PAGE磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸在礦井環(huán)境中的應(yīng)用研究摘要煤炭能源作為目前我國(guó)主要的新型一次能源,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)和政治社會(huì)持續(xù)發(fā)展中一直占據(jù)一個(gè)不可替代的重要地位。井下安全高效的煤礦開(kāi)采工作離不開(kāi)井上監(jiān)控與井下通信管理系統(tǒng),但是由于傳統(tǒng)的監(jiān)控導(dǎo)線電纜供電布置方式一直嚴(yán)重制約著井下監(jiān)控導(dǎo)線傳感器的正確布置,且在一些煤礦井下出現(xiàn)裸露的監(jiān)控導(dǎo)線和產(chǎn)生電火花都非常具有可能形成煤礦重大事故的安全隱患。目前便攜式隔爆設(shè)備主要還是依靠新型蓄電池進(jìn)行供電,但是在一些煤礦井下一律禁止用戶打開(kāi)隔爆器的外殼或者更換舊蓄電池,而且這些電池組的充電必須在煤礦地面上才能進(jìn)行。這些突出問(wèn)題對(duì)推進(jìn)煤礦井下安全高效的石油開(kāi)采工作具有很大的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響。磁耦合諧振式無(wú)線光和電能信息傳輸技術(shù)不僅具有實(shí)時(shí)傳輸信息功率大、效率高、傳輸運(yùn)行距離遠(yuǎn)等多大優(yōu)點(diǎn),且有效避免了各種物理上的接觸,如果我們能將該傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用在大型煤礦井下,將來(lái)就會(huì)有效使井下監(jiān)控器和傳感器的天線布置安全問(wèn)題及便攜式充電設(shè)備不能在井下進(jìn)行充電的安全問(wèn)題及時(shí)得以有效解決,對(duì)有效保證安全高效的煤礦生產(chǎn)、改善當(dāng)前礦井采煤開(kāi)采的嚴(yán)峻形勢(shì)等都具有十分重大意義。關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸；照明系統(tǒng)；礦產(chǎn)資源；磁耦合諧振式目錄第一章緒論 61.1課題研究背景 61.2無(wú)線電能傳輸方式 61.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 61.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6第二章磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型分析 6第三章井下移動(dòng)式能量傳輸系統(tǒng)模型 93.1煤礦井下物理環(huán)境 93.2煤礦井下電磁環(huán)境特征 113.2.1電磁波的傳播機(jī)制 113.2.2電磁波高速傳播時(shí)的功率損耗與諧波效應(yīng) 123.3礦井下電磁能量傳輸模型 133.4系統(tǒng)能量傳輸過(guò)程分析 13第四章無(wú)線電能傳輸實(shí)物制作 144.1材料 144.2電路圖 154.3工作原理 154.4實(shí)物圖 154.5成果展示 165.1本文總結(jié) 175.2論文展望 17第一章緒論1.1課題研究背景中國(guó)擁有豐富的煤礦儲(chǔ)量，但是煤礦井下的環(huán)境特別惡劣，安全生產(chǎn)系統(tǒng)非常落后，所以煤礦的生產(chǎn)事故一直很多。影響煤礦安全生產(chǎn)的主要緣由就是瓦斯爆炸、火災(zāi)和塌陷，而引起這些災(zāi)害的主要原因就是有線電纜的摩擦破損產(chǎn)生的電火花。除去這些自然災(zāi)害對(duì)礦井開(kāi)采的危害之外，井下窄小的巷道也不利于電氣設(shè)備的移動(dòng)，因?yàn)榈V井工作是需要定期移動(dòng)的，電氣設(shè)備也需要跟著工作人員的移動(dòng)而移動(dòng)，此時(shí)輸電電纜的存在就使得電氣設(shè)備移動(dòng)異常困難。狹小的環(huán)境不僅不利于設(shè)備的移動(dòng)，同是也不利于設(shè)備的維護(hù)，倘若設(shè)備發(fā)生損壞，維修人員在這種狹小且危險(xiǎn)的環(huán)境中根本無(wú)法安全便捷地維護(hù)修理電氣設(shè)備。煤礦井諸多的缺點(diǎn)和弊端都在給礦井安全開(kāi)采和設(shè)備維護(hù)帶來(lái)了困難，所以發(fā)明新的輸電方式迫在眉睫。19世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)眾多科學(xué)家的不懈努力發(fā)明了電力，電能是它的推動(dòng)能源。這種能源的發(fā)現(xiàn)使工業(yè)進(jìn)入第二次高點(diǎn)，從此，人們的生活離不開(kāi)電力。20世紀(jì)最關(guān)鍵的成就就是大范圍的電力輸送系統(tǒng)，它的環(huán)節(jié)組成有發(fā)、輸、變、配等。其中不可切割的一點(diǎn)就是輸電，輸電指電力傳輸，是電力系統(tǒng)中緊要的環(huán)節(jié)。最簡(jiǎn)單的電力傳輸就是用電線的方式輸電，但是這種方式在傳輸過(guò)程中對(duì)電力的損耗十分巨大，而且電線的假設(shè)成本也十分昂貴。而且這種電線還面臨著電線老化、頂端放電。這些缺點(diǎn)不僅不利于用電器的長(zhǎng)期使用，同是還容易引起火災(zāi)。尤其在煤礦井這種特殊場(chǎng)所，電線的電火花十分容易引起煤礦井下的瓦斯爆炸。煤礦井工人的生命財(cái)產(chǎn)安全也由此變得脆弱，一旦發(fā)生這種事故，死傷就不在少數(shù)。所以傳統(tǒng)的電線架設(shè)的電力傳輸方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足煤礦井下的電能需求，我們需要更加便捷和智能的輸電方式，無(wú)線電能傳輸技術(shù)正是在這種背景下被研究出來(lái)，它同無(wú)線通信技術(shù)一樣，都實(shí)現(xiàn)了不需要實(shí)際導(dǎo)線來(lái)傳輸，這也是以后最實(shí)用的電力傳輸方式。無(wú)線電能傳輸技術(shù)在學(xué)術(shù)界也被叫做非接觸式電能傳輸，顧名思義是不需要用電源與發(fā)電源接觸的一種傳輸方式，它主要借助磁力場(chǎng)、電廠、微波等空間軟傳輸介質(zhì)來(lái)從發(fā)電源遞送到用電源。無(wú)線電能傳輸技術(shù)避免了傳統(tǒng)電力傳輸?shù)谋锥?，不需要架設(shè)電線，因此不會(huì)有電線老化的缺點(diǎn)，更不需要頻繁更換電線，同是移動(dòng)設(shè)備也變得更加簡(jiǎn)單，不需要擔(dān)心壓壞或壓斷供電線纜。電線導(dǎo)線之間的相互摩擦十分容易引起電線的老化和破裂，所以傳統(tǒng)的電力傳輸會(huì)頻繁更換電線，但是在煤礦井下更換電線十分困難，同時(shí)還面臨著爆炸、火災(zāi)的危險(xiǎn)。無(wú)線電能傳輸技術(shù)幫助煤礦井下的用電設(shè)備避免了實(shí)際電線的容易引發(fā)的危險(xiǎn)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)由于電線摩擦和老化引起的生產(chǎn)事故，保障了無(wú)數(shù)煤礦井工人的生命財(cái)產(chǎn)安全。所以無(wú)線電能傳輸?shù)难芯坎粌H是一種理論知識(shí)，更是實(shí)際生活的需求，它對(duì)電力電子和電磁理論的成長(zhǎng)都有十分必要的價(jià)值。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)煤礦井的安全開(kāi)采是一種可靠的新型輸電方式，給煤礦井開(kāi)采供電提供了新的研究思路。1.2無(wú)線電能傳輸方式特斯拉是第一個(gè)提出無(wú)線電能傳輸理論的科學(xué)家，他曾嘗試用一個(gè)巨大的線圈來(lái)向全球各地傳輸電能，但是由于各個(gè)方面的局限這一實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有成功。他的實(shí)驗(yàn)猜想是這樣的：將地球外部的電離層作為電路的外部導(dǎo)體，地球自身這一球體作為電路的內(nèi)部導(dǎo)體，使用電磁波的震蕩模式，這樣兩者內(nèi)外導(dǎo)體之間就會(huì)發(fā)生低頻共振，再通過(guò)電磁波環(huán)繞整個(gè)地球的特性來(lái)傳輸電能。這個(gè)猜想使我不得不感嘆這位偉大科學(xué)家的奇思妙想和天馬行空，同是也奠定了他無(wú)線電能傳輸技術(shù)鼻祖的這一稱號(hào)。長(zhǎng)久以來(lái)世界各國(guó)的學(xué)者都對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究前仆后繼，但是并沒(méi)有得到特別顯著的成果。但是，強(qiáng)耦合技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，各國(guó)的科學(xué)家的不懈投入與努力使特斯拉的猜想成為了現(xiàn)實(shí)。目前，由于傳輸原理的不同，無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞街饕兴姆N方式：激光式無(wú)線電能、電波式無(wú)線電能、電磁感應(yīng)式無(wú)線電能、磁耦合共振式無(wú)線電能。激光式無(wú)線電能傳輸激光式無(wú)線電能傳輸以激光作為能量輸送承載。它首先把電能轉(zhuǎn)化為激光，并用光學(xué)方法發(fā)射。激光傳輸部分的功能就是控制激光束的方向，瞄準(zhǔn)我們所需要的地方發(fā)射，再通過(guò)光學(xué)方法接收發(fā)射過(guò)來(lái)的激光束，最后再將激光轉(zhuǎn)化為電能。它的傳輸系統(tǒng)的示意圖如圖1.1所示圖1.1激光式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖激光式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有傳輸距離長(zhǎng)，指向性好，尺寸要求不大，電能集中。同時(shí)它也有一些不可避免的缺點(diǎn)，如激光轉(zhuǎn)換電能的效率比較低，系統(tǒng)對(duì)傳輸功率的大小也有要求。目前這一項(xiàng)技術(shù)還在發(fā)展階段，并不是十分成熟，但是它的應(yīng)用前景還是十分廣泛的。電波式無(wú)線電能電波式無(wú)線電能傳輸?shù)慕M成部分是發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分包括微波發(fā)生裝置和發(fā)射天線，接收部分包括接收天線和整流變換裝置，然后再傳遞到負(fù)載。這種無(wú)線電能傳輸技術(shù)的核心就是通過(guò)微波轉(zhuǎn)換技術(shù)把直流性質(zhì)電流轉(zhuǎn)成微波，然后經(jīng)由發(fā)射天線指定方向傳送，接收部分再利用接收天線收到這一段微波束，最后再一次利用微波整流裝置將微波再次整流成直流電流，遞送給負(fù)載。電波式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖如圖1.2所示。圖1.2電波式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖電波式無(wú)線電能傳輸?shù)暮锰幨莻魉途嚯x遠(yuǎn)，可以到達(dá)幾千米之遠(yuǎn)。但是它的壞處也十分明顯，能量在傳輸過(guò)程中不穩(wěn)定，損耗非常大，這就導(dǎo)致它的能量傳輸效率十分低下，同是還有非常強(qiáng)的輻射，對(duì)人體有危害。這種無(wú)線電能傳輸技術(shù)會(huì)被用在距離遠(yuǎn)，儲(chǔ)量大的場(chǎng)所。電磁感應(yīng)式無(wú)線電能電磁感應(yīng)式無(wú)線電能技術(shù)的原理如同其名字一樣，就是利用電磁感應(yīng)原理。發(fā)射部分的感應(yīng)線圈連接交流電源，所以發(fā)射部分的感應(yīng)線圈就活在交流性質(zhì)電流中導(dǎo)致交替變換磁感應(yīng)場(chǎng)，接收部分的感應(yīng)線圈在這種交替變換的磁感應(yīng)場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以接收部分的感應(yīng)線圈的電路回路中就會(huì)有交流性質(zhì)電流，再由整流裝置將得到的交流電整流為直流電送給負(fù)載使用。發(fā)射部分的線圈就是初級(jí)線圈，接收部分的線圈就是次級(jí)線圈，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的距離不能太大，一般控制在幾毫米之內(nèi)，這種無(wú)線電能傳輸技術(shù)的能量傳送能力比較高，但是會(huì)因?yàn)槌跫?jí)線圈和次級(jí)線圈之間的距離變大時(shí)會(huì)迅速變低。電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖如圖1.3所示。圖1.3電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖磁耦合共振式無(wú)線電能磁耦合共振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)同樣也是由發(fā)射部分和接收部分組成，但是它的工作原理是通過(guò)兩者的共振去輸送能量。傳送線圈連通交流電源，這樣就會(huì)導(dǎo)致傳送線圈的交流電出現(xiàn)交替變換的磁性場(chǎng)，又因?yàn)閭魉筒糠志€圈和獲取部分的線圈的頻率相同，兩者就會(huì)出現(xiàn)共振，共振會(huì)讓它們處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候傳送部分線圈可以高效地遞送給獲取部分的線圈。MCR-WPT是一種中遠(yuǎn)長(zhǎng)度的傳輸方式，用于米級(jí)長(zhǎng)度的輸送，它擁有輻射小，效率高的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)示意圖如圖1.4所示。圖1.4磁耦合共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖綜上所述，激光式由于它的傳輸效率特別低，不適合在煤礦井下的環(huán)境中使用。電波式因?yàn)樗妮椛浔容^大，對(duì)人體有不小的傷害，不適合用在與人共同工作的環(huán)境。電磁感應(yīng)式雖然可以完成大型能量傳輸，但是它的工作距離太小，通常都在厘米范圍，所以也不滿足井下工作的需要。所以留給我們只有最后一種選擇：磁耦合共振式無(wú)線電能傳輸。目前，這一技術(shù)的很多理論知識(shí)都已經(jīng)成熟，國(guó)家也制定相關(guān)政策，并下達(dá)了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很多使用該技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無(wú)線電能傳輸技術(shù)從前只存在于人們的幻想之中，但如今這一項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入人們的生活，它以安全性和便捷性的優(yōu)點(diǎn)保障了許多電氣設(shè)備的安全使用和維護(hù)。國(guó)外對(duì)這一項(xiàng)技術(shù)的研究相較于我們?cè)缌嗽S多，研究機(jī)構(gòu)也多，體系比較成熟。國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的探索也與時(shí)俱進(jìn)，通過(guò)我國(guó)無(wú)數(shù)科學(xué)家的不懈努力與披星戴月也取得了豐富的研究成果，也有許多技術(shù)性產(chǎn)品推廣進(jìn)入人們的日常生活。1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀自從19世紀(jì)特斯拉首次提出無(wú)線電能傳輸理論，世界各科學(xué)家對(duì)無(wú)線電能的探索就從未間斷過(guò)，盡管如此，還是沒(méi)有得到明確理想的實(shí)驗(yàn)成果，當(dāng)然更不用提投入應(yīng)用的技術(shù)性產(chǎn)品。直到2006年才取到了突破性的成果，MIT的MarinSoljacic教授與他的學(xué)生，第一次實(shí)際使用電力磁力耦合共振照明了一盞相距兩米的60W的燈泡，更令人難以置信的是它的電能輸送效率竟然達(dá)到了40%。2009年，馬蘭里大學(xué)的Sedwick創(chuàng)新性地將超導(dǎo)材料與電磁共振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)合在一起，并且指出了自己的系統(tǒng)中的損耗機(jī)制。其一是內(nèi)部損耗，另外一種是輻射功率，它們通過(guò)超導(dǎo)電磁震蕩一起在低頻率下運(yùn)行，使這兩種損耗都降低了許多。同年，YoichiHori在東京大學(xué)的研究組設(shè)計(jì)出了新型的無(wú)線充電圈，這種充電線圈服務(wù)于電動(dòng)汽車(chē)，可安裝在電動(dòng)汽車(chē)的底盤(pán)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)充電。它們不僅嘗試了電磁場(chǎng)分析，也使用了建立系統(tǒng)等效模型的方法，來(lái)探索結(jié)構(gòu)中的電能輸送性質(zhì)，并解答了頻率震蕩分裂現(xiàn)象。2010年，麻省理工學(xué)院最前沿的研究組又一次使用6.0MHz的共振頻率對(duì)兩個(gè)以上的負(fù)載強(qiáng)磁耦合共振輸電，在負(fù)載距離2.7m的時(shí)候，效率高達(dá)30%。2011年，日本的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始使用電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸來(lái)向電動(dòng)汽車(chē)提供充電服務(wù)。整個(gè)充電設(shè)備的工作頻率穩(wěn)定在20KHz-100KHz，能量輸送長(zhǎng)度為15cm，傳輸效率為85%。同年，美國(guó)的醫(yī)療行業(yè)也使用了無(wú)線電能傳輸技術(shù)。到目前為止，韓國(guó)也有長(zhǎng)12公里的無(wú)線充電公車(chē)道路，高通公司也研制出了車(chē)載無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，德國(guó)寶馬公司也將無(wú)線充電運(yùn)用在寶馬汽車(chē)上。世界各國(guó)對(duì)這一項(xiàng)技術(shù)的研究進(jìn)入了新的高潮，并將在日后的某一天改變?nèi)祟?lèi)的用電方式，使人們隨時(shí)隨地可以無(wú)線用電。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)與國(guó)外相比對(duì)無(wú)線電的研究起步滯后不少，所以對(duì)這一項(xiàng)技術(shù)的研究集中于高校的研究團(tuán)隊(duì)。我國(guó)從2001年便有了對(duì)這一技術(shù)的理論研究，并且發(fā)展迅速，日趨成熟。2001年，西安石油大學(xué)的研究人員李弘首次提出了具體的無(wú)線電能在井下感應(yīng)式的實(shí)際使用方案，并對(duì)自己的方案進(jìn)行了詳細(xì)和明確的解釋。第二年，重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也獲得了不小的研究成果，并在理論研究取得了成就，為日后他人對(duì)這一項(xiàng)技術(shù)的研究提供了理論基礎(chǔ)和參考意義。2005年，重慶大學(xué)也對(duì)MCR-WPT不斷研究，創(chuàng)立了詳細(xì)的理論知識(shí)體系。并且在理論基礎(chǔ)上架設(shè)了一個(gè)MVR-WPT的能量輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)0.8m的傳輸功率60W的無(wú)線電能傳輸，并且傳輸效率達(dá)到50%以上。2007年，天津工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)也不甘示弱，楊慶新研究科研實(shí)現(xiàn)了2m的無(wú)線電能傳輸，成功點(diǎn)亮了120W的白熾燈泡。并在理論基礎(chǔ)上，提出了高速運(yùn)動(dòng)的列車(chē)無(wú)線電能傳輸?shù)牟聹y(cè)，并開(kāi)發(fā)出一套供電模型。2010年，黃學(xué)良老師不斷致力于研究磁耦合共振無(wú)線電傳輸技術(shù)，并得出了準(zhǔn)確可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。他的團(tuán)隊(duì)還在此后的三年里用自己的實(shí)驗(yàn)理論研制出了我國(guó)首個(gè)無(wú)線電能驅(qū)動(dòng)充電的電動(dòng)汽車(chē)。截止到目前，國(guó)家電網(wǎng)也開(kāi)始使用無(wú)線電能傳輸技術(shù)，我國(guó)的各個(gè)高校從未停止過(guò)對(duì)MCR-WPT的探索，我國(guó)也有許多先關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品問(wèn)世。所以，無(wú)線電能傳輸技術(shù)不僅僅是一種空想與幻想，也不僅僅停留在高校與實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)逐漸步入人們的生活之中，潛移默化的改變著人們的用電習(xí)慣。交通行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、電器行業(yè)已經(jīng)廣泛開(kāi)始使用無(wú)線電技術(shù)的產(chǎn)品，而且在我國(guó)無(wú)數(shù)科學(xué)家與學(xué)者的努力下電動(dòng)汽車(chē)的研究已經(jīng)逐漸趕超國(guó)外。1.4研究目的和意義1.4.1研究目的本文主要利用礦床理論自動(dòng)分析、軟件自動(dòng)仿真與礦床實(shí)驗(yàn)自動(dòng)驗(yàn)證相有機(jī)結(jié)合的技術(shù)方法對(duì)上述新型煤礦井下磁場(chǎng)電耦合諧振式無(wú)線電能信號(hào)傳輸控制系統(tǒng)可能存在的一些問(wèn)題進(jìn)行展開(kāi)深入研究。研究得到徑向移動(dòng)偏移、角度偏移、軸向移動(dòng)距離對(duì)發(fā)射傳輸線圈效率的波動(dòng)影響控制規(guī)律,提出接收線圈角度偏移時(shí)的線圈效率波動(dòng)優(yōu)化控制方法,為深入優(yōu)化無(wú)線電能源與傳輸控制系統(tǒng)的發(fā)射傳輸線圈效率優(yōu)化提供重要理論技術(shù)支撐;深入研究發(fā)射傳輸線圈距離與接收線圈長(zhǎng)度半徑之間的波動(dòng)關(guān)系對(duì)發(fā)射傳輸線圈效率的波動(dòng)影響控制規(guī)律以及狹義發(fā)射接收線圈與發(fā)送接收器的線圈長(zhǎng)度半徑之間的波動(dòng)關(guān)系對(duì)發(fā)射傳輸線圈效率的波動(dòng)影響控制規(guī)律,為正確設(shè)計(jì)接收線圈半徑結(jié)構(gòu)及根據(jù)接收線圈半徑尺寸大小確定有效率的傳輸線圈距離標(biāo)準(zhǔn)提供理論參考。1.4.2研究意義煤礦井下環(huán)境非常復(fù)雜,許多的電氣設(shè)備都是可移動(dòng)的,傳統(tǒng)的導(dǎo)線供電方式限制了電氣設(shè)備的移動(dòng)范圍,電池的供電能力差,續(xù)航時(shí)間短,且井下嚴(yán)禁打開(kāi)隔爆外殼更換電池,因此煤礦井下生產(chǎn)的移動(dòng)性和安全性都對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)有極大的需求。將無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用在煤礦井下能夠使設(shè)備擺脫電力線的束縛,提高移動(dòng)設(shè)備的靈活性與穩(wěn)定性,提高監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平,改善電池供電的穩(wěn)定性及續(xù)航能力。同時(shí)也可以解決工作面上隅角瓦斯傳感器的供電問(wèn)題,提高便捷式瓦斯氣體檢測(cè)儀的持久工作能力。特別是在災(zāi)難發(fā)生后能夠使無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題得以解決,對(duì)被困人員的定位、救援以及搶險(xiǎn)救災(zāi)有著非常重要的作用。另外,無(wú)線網(wǎng)和電能數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用也已經(jīng)使得含蓄量鋰電池的井下隔爆電氣設(shè)備不能及時(shí)打開(kāi)塑料外殼從而更換含蓄電池以及不能在井下進(jìn)行充電的安全問(wèn)題已經(jīng)得以有效解決,方便了我國(guó)煤礦井下開(kāi)采電氣設(shè)備的日常維護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理,減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用,降低了了煤炭井下開(kāi)采運(yùn)營(yíng)成本,將顯著大大提高我國(guó)煤礦井下安全燃煤生產(chǎn)的電氣技術(shù)質(zhì)量保障,提升礦山開(kāi)采的安全性、便捷性1.5主要研究?jī)?nèi)容本篇論文主要對(duì)磁耦合諧振技術(shù)進(jìn)行了模型分析和井下移動(dòng)式無(wú)線充電模型，工作內(nèi)容如下所示：第一章：緒論。主要闡述了本課題的研究背景和意義，以及可靠性的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和無(wú)線電能傳輸方式的選擇。第二章：磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型分析。本章介紹了磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的組成和工作原理。第三章：井下移動(dòng)式能量傳輸系統(tǒng)模型。本章主要分析了井下物理環(huán)境和井下電磁波的傳播特性，借此創(chuàng)建了井下移動(dòng)式能量傳輸系統(tǒng)模型。第四章：無(wú)線電能傳輸實(shí)物制作。本章介紹了如何根據(jù)電磁感應(yīng)原理實(shí)際制作一個(gè)可操作性的無(wú)線電能傳輸實(shí)物。第五章：結(jié)束語(yǔ)。本章對(duì)本文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)后續(xù)的研究工作進(jìn)行了展望。第二章磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型分析本章充分利用等效散射電路結(jié)構(gòu)理論、耦合模擬器理論以及等效散射電路理論對(duì)磁場(chǎng)電耦合諧振式無(wú)線電能信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析;本章提出了一種煤礦井下電線非對(duì)稱矩形線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線電能信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型;本章給出了四種不同拓?fù)渚€圈結(jié)構(gòu)無(wú)線電能數(shù)據(jù)傳輸信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)輸出利用功率及系統(tǒng)傳輸利用效率計(jì)算公式;本章針對(duì)一種具有兩個(gè)隔爆電路外殼的、中繼電路線圈的、兩個(gè)帶負(fù)載的磁場(chǎng)電耦合諧振式無(wú)線電能信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析,并分別給出了四種相應(yīng)的系統(tǒng)傳輸利用效率及系統(tǒng)輸出利用功率的基本計(jì)算公式。本章所需要做一切工作都將為后面論文對(duì)無(wú)線非對(duì)稱導(dǎo)電線圈整體結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)電耦合諧振式無(wú)線電能信號(hào)傳輸控制系統(tǒng)的理論研究發(fā)展提供了新的理論實(shí)踐基礎(chǔ)。2.1磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)2.2.1系統(tǒng)的組成標(biāo)準(zhǔn)的四線圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸有以下這幾個(gè)部分組成：高振頻率電源、源頭線圈、獲取線圈、承載線圈以及承載。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖如圖2.1所示。在實(shí)際的系統(tǒng)中為了使四個(gè)線圈具有相同的諧振頻率，一般需要對(duì)線圈進(jìn)行電容補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)不同的線圈補(bǔ)償不同的電容值使各個(gè)線圈具有相同的諧振頻率，以保證系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。圖2.1磁耦合共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖2.2.2系統(tǒng)工作原理磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理是源線圈將高頻電源的電能發(fā)射磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型分析出去，并耦合到發(fā)射線圈中，因?yàn)榘l(fā)射線圈與接收線圈具有相同的諧振頻率，能量在收發(fā)線圈之間以耦合諧振的方式進(jìn)行髙效傳遞，接收線圈內(nèi)的能量通過(guò)耦合的形式傳遞至負(fù)載線圈，最后傳遞至負(fù)載設(shè)備。電路理論的諧振包括串聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振電路，主要是發(fā)生具有相同諧振頻率的線圈之間，能量通過(guò)電磁場(chǎng)在諧振體之間進(jìn)行高效傳輸。（1）串聯(lián)諧振分析交流串聯(lián)電路,將串聯(lián)電阻電路R及、電容電阻Ｃ與電感電阻L進(jìn)行串聯(lián)之后,如果，那么電容R為這段串聯(lián)電路的輸出阻抗,此時(shí)也就直接組成了電路串聯(lián)諧振。圖2.3所示為一個(gè)串聯(lián)射頻諧振控制電路。圖2.3串聯(lián)諧振電路高頻電源的頻率不同，電路的感抗和容抗也不同，在利用相量法分析串聯(lián)諧振電路時(shí)，電路的輸入阻抗可以表示為：(2.1)串聯(lián)諧振電路的頻率特性為：(2.2) (2.3)假設(shè)在電源角頻率為時(shí)電路的感抗和容抗完全抵消，也就是,即。此時(shí)，且與同相。因此，只有電路的固有頻率與高頻電源的頻率相等時(shí)，串聯(lián)電路才出現(xiàn)諧振。在電路發(fā)生諧振時(shí)，電路的輸入阻抗最小，值為,此時(shí)電路的電流最大，即為： (2.4) 在工程上經(jīng)常將稱為電路的品質(zhì)因數(shù)Q，即： (2.5)整流電感和穩(wěn)壓電容的端子和電壓與品質(zhì)因數(shù)比值q之間的函數(shù)關(guān)系公式可以通過(guò)表示形式為: (2.6) 從上述公式2.6可以明顯看出,當(dāng)Q>1時(shí),電容和穩(wěn)壓電感兩端將可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)比高q倍的電流過(guò)電壓。利用這一特殊性質(zhì),在諧振輸入能量信號(hào)傳輸時(shí)刻就可以直接獲得較大的突出輸入能量信號(hào)。在諧振狀態(tài)下，電阻R的端電壓為： (2.7)從上述公式2.7可知,串聯(lián)電源諧振控制電路中在發(fā)生諧振時(shí)所在電阻上的振蕩電壓與并聯(lián)電源上的電壓基本相等。（２）并聯(lián)諧振并聯(lián)電路諧振集成電路主要是由一個(gè)電感電容l、電阻電容r和去耦電容c進(jìn)行并聯(lián)而得組成。圖2.4所示為一個(gè)并聯(lián)射頻諧振控制電路。圖2.4并聯(lián)諧振電路 只有在公式2.8成立時(shí)，并聯(lián)電路才會(huì)發(fā)生諧振。 (2.8) 由通過(guò)計(jì)算可以得到電路發(fā)生諧振時(shí)的角頻率和頻率為： (2.9)其中，頻率稱為電路的固有頻率。在諧振狀態(tài)下，并聯(lián)諧振電路的輸入導(dǎo)納值最小，即: (2.10)此時(shí)，端電壓值達(dá)到最大，即為： (2.11)對(duì)于并聯(lián)諧振而言，由于諧振狀態(tài)下，并聯(lián)諧振也稱電流諧振。 (2.12) (2.13)式中，Q為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)。 (2.14)在外部諧振效應(yīng)發(fā)生時(shí),電容與外部電感可以進(jìn)行內(nèi)部能量相互交換,且可以達(dá)到完全能量補(bǔ)償。但是在諧振工程上經(jīng)常用到的如下下圖2.5所示的并聯(lián)諧振集成電路,也就是將諧振電感與其他電阻進(jìn)行串聯(lián)之后再與其他電容并聯(lián)的一種諧振集成電路。圖2.5工程中常用的并聯(lián)諧振電路2.2系統(tǒng)能量傳輸過(guò)程分析圖2.2兩線圈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能量傳輸示意圖圖3.2所示為磁通電耦合諧振式無(wú)線電能信號(hào)傳輸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端部分組成。當(dāng)高頻調(diào)制信號(hào)源位于輸入端的發(fā)射端調(diào)制回路的輸出電壓振蕩頻率與調(diào)制線圈的自諧振振蕩頻率相同時(shí),發(fā)射端調(diào)制回路也就進(jìn)入了自諧振振蕩狀態(tài),回路輸出電流可以達(dá)到最大電流值。發(fā)射電容線圈被電流激發(fā)出并產(chǎn)生交變的交流磁場(chǎng),交變后的磁場(chǎng)在發(fā)射電容內(nèi)部被激發(fā)出并產(chǎn)生一個(gè)交流的變電場(chǎng)。能量在穩(wěn)態(tài)電感和極性電容之間不斷的快速相互交換。由于發(fā)射接收到的線圈在整個(gè)發(fā)射接收線圈內(nèi)所激發(fā)的有效感應(yīng)磁場(chǎng)頻率范圍內(nèi),所以發(fā)射接收到的線圈可能會(huì)因此與感應(yīng)電流耦合從而產(chǎn)生與其在發(fā)射端接收回路過(guò)程中的感應(yīng)電流波動(dòng)頻率相同的有效感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與位于接收器和線圈的固有負(fù)載諧振振蕩頻率相同,因此,接收到的線圈及其所在兩個(gè)回路也可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生諧振,回路中的電流波動(dòng)達(dá)到最大功率值,負(fù)載振蕩得到的諧振功率最大。從而有效實(shí)現(xiàn)了無(wú)線能量從內(nèi)到發(fā)射端向外到接收端的高效無(wú)線傳輸。由于高頻濾波信號(hào)源和接收負(fù)載都通常是直接并聯(lián)連接在負(fù)載電路上,這樣就可能會(huì)直接導(dǎo)致負(fù)載回路的內(nèi)部q值數(shù)值有所下降;在很多實(shí)際情況下,負(fù)載電阻的內(nèi)部阻抗數(shù)值和高頻濾波信號(hào)源的內(nèi)部電阻并不完全相等,也就是說(shuō)它和接收端的負(fù)載阻抗并不完全匹配。如果高頻接收端負(fù)載電阻的輸入阻抗比值和高頻數(shù)字信號(hào)源的負(fù)載阻抗數(shù)值可能相差很多,那么這個(gè)負(fù)載電阻分配的輸出功率就可能會(huì)相對(duì)很小。因此,為有效解決以上各種問(wèn)題,在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中,會(huì)選擇采用四邊形線圈連接結(jié)構(gòu)的積體電路板來(lái)進(jìn)行各種能量量的傳輸。如本框圖3.3所示。圖2.3四線圈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能量傳輸示意圖此時(shí),接收器的線圈內(nèi)部處于自身發(fā)射接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)頻率電流的最大磁場(chǎng)內(nèi),感應(yīng)器放出與自身發(fā)射線圈感應(yīng)頻率相同的感應(yīng)電能,此時(shí)對(duì)該電流感應(yīng)幅值最大。最后驅(qū)動(dòng)負(fù)載通過(guò)驅(qū)動(dòng)負(fù)載控制線圈自動(dòng)感應(yīng)到輸出的一定電流量并得到一定能量。由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的光電諧振驅(qū)動(dòng)頻率相同,因此,在每個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈中光電感應(yīng)器輸出的驅(qū)動(dòng)電流量和幅值頻率都會(huì)自動(dòng)達(dá)到最大的峰值,這樣進(jìn)一步大大增加了線圈電能的實(shí)際傳輸作用距離。2.3耦合模理論耦合模式的理論通常是一個(gè)指用來(lái)分析兩個(gè)或兩個(gè)以上的無(wú)線電磁波不同模式之間相互發(fā)生耦合的一般數(shù)學(xué)規(guī)律。耦合模塊化理論用于解決這個(gè)問(wèn)題的基本思路主要是:將復(fù)雜的獨(dú)立耦合物理系統(tǒng)的模分解形成為有限個(gè)小的獨(dú)立物理單元并對(duì)每個(gè)獨(dú)立物理單元進(jìn)行求約束方程,并用"簡(jiǎn)正模"公式表示,最后將復(fù)雜的獨(dú)立耦合系統(tǒng)的模理解形成為由相互獨(dú)立存在弱和強(qiáng)耦合的多個(gè)獨(dú)立物理單元間的微小干擾相互疊加而得組成,這些相互獨(dú)立的耦合單元間的弱和強(qiáng)耦合對(duì)每一個(gè)獨(dú)立單元的正常運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生微小干擾。對(duì)于井下大量的無(wú)線電能傳感器和各節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成的無(wú)線電能監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng),無(wú)論是井下無(wú)線通信處理節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集處理節(jié)點(diǎn)還是無(wú)線控制處理節(jié)點(diǎn),都非常離不開(kāi)井下電能的實(shí)時(shí)供給。但是,由于井下工作環(huán)境的這種特殊性,能量資源供給不足問(wèn)題不僅是目前制約井下無(wú)線電源監(jiān)測(cè)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的一大瓶頸,同時(shí)也是井下無(wú)線電源供電監(jiān)測(cè)裝置的一個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題。煤礦井下電力供電系統(tǒng)巷道使用線路大多屬于復(fù)雜的大型巷道線路受限于小線路使用空間,狹長(zhǎng)巷道多向線路交叉,空間窄小,存在大量大型輕質(zhì)金屬支架、電力電纜、鋼軌、礦車(chē)和各種超大型高速低功率礦用動(dòng)力電氣設(shè)備等,干擾源相對(duì)密集,造成了巷道線路內(nèi)的電磁干擾嚴(yán)重,電磁干擾作用環(huán)境下的線路能量傳輸值和數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)衰減嚴(yán)重。此外,井下的安全爆炸防爆傳輸技術(shù)也有要求,使得安全防爆能量發(fā)射傳輸系統(tǒng)發(fā)射裝置的防爆能量傳輸發(fā)射功率不能顯得大于過(guò)大(最大不能盡可能大于超過(guò),否則容易直接傷害引起井下人員發(fā)生重大安全事故,因此,如何通過(guò)設(shè)計(jì)合理建立井下的可移動(dòng)式安全防爆能量傳輸發(fā)射功率傳輸系統(tǒng)控制裝置系統(tǒng),并對(duì)其相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行最終的性能優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)等也是本章的主要技術(shù)研究課題內(nèi)容以及重點(diǎn)。第三章井下移動(dòng)式能量傳輸系統(tǒng)模型3.1煤礦井下物理環(huán)境煤礦井下的道路交通運(yùn)輸巷道狹長(zhǎng),空間較大且高濕度和干燥空氣中的粉塵較大。不同類(lèi)型煤層層在巷道中其所可能含有的煤層和其他硬頁(yè)質(zhì)成巖層的不同定義結(jié)構(gòu)也不盡相同,因此其內(nèi)部主體頂板和建筑主體外部底板并不平坦,會(huì)因此反而產(chǎn)生各種不同角度的內(nèi)傾角。從整體結(jié)構(gòu)上和整體上角度來(lái)看類(lèi)似一個(gè)十分狹長(zhǎng)的不規(guī)則的圓拱形。和煤礦地面上的傳輸巷道空間大和環(huán)境復(fù)雜相比,煤礦井下的傳輸巷道具有復(fù)雜度很高,是一個(gè)類(lèi)型比較特殊的是非封閉式而且受限制的傳輸數(shù)據(jù)空間。因此在這會(huì)對(duì)整個(gè)無(wú)線電波段的傳輸速率造成較大的影響。無(wú)線電波在位于煤礦門(mén)口巷道這種特殊的隱蔽空間中進(jìn)行傳播時(shí),具有和普通地面不同的輻射特點(diǎn),總結(jié)如下：(1)室內(nèi)電磁輻射環(huán)境比較復(fù)雜。煤礦井下人行巷道本身使用空間較小。而井下組的作業(yè)技術(shù)人員和各種設(shè)備如機(jī)車(chē)等比較多,使得空間更加狹小。巷道壁上會(huì)安裝各種傳感器、井下一條作業(yè)線的人員可能會(huì)要求隨身攜帶一些移動(dòng)通信連接設(shè)備。巷道中如果集中了較多的移動(dòng)通信通訊設(shè)備,會(huì)容易導(dǎo)致堵塞井下面是電磁干擾器的現(xiàn)象還是比較嚴(yán)重。但目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有對(duì)這些煤礦井下的空氣電磁場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境研究進(jìn)行比較深入的理論研究。(2)多徑性粒細(xì)胞慢性衰落癥的復(fù)發(fā)現(xiàn)象目前仍然比較嚴(yán)重。煤礦井下工作區(qū)的主要巷道大街道路一般縱向?qū)捿^長(zhǎng)而而小巷道路橫向短,無(wú)線電波在巷道中無(wú)線電波進(jìn)行傳播時(shí),由于道與巷道壁的距離較遠(yuǎn)、巷道壁比較粗糙,無(wú)線電波通常有時(shí)會(huì)在道中穿過(guò)道的巷道壁、巷道壁的兩側(cè)頂板、底板上常常出現(xiàn)多次衰落反射,即多徑向的衰落反射現(xiàn)象。圖3.1為由井下s點(diǎn)巷道發(fā)射的無(wú)線傳輸信號(hào)在礦山煤礦井下井上巷道中進(jìn)行傳輸時(shí)。無(wú)線電波的發(fā)射能量會(huì)在經(jīng)過(guò)多次的短波發(fā)射后,不斷得到減少,從而可以使得能量傳輸?shù)降木嚯x不斷縮短。圖3.1無(wú)線電波在巷道中傳輸示意圖(3)不同電波傳輸巷道頻率的運(yùn)動(dòng)無(wú)線電波在不同傳輸巷道中雙向運(yùn)動(dòng)傳播時(shí),傳輸線的運(yùn)動(dòng)特性不同。當(dāng)一個(gè)高頻無(wú)線電波在一條沒(méi)有任何燈光照射阻礙的直線型高頻傳輸線的巷道中連續(xù)性地進(jìn)行高頻高速傳輸時(shí),如果無(wú)線電波的高速傳輸發(fā)射頻率較大,那么我們相應(yīng)地需要比較于其他發(fā)射頻率相對(duì)較低的高頻傳輸這個(gè)波段,高頻傳輸這個(gè)波段的發(fā)射頻率遞增衰減變化幅度可能會(huì)比較小。但是當(dāng)它的整個(gè)巷道頻度衰減頻率是非直線型時(shí),相比較于其他高頻和低頻率發(fā)射波段,低頻和高頻率發(fā)射波段的整個(gè)巷道頻率衰減增加幅度可能會(huì)較小。實(shí)際上在很多應(yīng)用中,巷道不同的圖形可能僅僅僅只是單一的直線型或者僅只是帶有弧形的非直線形,而是兩種不同應(yīng)用情況的一種自然圖形組合。為了有效提高其在煤礦井下的作業(yè)生產(chǎn)安全,及時(shí)無(wú)線監(jiān)控監(jiān)測(cè)煤礦井下工作人員、環(huán)境以及井下設(shè)備的運(yùn)行情況,布設(shè)了無(wú)線井下傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。為有效提高大型煤礦井下開(kāi)采的空氣安全性,井下的無(wú)線空氣傳感器以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要盡可能多的覆蓋到所有的井下工作點(diǎn)和地點(diǎn),以便更加全面的及時(shí)采集井下空氣環(huán)境和工作人員活動(dòng)信息。為了要實(shí)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)目標(biāo),需要節(jié)點(diǎn)安裝大量的無(wú)線信號(hào)傳感器和該節(jié)點(diǎn)用以進(jìn)行無(wú)線信息的實(shí)時(shí)采集。因此,無(wú)線測(cè)量傳感器的無(wú)線分布會(huì)比較廣泛和分散,可以在井下巷道壁上、采煤挖掘機(jī)上、液壓井的支柱上或者由井下室的作業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行隨身攜帶,但是盡管總體上的無(wú)線分布還是呈現(xiàn)成絲帶狀也是分布的一種特點(diǎn)。每個(gè)無(wú)線信號(hào)傳感器中的節(jié)點(diǎn)將井上采集接收到的數(shù)據(jù)信息快遞傳給各個(gè)簇頭中的節(jié)點(diǎn),各個(gè)簇中從頭節(jié)的重點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)快遞傳給各個(gè)匯聚到的節(jié)點(diǎn),最終每個(gè)匯聚到的節(jié)點(diǎn)將采集信息再次傳遞發(fā)送到井上。因此,分散在各個(gè)井下區(qū)域的無(wú)線測(cè)量傳感器井下節(jié)點(diǎn)需要采集的海量數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過(guò)多次傳跳過(guò)程才能將這些數(shù)據(jù)從井下節(jié)點(diǎn)傳遞或送到井上。根據(jù)無(wú)線功耗傳感器針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)牟煌攸c(diǎn),其無(wú)線能耗空間分布可以呈現(xiàn)出井口的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線功耗相對(duì)比較大,而偏遠(yuǎn)地區(qū)偏僻的偏遠(yuǎn)地方的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線功耗較小的兩種特點(diǎn);以及匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線能耗比較大,普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線能耗比較小的兩種特點(diǎn)。此外,煤礦井下燃?xì)獍踩阅艿囊笙鄬?duì)較高。煤礦井下的燃?xì)饪臻g中,經(jīng)?？赡芎腥燃淄?、粉塵等有害化學(xué)氣體,濃度一旦達(dá)到超過(guò)一定污染指標(biāo),就可能會(huì)直接產(chǎn)生燃?xì)獗?嚴(yán)重威脅到了煤礦井下工作人員的財(cái)產(chǎn)生命安全。因此,無(wú)線通信電子設(shè)備的短波發(fā)射功率不能顯得過(guò)大,被嚴(yán)格限制在6w以下?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析結(jié)果可以由此得出:由于煤礦井下無(wú)線巷道用電環(huán)境比較復(fù)雜,對(duì)于井下無(wú)線電波的能量傳輸性能有較大技術(shù)影響;為了能保證安全煤礦生產(chǎn),對(duì)井下的各種用電措施設(shè)備的安全也需要有較高的技術(shù)要求。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要我們充分考慮以上幾個(gè)因素。3.2煤礦井下電磁環(huán)境特征3.2.1電磁波的傳播機(jī)制在主機(jī)發(fā)射到的天線傳送到用戶接收到的天線之間,電磁波一般可以通過(guò)不同傳播方式之間進(jìn)行雙向傳播,在井下這樣的工作環(huán)境中,電磁波一般需要擁有以下幾種方式傳播發(fā)動(dòng)機(jī)制:直射傳播電磁波:直射傳播頻率是一種近似自由基的通過(guò)空間無(wú)線輻射方式傳播的無(wú)線發(fā)射電磁波,從一個(gè)新的發(fā)射點(diǎn)不遠(yuǎn)處直線傳播慢的發(fā)射過(guò)程到一個(gè)新的接收點(diǎn)不遠(yuǎn)處,傳播快的發(fā)射過(guò)程在其中的傳播頻率會(huì)比衰減慢。反射密度波:就是當(dāng)波的電磁波密度到達(dá)一個(gè)擁有不同的波密度的兩個(gè)分界線平面時(shí),一部分反射波被密度吸收,另一部分就可能會(huì)被密度反射,所謂的密度反射就是波沒(méi)有時(shí)會(huì)發(fā)生另一半波密度損耗的反射現(xiàn)象。分界線表面之間的分子密度差異也是物體反射光測(cè)量的一個(gè)重要直接影響測(cè)量因素。散射電磁波:散射電磁波當(dāng)無(wú)線散射電磁波通過(guò)散射到達(dá)凹凸不平的普通道路或者障礙物時(shí),會(huì)自動(dòng)停止發(fā)生一個(gè)短波無(wú)線散射。繞線發(fā)射或微波:對(duì)于這種高頻率的輻射電磁波,電波束的極性、相位、幅度以及輻射障礙物的大小尺寸都直接決定著兩個(gè)電磁波之間是否可能會(huì)同時(shí)發(fā)生電波繞射或者發(fā)生反射。根據(jù)現(xiàn)代電磁波學(xué)的理論知識(shí)分析可知,當(dāng)發(fā)生障礙物的波長(zhǎng)尺寸與周?chē)ㄩL(zhǎng)的系數(shù)差不多相等長(zhǎng)度的情況時(shí)候就可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)生周?chē)@射波的現(xiàn)象,強(qiáng)度與周?chē)瓷湮锏牟ㄩL(zhǎng)數(shù)相等。3.2.2無(wú)線電波傳播中的損耗與效應(yīng)在我國(guó)煤礦井下室中出現(xiàn)的主要的空氣傳播系統(tǒng)損耗與放電效應(yīng)可以表現(xiàn)為大致如下圖的幾個(gè)主要方面。路徑電波傳播功率損耗:主要定義指的也就是一個(gè)電磁波在一定空間路徑傳播時(shí)的功率損耗,其中的數(shù)值主要反應(yīng)了一個(gè)電磁波在一個(gè)宏觀上同時(shí)接收相關(guān)信號(hào)的平均值和電流水平變化趨勢(shì)?？旃馑偎ヂ涔β蕮p耗：它主要是因?yàn)槎鄰叫?yīng)傳播而產(chǎn)生的輻射功率衰落，反映微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化帶來(lái)的損耗，一般遵從瑞利分布或萊斯分布，其變化率比慢衰落快，故稱為快衰落。慢光速衰落輻射效應(yīng):一般指的為這是一種電磁波在直接發(fā)射與受到接收之間因?yàn)槲⒉ň嚯x的巨大變化等而產(chǎn)生的慢衰落。主要頻率指的也就是它在接收微波信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)中的峰值長(zhǎng)度隨時(shí)間緩慢發(fā)生變化。當(dāng)加速衰落區(qū)域包括強(qiáng)光電磁波反射受到強(qiáng)光障礙物的反射遮擋時(shí)所形成的線性陰影反射區(qū),此時(shí)的慢加速衰落過(guò)程可以被稱為線性陰影區(qū)慢衰落。其平均值主要反映了輸出中等電波長(zhǎng)度頻率范圍內(nèi)幾百個(gè)不同波長(zhǎng)或數(shù)量級(jí)的無(wú)線接收器或電源其平均值數(shù)所引起的正態(tài)損耗,一般認(rèn)為符合它的對(duì)數(shù)正態(tài)損耗分布。多徑方向效應(yīng):它所指的也就是在一個(gè)信道中由于發(fā)生電磁波多徑方向傳輸這一現(xiàn)象從而導(dǎo)致的一種干涉性信道時(shí)延運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。在位于煤礦加工巷道這樣的一個(gè)電磁波能量傳播大的環(huán)境,存在大量電磁散射、繞組輻射以及電磁反射,導(dǎo)致這些電磁波的輻射能量、時(shí)延、相位、幅度等因素發(fā)生了巨大變化。各項(xiàng)合成分量之間的相互關(guān)系也可能會(huì)不斷隨合成時(shí)間軸的變化而發(fā)生變化,關(guān)系的不斷變化也可能會(huì)直接導(dǎo)致分量合成場(chǎng)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)變化,使分量信號(hào)沿不同合成路徑隨機(jī)傳播而達(dá)到不同接收端,接收端進(jìn)行接收后得到的分量信號(hào)其實(shí)也就是多個(gè)分量信號(hào)的合成矢量和。由此可見(jiàn),多徑輻射效應(yīng)研究是如何導(dǎo)致粒子衰落的一個(gè)重要影響因素。陰影快速發(fā)射衰落效應(yīng):就是當(dāng)光線發(fā)射出的電磁波段在光線傳播途中或者傳播出現(xiàn)一些意外或者情況發(fā)生時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致一個(gè)光線反向傳輸電磁信號(hào)發(fā)射路徑被光線外力直接阻擋而阻止光線發(fā)射形成半半的的小盲區(qū),這個(gè)半半的小盲區(qū)就真的可以被簡(jiǎn)稱為光線反向發(fā)射電磁場(chǎng)光線發(fā)射出的陰影,與光線發(fā)射出的太陽(yáng)光被發(fā)射光線外力阻擋時(shí)所發(fā)射產(chǎn)生的反電磁場(chǎng)反向陰影發(fā)射效應(yīng)非常類(lèi)似,會(huì)直接影響導(dǎo)致光線發(fā)射電磁信號(hào)的快速發(fā)射衰落。時(shí)延擴(kuò)展:由多徑輻射效應(yīng)分析可知,電磁波有時(shí)會(huì)隨著不同的時(shí)延路徑連續(xù)傳播。因各個(gè)到達(dá)路徑時(shí)延長(zhǎng)度不同從而可以導(dǎo)致各個(gè)電磁波進(jìn)入信號(hào)源的到達(dá)時(shí)延出現(xiàn)一定時(shí)間差的這稱為到達(dá)時(shí)延誤差效應(yīng)。由這種擴(kuò)展現(xiàn)象可以導(dǎo)致一個(gè)接收時(shí)延信號(hào)的兩個(gè)脈沖時(shí)延寬度連續(xù)擴(kuò)展即為時(shí)延寬度擴(kuò)展,其還原值可以精確定義成作為一個(gè)傳輸信號(hào)時(shí)延最大與最小值的差的比值,是一種衡量多徑時(shí)延效應(yīng)的重要測(cè)量指標(biāo)。3.3無(wú)線電能傳輸井下應(yīng)用模型在煤礦井下這種空間狹小、環(huán)境復(fù)雜的情況下，本文擬將無(wú)線電能傳輸裝置的發(fā)射端安裝在煤礦井下周期性移動(dòng)的設(shè)備上，例如機(jī)車(chē)、猴車(chē)等，而將接收裝置安裝在需要充電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上。因?yàn)橛糜谶\(yùn)輸煤炭的機(jī)車(chē)、運(yùn)輸人員的猴車(chē)等移動(dòng)設(shè)備會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在煤礦井下的生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)位置，其活動(dòng)范圍可以覆蓋到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。因此，利用安裝在機(jī)車(chē)和猴車(chē)上的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)送裝置，可以不斷的給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電能補(bǔ)充，提高無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力，從而保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3.4所示。圖3.4井下無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用模型示意圖第四章4.1材料9V直流電源、22k電阻、2N2222A三極管、5W-白光-6500K節(jié)能燈、1.2mm初級(jí)線圈兩圈、0.25mm次級(jí)線圈350圈。2N2222A三極管是一種NPN型小功率三極管。4.2電路圖圖4.1無(wú)線電能傳輸電路圖簡(jiǎn)易的功能實(shí)現(xiàn)電路圖如圖4.1所示。4.3工作原理通過(guò)將次級(jí)振蕩線圈回路中的電壓感應(yīng)器和電流信號(hào)引入連接到初級(jí)信號(hào)振蕩線圈回路中,使得初級(jí)振蕩回路的最低諧振振蕩頻率可以鎖定于達(dá)到次級(jí)振蕩線圈的最高諧振振蕩頻率,從而有效維持回路振蕩。4.4實(shí)物圖圖4.2無(wú)線電能傳輸實(shí)物圖最終成果如圖4.2所示。4.5成果展示圖4.3功能展示最終成果功能展示如圖4.3所示。節(jié)能燈在靠近次級(jí)線圈時(shí)，未連接電路發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電能傳輸。

第五章結(jié)束語(yǔ)5.1本文總結(jié)無(wú)線電能傳輸技術(shù)有著便捷安全的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域、生活領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、交通領(lǐng)域有著不可忽視的作用與潛力。它避免了傳統(tǒng)電線的摩擦破損的缺點(diǎn)，不易引起火災(zāi)。不需要架設(shè)電線，節(jié)省了大量人力成本和經(jīng)濟(jì)成本，更不需