着工作人员的移动而移动，此时输电电缆的存在就使得电气设备移动异常困难。狭小的环境不仅不利于设备的移动，同是也不利于设备的维护，倘若设备发生损坏，维修人员在这种狭小且危险的环境中根本无法安全便捷地维护修理电气设备。煤矿井诸多的缺点和弊端都在给矿井安全开采和设备维护带来了困难，所以发明新的输电方式迫在眉睫。19世纪70年代，经过众多科学家的不懈努力发明了电力，电能是它的推动能源。这种能源的发现使工业进入第二次高点，从此，人们的生活离不开电力。20世纪最关键的成就就是大范围的电力输送系统，它的环节组成有发、输、变、配等。其中不可切割的一点就是输电，输电指电力传输，是电力系统中紧要的环节。最简单的电力传输就是用电线的方式输电，但是这种方式在传输过程中对电力的损耗十分巨大，而且电线的假设成本也十分昂贵。而且这种电线还面临着电线老化、顶端放电。这些缺点不仅不利于用电器的长期使用，同是还容易引起火灾。尤其在煤矿井这种特殊场所，电线的电火花十分容易引起煤矿井下的瓦斯爆炸。煤矿井工人的生命财产安全也由此变得脆弱，一旦发生这种事故，死伤就不在少数。所以传统的电线架设的电力传输方式已经远远不能满足煤矿井下的电能需求，我们需要更加便捷和智能的输电方式，无线电能传输技术正是在这种背景下被研究出来，它同无线通信技术一样，都实现了不需要实际导线来传输，这也是以后最实用的电力传输方式。无线电能传输技术在学术界也被叫做非接触式电能传输，顾名思义是不需要用电源与发电源接触的一种传输方式，它主要借助磁力场、电厂、微波等空间软传输介质来从发电源递送到用电源。无线电能传输技术避免了传统电力传输的弊端，不需要架设电线，因此不会有电线老化的缺点，更不需要频繁更换电线，同是移动设备也变得更加简单，不需要担心压坏或压断供电线缆。电线导线之间的相互摩擦十分容易引起电线的老化和破裂，所以传统的电力传输会频繁更换电线，但是在煤矿井下更换电线十分困难，同时还面临着爆炸、火灾的危险。无线电能传输技术帮助煤矿井下的用电设备避免了实际电线的容易引发的危险，解决了长期以来由于电线摩擦和老化引起的生产事故，保障了无数煤矿井工人的生命财产安全。所以无线电能传输的研究不仅是一种理论知识，更是实际生活的需求，它对电力电子和电磁理论的成长都有十分必要的价值。这项技术对煤矿井的安全开采是一种可靠的新型输电方式，给煤矿井开采供电提供了新的研究思路。1.2无线电能传输方式特斯拉是第一个提出无线电能传输理论的科学家，他曾尝试用一个巨大的线圈来向全球各地传输电能，但是由于各个方面的局限这一实验并没有成功。他的实验猜想是这样的：将地球外部的电离层作为电路的外部导体，地球自身这一球体作为电路的内部导体，使用电磁波的震荡模式，这样两者内外导体之间就会发生低频共振，再通过电磁波环绕整个地球的特性来传输电能。这个猜想使我不得不感叹这位伟大科学家的奇思妙想和天马行空，同是也奠定了他无线电能传输技术鼻祖的这一称号。长久以来世界各国的学者都对无线电能传输技术的研究前仆后继，但是并没有得到特别显著的成果。但是，强耦合技术的出现改变了这一现状，各国的科学家的不懈投入与努力使特斯拉的猜想成为了现实。目前，由于传输原理的不同，无线电能传输的方式主要有四种方式：激光式无线电能、电波式无线电能、电磁感应式无线电能、磁耦合共振式无线电能。激光式无线电能传输激光式无线电能传输以激光作为能量输送承载。它首先把电能转化为激光，并用光学方法发射。激光传输部分的功能就是控制激光束的方向，瞄准我们所需要的地方发射，再通过光学方法接收发射过来的激光束，最后再将激光转化为电能。它的传输系统的示意图如图1.1所示图1.1激光式无线电能传输系统示意图激光式无线电能传输技术的优点有传输距离长，指向性好，尺寸要求不大，电能集中。同时它也有一些不可避免的缺点，如激光转换电能的效率比较低，系统对传输功率的大小也有要求。目前这一项技术还在发展阶段，并不是十分成熟，但是它的应用前景还是十分广泛的。电波式无线电能电波式无线电能传输的组成部分是发射部分和接收部分。发射部分包括微波发生装置和发射天线，接收部分包括接收天线和整流变换装置，然后再传递到负载。这种无线电能传输技术的核心就是通过微波转换技术把直流性质电流转成微波，然后经由发射天线指定方向传送，接收部分再利用接收天线收到这一段微波束，最后再一次利用微波整流装置将微波再次整流成直流电流，递送给负载。电波式无线电能传输系统示意图如图1.2所示。图1.2电波式无线电能传输系统示意图电波式无线电能传输的好处是传送距离远，可以到达几千米之远。但是它的坏处也十分明显，能量在传输过程中不稳定，损耗非常大，这就导致它的能量传输效率十分低下，同是还有非常强的辐射，对人体有危害。这种无线电能传输技术会被用在距离远，储量大的场所。电磁感应式无线电能电磁感应式无线电能技术的原理如同其名字一样，就是利用电磁感应原理。发射部分的感应线圈连接交流电源，所以发射部分的感应线圈就活在交流性质电流中导致交替变换磁感应场，接收部分的感应线圈在这种交替变换的磁感应场中产生感应电动势，所以接收部分的感应线圈的电路回路中就会有交流性质电流，再由整流装置将得到的交流电整流为直流电送给负载使用。发射部分的线圈就是初级线圈，接收部分的线圈就是次级线圈，初级线圈和次级线圈之间的距离不能太大，一般控制在几毫米之内，这种无线电能传输技术的能量传送能力比较高，但是会因为初级线圈和次级线圈之间的距离变大时会迅速变低。电磁感应式无线电能传输系统示意图如图1.3所示。图1.3电磁感应式无线电能传输系统示意图磁耦合共振式无线电能磁耦合共振式无线电能传输技术同样也是由发射部分和接收部分组成，但是它的工作原理是通过两者的共振去输送能量。传送线圈连通交流电源，这样就会导致传送线圈的交流电出现交替变换的磁性场，又因为传送部分线圈和获取部分的线圈的频率相同，两者就会出现共振，共振会让它们处于强耦合状态，这个时候传送部分线圈可以高效地递送给获取部分的线圈。MCR-WPT是一种中远长度的传输方式，用于米级长度的输送，它拥有辐射小，效率高的优点。系统示意图如图1.4所示。图1.4磁耦合共振式无线电能传输系统示意图综上所述，激光式由于它的传输效率特别低，不适合在煤矿井下的环境中使用。电波式因为它的辐射比较大，对人体有不小的伤害，不适合用在与人共同工作的环境。电磁感应式虽然可以完成大型能量传输，但是它的工作距离太小，通常都在厘米范围，所以也不满足井下工作的需要。所以留给我们只有最后一种选择：磁耦合共振式无线电能传输。目前，这一技术的很多理论知识都已经成熟，国家也制定相关政策，并下达了相关的技术标准，很多使用该技术的产品已经投入工业应用。1.3国内外研究现状无线电能传输技术从前只存在于人们的幻想之中，但如今这一项技术已经逐渐进入人们的生活，它以安全性和便捷性的优点保障了许多电气设备的安全使用和维护。国外对这一项技术的研究相较于我们早了许多，研究机构也多，体系比较成熟。国内对无线电能传输技术的探索也与时俱进，通过我国无数科学家的不懈努力与披星戴月也取得了丰富的研究成果，也有许多技术性产品推广进入人们的日常生活。1.3.1国外研究现状自从19世纪特斯拉首次提出无线电能传输理论，世界各科学家对无线电能的探索就从未间断过，尽管如此，还是没有得到明确理想的实验成果，当然更不用提投入应用的技术性产品。直到2006年才取到了突破性的成果，MIT的MarinSoljacic教授与他的学生，第一次实际使用电力磁力耦合共振照明了一盏相距两米的60W的灯泡，更令人难以置信的是它的电能输送效率竟然达到了40%。2009年，马兰里大学的Sedwick创新性地将超导材料与电磁共振无线电能传输系统结合在一起，并且指出了自己的系统中的损耗机制。其一是内部损耗，另外一种是辐射功率，它们通过超导电磁震荡一起在低频率下运行，使这两种损耗都降低了许多。同年，YoichiHori在东京大学的研究组设计出了新型的无线充电圈，这种充电线圈服务于电动汽车，可安装在电动汽车的底盘驱动电动车充电。它们不仅尝试了电磁场分析，也使用了建立系统等效模型的方法，来探索结构中的电能输送性质，并解答了频率震荡分裂现象。2010年，麻省理工学院最前沿的研究组又一次使用6.0MHz的共振频率对两个以上的负载强磁耦合共振输电，在负载距离2.7m的时候，效率高达30%。2011年，日本的电动汽车开始使用电磁感应式无线电能传输来向电动汽车提供充电服务。整个充电设备的工作频率稳定在20KHz-100KHz，能量输送长度为15cm，传输效率为85%。同年，美国的医疗行业也使用了无线电能传输技术。到目前为止，韩国也有长12公里的无线充电公车道路，高通公司也研制出了车载无线电能传输系统，德国宝马公司也将无线充电运用在宝马汽车上。世界各国对这一项技术的研究进入了新的高潮，并将在日后的某一天改变人类的用电方式，使人们随时随地可以无线用电。1.3.2国内研究现状国内与国外相比对无线电的研究起步滞后不少，所以对这一项技术的研究集中于高校的研究团队。我国从2001年便有了对这一技术的理论研究，并且发展迅速，日趋成熟。2001年，西安石油大学的研究人员李弘首次提出了具体的无线电能在井下感应式的实际使用方案，并对自己的方案进行了详细和明确的解释。第二年，重庆大学的研究团队也获得了不小的研究成果，并在理论研究取得了成就，为日后他人对这一项技术的研究提供了理论基础和参考意义。2005年，重庆大学也对MCR-WPT不断研究，创立了详细的理论知识体系。并且在理论基础上架设了一个MVR-WPT的能量输送系统，实现0.8m的传输功率60W的无线电能传输，并且传输效率达到50%以上。2007年，天津工业大学的团队也不甘示弱，杨庆新研究科研实现了2m的无线电能传输，成功点亮了120W的白炽灯泡。并在理论基础上，提出了高速运动的列车无线电能传输的猜测，并开发出一套供电模型。2010年，黄学良老师不断致力于研究磁耦合共振无线电传输技术，并得出了准确可信的实验结论。他的团队还在此后的三年里用自己的实验理论研制出了我国首个无线电能驱动充电的电动汽车。截止到目前，国家电网也开始使用无线电能传输技术，我国的各个高校从未停止过对MCR-WPT的探索，我国也有许多先关的技术产品问世。所以，无线电能传输技术不仅仅是一种空想与幻想，也不仅仅停留在高校与实验室，已经逐渐步入人们的生活之中，潜移默化的改变着人们的用电习惯。交通行业、医疗行业、电器行业已经广泛开始使用无线电技术的产品，而且在我国无数科学家与学者的努力下电动汽车的研究已经逐渐赶超国外。1.4研究目的和意义1.4.1研究目的本文主要利用矿床理论自动分析、软件自动仿真与矿床实验自动验证相有机结合的技术方法对上述新型煤矿井下磁场电耦合谐振式无线电能信号传输控制系统可能存在的一些问题进行展开深入研究。研究得到径向移动偏移、角度偏移、轴向移动距离对发射传输线圈效率的波动影响控制规律,提出接收线圈角度偏移时的线圈效率波动优化控制方法,为深入优化无线电能源与传输控制系统的发射传输线圈效率优化提供重要理论技术支撑;深入研究发射传输线圈距离与接收线圈长度半径之间的波动关系对发射传输线圈效率的波动影响控制规律以及狭义发射接收线圈与发送接收器的线圈长度半径之间的波动关系对发射传输线圈效率的波动影响控制规律,为正确设计接收线圈半径结构及根据接收线圈半径尺寸大小确定有效率的传输线圈距离标准提供理论参考。1.4.2研究意义煤矿井下环境非常复杂,许多的电气设备都是可移动的,传统的导线供电方式限制了电气设备的移动范围,电池的供电能力差,续航时间短,且井下严禁打开隔爆外壳更换电池,因此煤矿井下生产的移动性和安全性都对无线电能传输技术有极大的需求。将无线电能传输技术应用在煤矿井下能够使设备摆脱电力线的束缚,提高移动设备的灵活性与稳定性,提高监控系统的技术水平,改善电池供电的稳定性及续航能力。同时也可以解决工作面上隅角瓦斯传感器的供电问题,提高便捷式瓦斯气体检测仪的持久工作能力。特别是在灾难发生后能够使无线传感网络节点的供电问题得以解决,对被困人员的定位、救援以及抢险救灾有着非常重要的作用。另外,无线网和电能数据传输技术的广泛应用也已经使得含蓄量锂电池的井下隔爆电气设备不能及时打开塑料外壳从而更换含蓄电池以及不能在井下进行充电的安全问题已经得以有效解决,方便了我国煤矿井下开采电气设备的日常维护和运营管理,减少了设备维护费用,降低了了煤炭井下开采运营成本,将显著大大提高我国煤矿井下安全燃煤生产的电气技术质量保障,提升矿山开采的安全性、便捷性1.5主要研究内容本篇论文主要对磁耦合谐振技术进行了模型分析和井下移动式无线充电模型，工作内容如下所示：第一章：绪论。主要阐述了本课题的研究背景和意义，以及可靠性的国内外研究现状和无线电能传输方式的选择。第二章：磁耦合谐振式无线电能传输系统模型分析。本章介绍了磁耦合谐振式无线电能传输系统的组成和工作原理。第三章：井下移动式能量传输系统模型。本章主要分析了井下物理环境和井下电磁波的传播特性，借此创建了井下移动式能量传输系统模型。第四章：无线电能传输实物制作。本章介绍了如何根据电磁感应原理实际制作一个可操作性的无线电能传输实物。第五章：结束语。本章对本文所做的工作进行了总结，并对后续的研究工作进行了展望。第二章磁耦合谐振式无线电能传输系统模型分析本章充分利用等效散射电路结构理论、耦合模拟器理论以及等效散射电路理论对磁场电耦合谐振式无线电能信息传输网络系统模型进行了设计分析;本章提出了一种煤矿井下电线非对称矩形线圈拓扑结构无线电能信息传输网络系统设计模型;本章给出了四种不同拓扑线圈结构无线电能数据传输信息系统的网络输出利用功率及系统传输利用效率计算公式;本章针对一种具有两个隔爆电路外壳的、中继电路线圈的、两个带负载的磁场电耦合谐振式无线电能信息传输网络系统模型进行了设计分析,并分别给出了四种相应的系统传输利用效率及系统输出利用功率的基本计算公式。本章所需要做一切工作都将为后面论文对无线非对称导电线圈整体结构磁场电耦合谐振式无线电能信号传输控制系统的理论研究发展提供了新的理论实践基础。2.1磁耦合谐振式无线电能传输系统2.2.1系统的组成标准的四线圈结构磁耦合谐振式无线电能传输有以下这几个部分组成：高振频率电源、源头线圈、获取线圈、承载线圈以及承载。磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图如图2.1所示。在实际的系统中为了使四个线圈具有相同的谐振频率，一般需要对线圈进行电容补偿，通过对不同的线圈补偿不同的电容值使各个线圈具有相同的谐振频率，以保证系统工作在谐振状态。图2.1磁耦合共振式无线电能传输系统示意图2.2.2系统工作原理磁耦合谐振式无线电能传输系统的工作原理是源线圈将高频电源的电能发射磁耦合谐振式无线电能传输系统模型分析出去，并耦合到发射线圈中，因为发射线圈与接收线圈具有相同的谐振频率，能量在收发线圈之间以耦合谐振的方式进行髙效传递，接收线圈内的能量通过耦合的形式传递至负载线圈，最后传递至负载设备。电路理论的谐振包括串联谐振电路与并联谐振电路，主要是发生具有相同谐振频率的线圈之间，能量通过电磁场在谐振体之间进行高效传输。（1）串联谐振分析交流串联电路,将串联电阻电路R及、电容电阻Ｃ与电感电阻L进行串联之后,如果，那么电容R为这段串联电路的输出阻抗,此时也就直接组成了电路串联谐振。图2.3所示为一个串联射频谐振控制电路。图2.3串联谐振电路高频电源的频率不同，电路的感抗和容抗也不同，在利用相量法分析串联谐振电路时，电路的输入阻抗可以表示为：(2.1)串联谐振电路的频率特性为：(2.2) (2.3)假设在电源角频率为时电路的感抗和容抗完全抵消，也就是,即。此时，且与同相。因此，只有电路的固有频率与高频电源的频率相等时，串联电路才出现谐振。在电路发生谐振时，电路的输入阻抗最小，值为,此时电路的电流最大，即为： (2.4) 在工程上经常将称为电路的品质因数Q，即： (2.5)整流电感和稳压电容的端子和电压与品质因数比值q之间的函数关系公式可以通过表示形式为: (2.6) 从上述公式2.6可以明显看出,当Q>1时,电容和稳压电感两端将可能会同时出现比高q倍的电流过电压。利用这一特殊性质,在谐振输入能量信号传输时刻就可以直接获得较大的突出输入能量信号。在谐振状态下，电阻R的端电压为： (2.7)从上述公式2.7可知,串联电源谐振控制电路中在发生谐振时所在电阻上的振荡电压与并联电源上的电压基本相等。（２）并联谐振并联电路谐振集成电路主要是由一个电感电容l、电阻电容r和去耦电容c进行并联而得组成。图2.4所示为一个并联射频谐振控制电路。图2.4并联谐振电路 只有在公式2.8成立时，并联电路才会发生谐振。 (2.8) 由通过计算可以得到电路发生谐振时的角频率和频率为： (2.9)其中，频率称为电路的固有频率。在谐振状态下，并联谐振电路的输入导纳值最小，即: (2.10)此时，端电压值达到最大，即为： (2.11)对于并联谐振而言，由于谐振状态下，并联谐振也称电流谐振。 (2.12) (2.13)式中，Q为并联谐振电路的品质因数。 (2.14)在外部谐振效应发生时,电容与外部电感可以进行内部能量相互交换,且可以达到完全能量补偿。但是在谐振工程上经常用到的如下下图2.5所示的并联谐振集成电路,也就是将谐振电感与其他电阻进行串联之后再与其他电容并联的一种谐振集成电路。图2.5工程中常用的并联谐振电路2.2系统能量传输过程分析图2.2两线圈结构系统能量传输示意图图3.2所示为磁通电耦合谐振式无线电能信号传输控制系统结构示意图。系统由一个发射端和一个接收端部分组成。当高频调制信号源位于输入端的发射端调制回路的输出电压振荡频率与调制线圈的自谐振振荡频率相同时,发射端调制回路也就进入了自谐振振荡状态,回路输出电流可以达到最大电流值。发射电容线圈被电流激发出并产生交变的交流磁场,交变后的磁场在发射电容内部被激发出并产生一个交流的变电场。能量在稳态电感和极性电容之间不断的快速相互交换。由于发射接收到的线圈在整个发射接收线圈内所激发的有效感应磁场频率范围内,所以发射接收到的线圈可能会因此与感应电流耦合从而产生与其在发射端接收回路过程中的感应电流波动频率相同的有效感应电动势。该回路感应电动势与位于接收器和线圈的固有负载谐振振荡频率相同,因此,接收到的线圈及其所在两个回路也可能会同时产生谐振,回路中的电流波动达到最大功率值,负载振荡得到的谐振功率最大。从而有效实现了无线能量从内到发射端向外到接收端的高效无线传输。由于高频滤波信号源和接收负载都通常是直接并联连接在负载电路上,这样就可能会直接导致负载回路的内部q值数值有所下降;在很多实际情况下,负载电阻的内部阻抗数值和高频滤波信号源的内部电阻并不完全相等,也就是说它和接收端的负载阻抗并不完全匹配。如果高频接收端负载电阻的输入阻抗比值和高频数字信号源的负载阻抗数值可能相差很多,那么这个负载电阻分配的输出功率就可能会相对很小。因此,为有效解决以上各种问题,在实际设计应用中,会选择采用四边形线圈连接结构的积体电路板来进行各种能量量的传输。如本框图3.3所示。图2.3四线圈结构系统能量传输示意图此时,接收器的线圈内部处于自身发射接收线圈产生感应频率电流的最大磁场内,感应器放出与自身发射线圈感应频率相同的感应电能,此时对该电流感应幅值最大。最后驱动负载通过驱动负载控制线圈自动感应到输出的一定电流量并得到一定能量。由于每个驱动线圈的光电谐振驱动频率相同,因此,在每个驱动线圈中光电感应器输出的驱动电流量和幅值频率都会自动达到最大的峰值,这样进一步大大增加了线圈电能的实际传输作用距离。2.3耦合模理论耦合模式的理论通常是一个指用来分析两个或两个以上的无线电磁波不同模式之间相互发生耦合的一般数学规律。耦合模块化理论用于解决这个问题的基本思路主要是:将复杂的独立耦合物理系统的模分解形成为有限个小的独立物理单元并对每个独立物理单元进行求约束方程,并用"简正模"公式表示,最后将复杂的独立耦合系统的模理解形成为由相互独立存在弱和强耦合的多个独立物理单元间的微小干扰相互叠加而得组成,这些相互独立的耦合单元间的弱和强耦合对每一个独立单元的正常运行都会产生微小干扰。对于井下大量的无线电能传感器和各节点共同构成的无线电能监测处理系统,无论是井下无线通信处理节点、数据采集处理节点还是无线控制处理节点,都非常离不开井下电能的实时供给。但是,由于井下工作环境的这种特殊性,能量资源供给不足问题不仅是目前制约井下无线电源监测技术持续发展的一大瓶颈,同时也是井下无线电源供电监测装置的一个核心技术问题。煤矿井下电力供电系统巷道使用线路大多属于复杂的大型巷道线路受限于小线路使用空间,狭长巷道多向线路交叉,空间窄小,存在大量大型轻质金属支架、电力电缆、钢轨、矿车和各种超大型高速低功率矿用动力电气设备等,干扰源相对密集,造成了巷道线路内的电磁干扰严重,电磁干扰作用环境下的线路能量传输值和数据传输速率相对衰减严重。此外,井下的安全爆炸防爆传输技术也有要求,使得安全防爆能量发射传输系统发射装置的防爆能量传输发射功率不能显得大于过大(最大不能尽可能大于超过,否则容易直接伤害引起井下人员发生重大安全事故,因此,如何通过设计合理建立井下的可移动式安全防爆能量传输发射功率传输系统控制装置系统,并对其相关性能指标进行最终的性能优化结构模型设计等也是本章的主要技术研究课题内容以及重点。第三章井下移动式能量传输系统模型3.1煤矿井下物理环境煤矿井下的道路交通运输巷道狭长,空间较大且高湿度和干燥空气中的粉尘较大。不同类型煤层层在巷道中其所可能含有的煤层和其他硬页质成岩层的不同定义结构也不尽相同,因此其内部主体顶板和建筑主体外部底板并不平坦,会因此反而产生各种不同角度的内倾角。从整体结构上和整体上角度来看类似一个十分狭长的不规则的圆拱形。和煤矿地面上的传输巷道空间大和环境复杂相比,煤矿井下的传输巷道具有复杂度很高,是一个类型比较特殊的是非封闭式而且受限制的传输数据空间。因此在这会对整个无线电波段的传输速率造成较大的影响。无线电波在位于煤矿门口巷道这种特殊的隐蔽空间中进行传播时,具有和普通地面不同的辐射特点,总结如下：(1)室内电磁辐射环境比较复杂。煤矿井下人行巷道本身使用空间较小。而井下组的作业技术人员和各种设备如机车等比较多,使得空间更加狭小。巷道壁上会安装各种传感器、井下一条作业线的人员可能会要求随身携带一些移动通信连接设备。巷道中如果集中了较多的移动通信通讯设备,会容易导致堵塞井下面是电磁干扰器的现象还是比较严重。但目前国内外还没有对这些煤矿井下的空气电磁场进行环境研究进行比较深入的理论研究。(2)多径性粒细胞慢性衰落症的复发现象目前仍然比较严重。煤矿井下工作区的主要巷道大街道路一般纵向宽较长而而小巷道路横向短,无线电波在巷道中无线电波进行传播时,由于道与巷道壁的距离较远、巷道壁比较粗糙,无线电波通常有时会在道中穿过道的巷道壁、巷道壁的两侧顶板、底板上常常出现多次衰落反射,即多径向的衰落反射现象。图3.1为由井下s点巷道发射的无线传输信号在矿山煤矿井下井上巷道中进行传输时。无线电波的发射能量会在经过多次的短波发射后,不断得到减少,从而可以使得能量传输到的距离不断缩短。图3.1无线电波在巷道中传输示意图(3)不同电波传输巷道频率的运动无线电波在不同传输巷道中双向运动传播时,传输线的运动特性不同。当一个高频无线电波在一条没有任何灯光照射阻碍的直线型高频传输线的巷道中连续性地进行高频高速传输时,如果无线电波的高速传输发射频率较大,那么我们相应地需要比较于其他发射频率相对较低的高频传输这个波段,高频传输这个波段的发射频率递增衰减变化幅度可能会比较小。但是当它的整个巷道频度衰减频率是非直线型时,相比较于其他高频和低频率发射波段,低频和高频率发射波段的整个巷道频率衰减增加幅度可能会较小。实际上在很多应用中,巷道不同的图形可能仅仅仅只是单一的直线型或者仅只是带有弧形的非直线形,而是两种不同应用情况的一种自然图形组合。为了有效提高其在煤矿井下的作业生产安全,及时无线监控监测煤矿井下工作人员、环境以及井下设备的运行情况,布设了无线井下传感器监测网络。为有效提高大型煤矿井下开采的空气安全性,井下的无线空气传感器以及网络系统需要尽可能多的覆盖到所有的井下工作点和地点,以便更加全面的及时采集井下空气环境和工作人员活动信息。为了要实现这个技术目标,需要节点安装大量的无线信号传感器和该节点用以进行无线信息的实时采集。因此,无线测量传感器的无线分布会比较广泛和分散,可以在井下巷道壁上、采煤挖掘机上、液压井的支柱上或者由井下室的作业技术人员进行随身携带,但是尽管总体上的无线分布还是呈现成丝带状也是分布的一种特点。每个无线信号传感器中的节点将井上采集接收到的数据信息快递传给各个簇头中的节点,各个簇中从头节的重点将采集数据快递传给各个汇聚到的节点,最终每个汇聚到的节点将采集信息再次传递发送到井上。因此,分散在各个井下区域的无线测量传感器井下节点需要采集的海量数据往往需要经过多次传跳过程才能将这些数据从井下节点传递或送到井上。根据无线功耗传感器针对网络节点数据无线传输的不同特点,其无线能耗空间分布可以呈现出井口的各个网络节点的无线功耗相对比较大,而偏远地区偏僻的偏远地方的网络节点的无线功耗较小的两种特点;以及汇聚网络节点的无线能耗比较大,普通网络节点的无线能耗比较小的两种特点。此外,煤矿井下燃气安全性能的要求相对较高。煤矿井下的燃气空间中,经常可能含有三氯甲烷、粉尘等有害化学气体,浓度一旦达到超过一定污染指标,就可能会直接产生燃气爆炸,严重威胁到了煤矿井下工作人员的财产生命安全。因此,无线通信电子设备的短波发射功率不能显得过大,被严格限制在6w以下。基于以上数据分析结果可以由此得出:由于煤矿井下无线巷道用电环境比较复杂,对于井下无线电波的能量传输性能有较大技术影响;为了能保证安全煤矿生产,对井下的各种用电措施设备的安全也需要有较高的技术要求。因此在进行设计时,需要我们充分考虑以上几个因素。3.2煤矿井下电磁环境特征3.2.1电磁波的传播机制在主机发射到的天线传送到用户接收到的天线之间,电磁波一般可以通过不同传播方式之间进行双向传播,在井下这样的工作环境中,电磁波一般需要拥有以下几种方式传播发动机制:直射传播电磁波:直射传播频率是一种近似自由基的通过空间无线辐射方式传播的无线发射电磁波,从一个新的发射点不远处直线传播慢的发射过程到一个新的接收点不远处,传播快的发射过程在其中的传播频率会比衰减慢。反射密度波:就是当波的电磁波密度到达一个拥有不同的波密度的两个分界线平面时,一部分反射波被密度吸收,另一部分就可能会被密度反射,所谓的密度反射就是波没有时会发生另一半波密度损耗的反射现象。分界线表面之间的分子密度差异也是物体反射光测量的一个重要直接影响测量因素。散射电磁波:散射电磁波当无线散射电磁波通过散射到达凹凸不平的普通道路或者障碍物时,会自动停止发生一个短波无线散射。绕线发射或微波:对于这种高频率的辐射电磁波,电波束的极性、相位、幅度以及辐射障碍物的大小尺寸都直接决定着两个电磁波之间是否可能会同时发生电波绕射或者发生反射。根据现代电磁波学的理论知识分析可知,当发生障碍物的波长尺寸与周围波长的系数差不多相等长度的情况时候就可能会出现发生周围绕射波的现象,强度与周围反射物的波长数相等。3.2.2无线电波传播中的损耗与效应在我国煤矿井下室中出现的主要的空气传播系统损耗与放电效应可以表现为大致如下图的几个主要方面。路径电波传播功率损耗:主要定义指的也就是一个电磁波在一定空间路径传播时的功率损耗,其中的数值主要反应了一个电磁波在一个宏观上同时接收相关信号的平均值和电流水平变化趋势。快光速衰落功率损耗：它主要是因为多径效应传播而产生的辐射功率衰落，反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化带来的损耗，一般遵从瑞利分布或莱斯分布，其变化率比慢衰落快，故称为快衰落。慢光速衰落辐射效应:一般指的为这是一种电磁波在直接发射与受到接收之间因为微波距离的巨大变化等而产生的慢衰落。主要频率指的也就是它在接收微波信号的场强中的峰值长度随时间缓慢发生变化。当加速衰落区域包括强光电磁波反射受到强光障碍物的反射遮挡时所形成的线性阴影反射区,此时的慢加速衰落过程可以被称为线性阴影区慢衰落。其平均值主要反映了输出中等电波长度频率范围内几百个不同波长或数量级的无线接收器或电源其平均值数所引起的正态损耗,一般认为符合它的对数正态损耗分布。多径方向效应:它所指的也就是在一个信道中由于发生电磁波多径方向传输这一现象从而导致的一种干涉性信道时延运动效应。在位于煤矿加工巷道这样的一个电磁波能量传播大的环境,存在大量电磁散射、绕组辐射以及电磁反射,导致这些电磁波的辐射能量、时延、相位、幅度等因素发生了巨大变化。各项合成分量之间的相互关系也可能会不断随合成时间轴的变化而发生变化,关系的不断变化也可能会直接导致分量合成场的随机运动变化,使分量信号沿不同合成路径随机传播而达到不同接收端,接收端进行接收后得到的分量信号其实也就是多个分量信号的合成矢量和。由此可见,多径辐射效应研究是如何导致粒子衰落的一个重要影响因素。阴影快速发射衰落效应:就是当光线发射出的电磁波段在光线传播途中或者传播出现一些意外或者情况发生时会直接导致一个光线反向传输电磁信号发射路径被光线外力直接阻挡而阻止光线发射形成半半的的小盲区,这个半半的小盲区就真的可以被简称为光线反向发射电磁场光线发射出的阴影,与光线发射出的太阳光被发射光线外力阻挡时所发射产生的反电磁场反向阴影发射效应非常类似,会直接影响导致光线发射电磁信号的快速发射衰落。时延扩展:由多径辐射效应分析可知,电磁波有时会随着不同的时延路径连续传播。因各个到达路径时延长度不同从而可以导致各个电磁波进入信号源的到达时延出现一定时间差的这称为到达时延误差效应。由这种扩展现象可以导致一个接收时延信号的两个脉冲时延宽度连续扩展即为时延宽度扩展,其还原值可以精确定义成作为一个传输信号时延最大与最小值的差的比值,是一种衡量多径时延效应的重要测量指标。3.3无线电能传输井下应用模型在煤矿井下这种空间狭小、环境复杂的情况下，本文拟将无线电能传输装置的发射端安装在煤矿井下周期性移动的设备上，例如机车、猴车等，而将接收装置安装在需要充电的无线传感器节点上。因为用于运输煤炭的机车、运输人员的猴车等移动设备会经常出现在煤矿井下的生产和运输等各个位置，其活动范围可以覆盖到无线传感器网络的各个无线传感器节点。因此，利用安装在机车和猴车上的无线电能传输系统的发送装置，可以不断的给无线传感器节点进行电能补充，提高无线传感器节点的续航能力，从而保证无线传感器网络的稳定运行。如图3.4所示。图3.4井下无线电能传输系统应用模型示意图第四章4.1材料9V直流电源、22k电阻、2N2222A三极管、5W-白光-6500K节能灯、1.2mm初级线圈两圈、0.25mm次级线圈350圈。2N2222A三极管是一种NPN型小功率三极管。4.2电路图图4.1无线电能传输电路图简易的功能实现电路图如图4.1所示。4.3工作原理通过将次级振荡线圈回路中的电压感应器和电流信号引入连接到初级信号振荡线圈回路中,使得初级振荡回路的最低谐振振荡频率可以锁定于达到次级振荡线圈的最高谐振振荡频率,从而有效维持回路振荡。4.4实物图图4.2无线电能传输实物图最终成果如图4.2所示。4.5成果展示图4.3功能展示最终成果功能展示如图4.3所示。节能灯在靠近次级线圈时，未连接电路发光，实现了无线电能传输。

第五章结束语5.1本文总结无线电能传输技术有着便捷安全的优点，在工业领域、生活领域、医疗领域、交通领域有着不可忽视的作用与潜力。它避免了传统电线的摩擦破损的缺点，不易引起火灾。不需要架设电线，节省了大量人力成本和经济成本，更不需