一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电系统及方法

一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电系统及方法，用于煤矿井下电机车蓄电池充电。该系统包括原副边可分离的松耦合变压器、辅助搬运的机械臂及抓手、整流装置及电网电源。该方法使用搬运机械臂将与充电站相连的松耦合变压器原边线圈及铁芯精确连接至与电机车尾部的副边线圈及铁芯上，通过整流装置将电网电源的交流电整流为直流电对电机车蓄电池进行充电。该发明安全性高，可靠性强，使用寿命长，充电效率高，操作简单，简化了充电过程，适用于井下恶劣的工作环境。
【专利说明】
一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于松耦合电能传输的矿用电机车充电装置及方法，涉及矿用电机车，属于矿用电机车充电领域。
技术背景
[0002]矿用电机车蓄电池是典型的井下需要有线充电的设备，作为二次能源的蓄电装置，在煤矿辅助运输过程中发挥着重要的作用，它实用范围广，存储电压效果好，是矿用蓄电池电机车的动力源，为驱动电机提供了直接的直流电源。
[0003]传统电机车充电方法一种是建立井上充电站，在电机车需要充电的时候开到井上，卸下电池进行充电，该方法准备时间长，操作繁琐，且在开到井上过程中浪费较多电能。另一种传统电机车充电方法是井下充电硐室的充电柜引出线，直接接到蓄电池正负极两端的方式进行的，这种充电方法依靠插头、插座等连接装置来实现，在一些摩擦以及裸露导线等问题的影响下导致了电火花的产生，给井下高粉尘、高瓦斯等特殊用电环境的安全性带来重大隐患。
[0004]感应耦合电能传输技术以非接触的方式，通过电磁场耦合实现电能近距离的无线传输，这种方式应用比较广。对于较短距离的传输比较有效，传输的功率范围比较广。采用该技术能够实现一次侧绕组和二次侧绕组之间的感应耦合电能传输，进而达到高效、安全以及灵活供电的目的，相比于传统的供电方式，这种电能传输技术能够有效的降低传输风险，消除了基于点对点有线电能传输供电方式的固有缺陷，主要有以下优点:
[0005]环境适应能力强:分离开了原边以及副边，形成了完全封闭的两个独立系统，外界的不良环境不会对其产生影响，例如在粉尘、煤尘、空气湿度较大的场所也可以进行安全的传输。这种传输方式不会产生碳积，不会污染环境。
[0006]安全可靠性高:在金属导体之间接触是不存在的，所以化学腐蚀、电腐蚀以及机械磨损等现象也就不会出现，这样裸露导体以及电火花都不会存在，使得系统具有较高的寿命以及可靠性，降低了对设备和人员产生的安全风险。
[0007]寿命高:由于采用了非接触的方式，也就不会出现插头损坏的现象，对于电子设备寿命的提升有积极的作用。
[0008]目前，越来越多的科研院所和企业开始进入到非接触式感应耦合电能传输技术的理论研究和应用开发中来，该技术已成为目前国内外的研究热点之一。

【发明内容】

[0009]为了克服传统矿用电机车充电时充电接头来回插拔的不便捷以及存在的漏电、电火花、接触点易磨损等问题，本发明提出了一套由松耦合变压器、机械臂为核心的矿用电机车充电系统，该系统及方法可以对矿用电机车蓄电池快速、高效地进行充电，简化了矿用蓄电池电机车的充电流程，无火花、无腐蚀、磨损少，对恶劣环境适应性强，安全系数高，提升了充电效率及安全性。
[0010]为了实现上述目的，本发明的方案是:
[0011]—种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于:包括位于煤矿井下电机车轨道旁的电机车充电站和位于矿用电机车尾部的电能接收装置，所述电机车充电站包括松耦合变压器的原边、辅助搬运的机械臂与电网电源，所述电能接收装置包括松耦合变压器的副边整流装置;所述松耦合变压器原副边可分离，原边铁芯和线圈放置于电机车充电站，原边线圈与供电电网相连接，副边铁芯和线圈固定于电机车尾部，副边线圈与整流装置的输入端相连接;所述整流装置固定于电机车尾部，输入端与松耦合变压器副边相连接，输出端与矿用电机车蓄电池相连接;所述搬运机械臂位于煤矿井下电机车轨道旁，其工作范围覆盖松耦合变压器的原边与部分电机车轨道，用于搬运松耦合变压器原边铁芯和线圈。
[0012]所述的一种基于松耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于，所述的松耦合变压器，是感应耦合电能传输技术的核心装置，松耦合变压器原边线圈接收电网的三相低频交流电，根据电磁感应原理，通过原边铁芯、铁芯间气隙、副边铁芯，在副边线圈中产生感应电流，并传输至整流装置，该松耦合变压器原副边都为三相，原副边铁芯型式为EI型，原边铁芯与线圈是单独的两个部件。
[0013]所述的一种基于松耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于，机械臂末端需加装根据松耦合变压器原边铁芯与线圈结构定制的抓手。
[0014]所述的一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于，通过感应耦合电能传输技术，将三相低频交流电从松耦合变压器原边传输至副边，并通过整流装置将副边的三相低频交流电转化为直流电，并对蓄电池进行充电，该方法的具体充电步骤为:
[0015]1、矿用电机车需要充电时，开入电机车充电站旁机械臂工作范围内；
[0016]I1、操作机械臂抓手分别抓取松耦合变压器原边线圈和铁芯，移动至副边铁芯与线圈上方与副边精确对接，将原边线圈套入副边铁芯中，将原边铁芯与副边铁芯的每一相对中；
[0017]II1、电机车蓄电池充满后，操作机械臂将松耦合变压器原边的线圈与铁芯搬离电机车尾部，完成充电。本发明的有益效果是:
[0018]1.简化了充电流程，提高了充电效率；
[0019]2.有效地提高了充电系统安全性及可靠性；
[0020]3.有效地提高了充电系统的使用寿命。
【附图说明】
[0021]图1为矿用电机车充电装置示意图；
[0022]图中序号说明:I矿用电机车、2矿用电机车蓄电池、3机械臂抓手、4整流装置、5松耦合变压器副边线圈及铁芯、6机械臂、7松耦合变压器原边铁芯、8松耦合变压器原边线圈、9电机车充电站基座。
[0023]具体实施方法
[0024]参见图1，本发明的基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法包括位于煤矿井下电机车轨道旁的电机车充电站和位于矿用电机车尾部的电能接收装置，所述电机车充电站包括松耦合变压器的原边、辅助搬运的机械臂与电网电源，所述电能接收装置包括松耦合变压器的副边与整流装置。
[0025]所述松耦合变压器原副边可分离，原边铁芯和线圈放置于电机车充电站，原边线圈与供电电网相连接，副边铁芯和线圈固定于电机车尾部，副边线圈与整流装置的输入端相连接，松耦合变压器是感应耦合电能传输技术的核心装置，松耦合变压器原边线圈接收电网的三相低频交流电，根据电磁感应原理，通过原边铁芯、铁芯间气隙、副边铁芯，在副边线圈中产生感应电流，并传输至整流装置，参见图2，该松耦合变压器原副边都为三相，原副边铁芯型式可为EE型或EI型，铁芯使用多层硅钢片叠加而成，铁芯与线圈可做成一个整体，若机械臂可搬运载荷较小，铁芯与线圈也可做成单独的两个部件。
[0026]所述整流装置固定于电机车尾部，输入端与松耦合变压器副边相连接，输出端与矿用电机车蓄电池相连接，该整流装置使用全波整流方式，交流电利用效率高，将松耦合变压器副边的感应交流电转化为直流电，对电机车进行充电。
[0027]所述搬运机械臂位于煤矿井下电机车轨道旁，其工作范围覆盖松耦合变压器的原边与部分电机车轨道，用于搬运松耦合变压器原边铁芯和线圈，可采用任意满足载荷和工作范围要求的现有机械臂，由于铁芯与线圈质量较大，选用机械臂时需要重点考虑机械臂关节能够承受的最大力矩，同时，为了满足能量传输的高效率的要求，需要机械臂满足较高的精度要求，并且机械臂的工作范围要覆盖到电机车尾部及充电站松耦合变压器原边初始位置，另外，机械臂末端需加装根据松耦合变压器原边形状结构定制的抓手。通过感应耦合电能传输技术，将三相低频交流电从松耦合变压器原边传输至副边，并通过整流装置将副边的三相低频交流电转化为直流电，并对蓄电池进行充电，该方法的具体充电步骤为:
[0028]1、矿用电机车需要充电时，开入电机车充电站旁机械臂工作范围内；
[0029]I1、操作机械臂抓手抓取松耦合变压器原边，移动至副边上方与副边精确对接，将原副边每一相的铁芯对中，当松耦合变压器原边的线圈与铁芯是分离形式时，需要分别进行抓取，该步骤中，对原副边每相铁芯的对中精度决定了松耦合变压器的电能传输效率，对中越准确，气隙越小，传输效率越高；
[0030]II1、电机车蓄电池充满后，操作机械臂将松耦合变压器原边的线圈与铁芯搬离电机车，完成充电。
[0031]在此过程中，松耦合变压器、整流装置不用进行插拔，导线完全包覆在绝缘橡胶中，仅原副边铁芯有机械接触，根据电磁原理，铁芯接触并不会产生火花，安全稳定。
【主权项】
1.一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电装置及方法，其特征在于:包括位于煤矿井下电机车轨道旁的电机车充电站和位于矿用电机车尾部的电能接收装置，所述电机车充电站包括松耦合变压器的原边、辅助搬运的机械臂(6)与电网电源，所述电能接收装置包括松耦合变压器的副边(5)与整流装置(4);所述松耦合变压器原副边可分离，原边铁芯(7)和线圈(8)放置于电机车充电站，原边线圈(8)与供电电网相连接，副边铁芯和线圈(5)固定于电机车尾部，副边线圈与整流装置的输入端相连接； 所述整流装置固定于电机车尾部，输入端与松耦合变压器副边相连接，输出端与矿用电机车蓄电池相连接;所述搬运机械臂(6)位于煤矿井下电机车轨道旁，其工作范围覆盖松耦合变压器的原边与部分电机车轨道，用于搬运松耦合变压器原边铁芯(7)和线圈(8)。2.根据权力要求I所述的一种基于松耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于，所述的松耦合变压器，是感应耦合电能传输技术的核心装置，松耦合变压器原边线圈接收电网的三相低频交流电，根据电磁感应原理，通过原边铁芯(7)、铁芯间气隙、副边铁芯(5)，在副边线圈中产生感应电流，并传输至整流装置，该松耦合变压器原副边都为三相，原副边铁芯型式为EI型，原边铁芯(7)与线圈(8)是单独的两个部件。3.根据权力要求I所述的一种基于松耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于，机械臂末端需加装根据松耦合变压器原边铁芯与线圈结构定制的抓手(3)。4.根据权力要求I所述的一种基于感应耦合电能传输的矿用电机车充电装置与方法，其特征在于，通过感应耦合电能传输技术，将三相低频交流电从松耦合变压器原边传输至副边，并通过整流装置将副边的三相低频交流电转化为直流电，并对蓄电池(2)进行充电，该方法的具体充电步骤为: .1、矿用电机车(I)需要充电时，开入电机车充电站旁机械臂工作范围内； I1、操作机械臂抓手(3)分别抓取松耦合变压器原边线圈(8)和铁芯(7)，移动至副边铁芯与线圈(5)上方与副边精确对接，将原边线圈套入副边铁芯中，将原边铁芯与副边铁芯的每一相对中； II1、电机车蓄电池充满后，操作机械臂(3)将松耦合变压器原边的线圈(8)与铁芯(7)搬离电机车(I)尾部，完成充电。
【文档编号】B60L11/18GK105958594SQ201610437891
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】孟国营, 时剑文, 汪爱明, 程晓涵, 贺凯, 刘跃, 袁文琦, 李栋, 杜岩, 孙珂, 肖雅静, 张妙恬, 冯禹, 张世斌
【申请人】中国矿业大学(北京)