矿用非对称磁耦合谐振无线电能传输关键技术研究
批准号:
52074305
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
田子建
依托单位:
学科分类:
安全科学与工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
田子建
中文摘要
磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)是目前主流的无线电能传输技术,地面已经被广泛应用,但目前MCR-WPT在煤矿井下尚无成功应用,主要瓶颈是:电气防爆、金属外壳对近场谐振电磁波的屏蔽和矿用MCR-WPT线圈的非对称要求等。MCR-WPT依靠线圈间电磁波谐振耦合来实现能量传递,传输功率越大,需要谐振电路的储能元件容量越高,达到本质安全型要求的难度越大,而如果是隔爆型,却又面临着金属外壳对近场谐振电磁波的屏蔽问题。针对存在的问题,本项目研究矿用MCR-WPT等效电路储能和放电;研究利用低频谐振环磁负电磁超材料介质板透窗对线圈间谐振耦合场的增强;井下电气设备形状体积差异大,研究非对称导致MCR-WPT出现频率分裂和传输效率急剧下降的原因和弥补措施;为了评估和降低大功率矿用MCR-WPT对巷道中矿工的电磁辐射和其他弱电系统的电磁干扰,研究隔爆外壳对大功率矿用MCR-WPT泄露电磁辐射的屏蔽。
英文摘要
Magnetic coupled resonant wireless power transfer (MCR-WPT) is the mainstream wireless power transfer technology which has been widely applied on the ground, but it has not been applied in coal mine at present. The main technical bottlenecks of the application are electric explosion protection, shielding near field resonance electromagnetic wave with metal shell and asymmetrical requirements of coils applied in coal mine. The MCR-WPT realizes energy transmission relied on electromagnetic wave resonance coupling between coils. The capacity of energy storage elements increase with the increase of the power, and it is more difficult to meet the requirements of intrinsic safety in coal mine. If it is flameproof equipment, there will be shielding problem of metal shell to near field resonance electromagnetic wave. The project will study the energy charge and discharge for MCR-WPT in coal mine. And the enhancement of resonance coupling field is studied by the plate focusing effect of low frequency resonant ring magnetonegative electromagnetic metamaterials. The shape and volume of underground electrical equipment are quite different, and the reasons of frequency splitting and sharply decline of transmission efficiency caused by asymmetry is studied and corresponding remedy measures are proposed. The shielding problem of metal shell on near field resonance electromagnetic wave is analyzed to evaluate and reduce the electromagnetic radiation to the miners and electromagnetic interference to other weak current systems.
由于煤矿井下有瓦斯等爆炸性气体,无线电能传输WPT设备发射的电磁波能量有可能与煤矿井下金属结构形成谐振,金属结构上的电磁波能量在刮擦放电情况下释放会形成引燃瓦斯的安全隐患,为避免射频天线发射电磁波能量在爆炸性气体环境的安全隐患,《GB/T 3836.1-2021 爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求》中明确规定在煤矿井下瓦斯气体环境中射频天线的输出功率不得超过6瓦,上述限制对于绝大多数无线电能传输系统是无法接受的,地面工业领域应用的绝大多数WPT设备的输出功率都是超过6w的,因此截止目前没有任何WPT设备被应用于煤矿井下。.由于煤矿井下是爆炸性环境,非本质安全型电气设备需配备防爆外壳,煤矿井下电气设备防爆外壳使无线电能传输设备的发射端和接收端无法严格对准,煤矿井下无线电能传输的特殊性决定了无线电能传输要在煤矿井下的应用,首先需要研究解决无线传能全向耦合问题。.目前MCR-WPT在煤矿井下尚无工业化应用,需要解决的关键问题主要包括:(1)本项目研究利用低频谐振环磁负电磁超材料介质板透窗对线圈间谐振耦合场的增强,解决隔爆外壳对电磁波的屏蔽,据此提出矿用无线电能传输系统组成结构,为研究矿用电能传输系统的提供基础;(2)研究无线电能传输全向耦合,以解决金属外壳对近场谐振电磁波的屏蔽和矿用MCR-WPT线圈的非对称要求;(3)研究并提出矿用无线电能传输系统频率分裂抑制和自适应阻抗匹配方法,以解决矿用非对称无线电能传输系统的频率调节和功率控制问题;(4)研究并提出矿用无线电能传输系统等效储能和放电模型,为评价无线电能传输设备输出电磁波能量的安全性提供基础。.项目进展顺利,取得了预期成果,本项目第1标注公开发表论文被SCI检索16篇,EI检索23篇;出版专著1部。本项目研究成果为煤矿井下爆炸性环境下无线电能传输应用奠定了重要基础,为无线电能传输系统在爆炸性环境的应用研究提供了参考和研究思路。
矿井TOA定位的误差抑制及位置估计关键技术研究
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批准号:51674269
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2016
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负责人:田子建
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依托单位:
煤矿井下电磁波安全性研究
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批准号:U1261125
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2012
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负责人:田子建
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依托单位:
国内基金
海外基金