基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置的制作方法

本发明涉及一种井下充电设备，特别涉及一种基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置。

背景技术：

目前，诸如煤、石油和天然气等能源在我国的建设发展上起着重大作用，并且我国对能源的需求越来越大，在资源有限的情况下，为了提高资源的开采效率，矿业生产上广泛的使用现代电子设备，尤其是在矿下，例如油井下用的温度监测系统、通信系统、油井智能监测系统和油田分层注水的配水器等，大量使用电子设备以获取矿下信息和对设备进行控制，进而制定先进科学的技术方案提高开采效率。

通常，采矿一般需要几年甚至几十年的时间，电子设备的工作除了要克服电磁干扰问题，还有就是由于长期工作带来的能源问题。

电子设备的供电方案有两种形式；一种是有线式，有线式供电需要电子设备与地面上的电源通过电缆连接，并且传输及时信号对设备进行充电控制。这种方式需采用电缆，故会大大增加运行成本，并且随着井深度的增加成本会更高；电缆长时间在井下还需定期更换，更使成本不断增加。

另一种是无线式，井下设有预装电池，当电池即将用完电时，则向地面发出信号，通知地面人员充电，工作人员下放平面线圈对其进行无线充电。无线式充电减少了电缆的使用，目前采用的是平面线圈耦合式技术，但是由于平面线圈耦合式无线充电的充电效率对发射线圈和接收线圈放置的相对位置要求较高，如果两线圈没有平行或者正对、或者距离不合适，充电效率则会大幅降低，这样将大大延长充电时间和增加电能损耗，并且已有装置的充电功率较小；总之现有的充电装置的成本较高、其效率和功率均较低。

因此，提供一种设计合理，性能安全可靠，成本低，工作效率高的基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置，是该领域技术人员亟待解决的难题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术上的不足之处，提出一种结构简单，设计合理，应用简便，性能安全可靠的低成本、高效率的基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置。

为了实现上述目的本发明采用的技术方案是：一种基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置，其特征在于该装置包括：位于地面的供电电源、电能逆变系统、电能发射器与电能接收器、整流器及储能机构；

所述供电电源位于地面，使用直流电源，采用车载电源或大容量锂电池；所述电能逆变系统包括一个三相逆变器和一个信号控制单元；其中三相逆变器输入端与供电电源相连，将直流电转换为交流电；信号控制单元包括一个高性能数字信号处理器，该数字信号处理器将产生三相逆变器中开关管的控制信号，产生的信号使得三相逆变器中产生三相电流，该电流通入发射线圈产生旋转磁场；

所述电能发射器与电能接收器，即各组电能发射线圈和各组电能接收线圈；所述三相逆变器的输出端连接电能发射线圈输入端；所述发射线圈放置时，其所在平面各相差120°且中心相交；所述接收线圈与发射线圈产生的磁场耦合，发射线圈中的磁场旋转时，接收线圈中产生电流，接收线圈的输出端与整流器的三相输入端连接，整流器的输出端与储能机构的正负极连接，整流器将电流整理后输入到储能机构；所述储能机构部分使用可充电锂电池/超级电容，或超级电容与锂电池的混合装置以提高能量储存速度和储量。

所述发射线圈与接收线圈分别每组各设置三个，发射线圈和接收线圈分别设置1组～4组。

所述发射线圈外侧加设叠成硅钢片，即硅铁合金；硅钢片的截面形状是以发射线圈的宽为直径的圆，其厚度范围是0.5mm～1mm，较佳值为0.65mm；将硅钢片多层相叠，叠成的高度与发射线圈的高度一致，并且每层之间使用绝缘胶涂层隔开。

所述接收线圈外侧加设叠成的硅钢片，即硅铁合金；硅钢片为圆环形的片状，其厚度范围是0.5mm～1mm，较佳值为0.65mm；硅钢片外径比管壁稍小，圆环宽度范围是3mm～10mm，较佳值为5mm，实际使用中硅钢片将接收线圈包围即可。

所述发射线圈外侧与接收线圈内侧设有固定凸台，即在发射线圈外侧与接收线圈内侧设有两个对称凸出的长方体硬质塑料结构，该结构可在装置运行时具有抵消磁场力的作用；另外所述发射线圈通过设有的连接机构与缆绳连接；所述连接机构上部为水平的管状体，中心垂直向下为圆柱体，垂直向下的圆柱体底部设有定位每组三个发射线圈的六个分叉，发射线圈嵌入在分叉中定位。

所述发射线圈、接收线圈以及应用的电子设备的电气连接处设有防水材料涂覆层，并在电子设备的外部使用防水材料做成盒体加以保护。

所述发射线圈和接收线圈放置时各组线圈所在平面各相差120°且线圈中心相交；发射线圈与接收线圈同相线圈平行。

所述信号控制单元包括高性能数字信号处理器DSP芯片或32位单片机。

该装置使用磁场方向控制技术产生旋转磁场来进行无线能量传输，储能机构部分使用可充电锂电池/超级电容，或超级电容与锂电池的混合装置，可充电锂电池/超级电容或超级电容与锂电池的混合装置称为储能机构。工作时下放电能发射器装置，下放时既可以将电能发射器单独下放，也可将电能逆变系统与电能发射器集成在一起下放；直到与电能接收器处于同一高度，此距离可由需要充电设备的深度确定。在电能发射器被下放的过程中，通过检测工作电流的大小来确定电能发射器下放的最佳位置。电能逆变系统将直流电能逆变成特定大小和频率的交流电(或将低频交流电升频)通入发射线圈，将电能传输给无线电能接收线圈，接收线圈中的电能经整流器后送入储能机构；完成充电后可将充电装置提升到地面。

本发明的有益效果是：本发明装置不仅解决了给电子设备有线式充电存在的大大增加成本的问题，也克服了现有无线式充电由于线圈位置问题导致的充电效率大幅降低的缺点，并能提供更大的功率；而且采用磁场定向技术，对电能的传输功率的控制更加简便；充电的操作和使用也更简单；该装置结构还可通过增设接收线圈的方式增大传输效率和功率；使用大容量电容可加快充电速度、提高充电电压稳定性和增大电能储量，以使设备单位充电次数的使用时间更长。

本发明技术方案运用综合实力的发展与密切相关的无线电能传输技术、磁场定向技术、电能控制技术、储能技术相结合的探索；由于其简便性、较低的成本和对比其它技术方案具有非常明显的优势，并且在我国对能源开采效率要求的不断提高，对井下电子设备使用量剧增的情况下，该装置具有非常广阔的应用前景。

总之，本发明方法结构简单，设计合理，应用简便，性能安全可靠，具有突出优势；该装置应用效果非常显著。

附图说明

图1是置于井下的本发明非接触式充电装置整体结构西南等轴侧示意图；

图2是置于井下的本发明非接触式充电装置局部结构俯视示意图；

图3是本发明电能传输方向方框示意图；

图4是本发明中电路连接原理图；

图5是本发明磁场定向技术原理图；

图6是本发明中的固定凸台与连接机构局部结构示意图；

图中：1管壁，2管道，3电能发射器，4电能接收器，5电子设备，6固定凸台，7连接机构，8供电电源，9电能逆变系统，10整流器，11储能机构。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：

如图1～图6所示，一种基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置，该装置包括：位于地面的供电电源8、电能逆变系统9、电能发射器3、电能接收器4、整流器10及储能机构11。

所述供电电源位于地面，为了使装置的应用更加易于携带，使用直流电源，采用车载电源或大容量锂电池；所述电能逆变系统9包括一个三相逆变器和一个信号控制单元；其中三相逆变器输入端与供电电源8相连，将直流电转换为交流电，该电能逆变系统可以放置在地面，也可以随发射器被下放至井内；信号控制单元包括一个高性能数字信号处理器，该处理器中下载有磁场定向算法，该数字信号处理器将产生三相逆变器中开关管的控制信号，产生的信号使得三相逆变器中产生三相电流，该电流通入发射线圈产生旋转磁场。

所述电能发射器3与电能接收器4，即各组电能发射线圈和各组电能接收线圈；所述三相逆变器的输出端连接电能发射线圈输入端；所述发射线圈放置时，其所在平面各相差120°且中心相交，用作电能发射器，如图1所示。所述接收线圈与发射线圈产生的磁场耦合，接收线圈中产生电流，接收线圈的输出端与整流器的三相输入端连接，整流器10的输出端与储能机构11的正负极连接，整流器10将电流整理后输入到储能机构；即利用磁场方向控制技术产生旋转磁场来进行无线能量传输，将能量从发射线圈传输到接收线圈并储存在储能机构11中，所述接收线圈的两端经过整流器10与充电锂电池的正负极相连，每个发射线圈两端通过三相逆变器与地面的供电电源8相连。所述储能机构11部分使用可充电锂电池，并且在锂电池外并联一个大电容以提高能量储存速度和充电电压稳定性。

参见图1、图2，图中示出井内管壁1，管壁1内侧设有管道2，管道2底部外侧与电子设备5相邻。其中，管壁1一般采用金属材料，为了减小涡流损耗，可在接收线圈外侧加上叠成的硅钢片。管道2用于通过电线、输水或导入其它物质，图中的接收线圈每组为三个，其两端通过三相整流器10接于储能机构11上；发射线圈同样每组是三个，工作时每个线圈平面相差120°，发射线圈通过三相逆变器与直流电源相连，三相逆变器的控制信号由数字信号处理器发出。三相逆变器、电源和下放的机械装置具体连接方式参考电路原理图4。另外发射线圈在磁场中受到一定力的作用，需加设固定凸台6抵消磁场力的作用，在装置进行充电时，其结构将会把发射线圈卡住，以抵消磁场力。电池充电时，只用到三相逆变器、发射线圈、接收线圈与储能机构；充电完成后取回充电装置。

所述电能发射器3与电能接收器4，即各组电能发射线圈和各组接收线圈，实际使用时线圈的组数可设为1组、2组、3组或4组；每组发射线圈和每组接收线圈均为三个，以下以使用一组线圈为例进行具体说明。

为了配合充电装置，井下电子设备5的电源使用可充电锂电池和大容量电容模块一起组成的储能机构11。电能接收器4由三个绕制的接收线圈构成，绕制的方向都为逆时针方向，使用宽度比井下管壁1直径小5mm～10mm的接收线圈，以增大互感系数，接收线圈放置的方向为竖直放置。为了清楚理解以下使用竖直放置接收线圈的方式进行设计。接收线圈的两端经过整流器与充电锂电池的正负极相连组成电能的接收装置。需对电能接收器4进行防水等保护措施后连接在电子设备5上。发射线圈绕制成圆形或方形的线圈，其绕制方向也是逆时针方向；其大小较接收线圈稍小，方便电能发射器3下放，发射线圈的面可以稍微弯曲，也是竖直放置。每个发射线圈两端通过三相逆变器与地面的供电电源相连，并且发射线圈放置时，发射线圈所在平面各相差120°且中心相交，用作电能发射器3，电能发射器3同样需进行防水。对于三相逆变器，它由外部电源直接供电，使用磁场定向技术，最终在高性能数字信号处理器DSP芯片采用型号TMS320F28335中计算并发出的脉宽调制信号实现对三相逆变器中开关管的控制。

参见图3，本发明电能传输方向顺序是直流电源，电能逆变系统，电能发射器，电能接收器，整流器，储能机构。

直流电源中的电能使用磁场定向技术通过电能逆变系统9转换成特定的高频交流电供给发射线圈，发射线圈中的高频电流产生磁场，发射线圈产生的合成磁场沿水平面高速旋转，处于旋转磁场中的接收线圈感应出一定频率的电流，经过整流器10变成直流电给储能机构11充电。

参见图4，本发明中电路连接电源的正负极分别对应接三相逆变器输入端正负极，三相逆变器的输出端接耦合线圈，耦合线圈指产生相互耦合磁场的发射线圈与接收线圈组成的整体，耦合线圈的输出端接整流器的输入端，整流器的输出端正负极分别对应接可充电锂电池输入端的正负极。

直流电源使用地面事先充好电的电池，可在野外工作。再根据磁场定向技术逆变为三相交流电，分别通入发射线圈，产生高速旋转的磁场，在接收线圈中感应出电流，该电流再经过整流器给储能机构充电。

图4中示出的主要是电路连接图，电能发射器3与电能接收器4的实际结构参见图1、图2。

实施中，为了增大无线电能的传输功率，发射线圈和接收线圈的组数可设为4组，且使用硅钢片，以适当减小磁阻。

所述发射线圈外侧加设叠成硅钢片，即硅铁合金；硅钢片的截面形状是以发射线圈的宽为直径的圆，其厚度范围是0.5mm～1mm，较佳值为0.65mm；将硅钢片多层相叠，叠成的高度与发射线圈的高度一致，并且每层之间使用绝缘胶涂层隔开。

由于磁场在旋转，为了减小涡流损耗，在接收线圈外侧加设叠成的硅钢片；所述接收线圈外侧的硅钢片为圆环形的片状，其厚度范围是0.5mm～1mm，较佳值为0.65mm；硅钢片外径比管壁1稍小，圆环宽度范围是3mm～10mm，较佳值5mm，在使用中，以硅钢片可将接收线圈包围为准。

参见图5，磁场定向技术在本发明中主要是用于产生幅值一定、绕电能发射器3中心旋转的磁场。由于每组电能发射器3由三个发射线圈组成，但是每个线圈只能产生固定方向的磁场，所以若要使磁场旋转起来，可以通过控制每个线圈的磁场，使得三个线圈的合成磁场旋转，并且合成磁场的幅值一定。具体原理参见图5，OA、OB、OC分别为ABC三相绕组产生的磁场方向，以OA为0度位置，BC依次相差120°，F是三者合成的磁场，θ是合成磁场与A相绕组磁场的角度，以逆时针方向为正；pi/3即π/3(弧度制)，对应角度制为60度。设任意时刻合成磁场的幅值为F,ABC相绕组的磁场大小为FA、FB、FC，它们在数值上有如下关系：

FA＝Fsinθ，FB＝Fcos(2π/3-θ)，FC＝-Fcos(π/3-θ)。

实际中设置F＝0.5，由于磁场是旋转的，θ从-π增加到π依次循环,可以计算出FA、FB、FC。这个过程由高性能数字信号处理器TMS320F28335中的程序实现，并且从它的PWM输出引脚输出控制信号至三相逆变器的控制信号输入端，最终三相逆变器会产生相应的电流。

参见图1、图2和图6，为了抵消线圈在磁场中受到的磁场力，对发射线圈加设固定凸台6；所述发射线圈外侧与接收线圈内侧对应设有凸出的长方体硬质塑料结构，该结构连接在硅钢片上，该结构可在装置运行时抵消磁场力的作用。另外所述发射线圈通过连接机构与缆绳连接；所述连接机构上部为水平的管状体，中心垂直向下为圆柱体，垂直向下的圆柱体底部设有定位每组三个发射线圈的六个分叉，发射线圈嵌入在分叉中定位。当发射线圈被下放至接收线圈处开始工作后，发射线圈受到磁场力的作用开始慢慢旋转，旋转到一定角度后将会被固定凸台6卡住，起到固定发射线圈的作用；发射线圈通过连接机构与缆绳连接。

另外，应用的电子设备5位于井下，长期处于湿潮或油水环境中，电子设备5和发射线圈、接收线圈要增加一定的防水设施；例如，可通过在发射线圈、接收线圈以及电子设备5的电气连接处涂上防水材料的涂覆层，并在电子设备5的外部使用防水材料做成盒体加以保护，以达到防水的目的。

为了使充电的速度更快，在可充电锂电池的两端并联一个大容量电容，其容量大小取值为0.1F～1F，电容的目的主要在于减小充电电压波动和增大充电速度，可有效提高充电电压稳定性、充电速度和储能机构储能的容量。

本发明的主要特点及工作原理：

使用时，接通供电电源，电流经过电能逆变系统逆变成可无线电能传输的高频交流电，若现场提供的电源是交流电，则将交流电进行整流变成直流电后再进行高频逆变或者将交流电直接变频。将电能发射器沿井内管壁下放，同时在条件允许时地面可以通过传感器实时监测电源的荷电状态，以便确定充电完成的时间。

三个相差120°相交放置的发射线圈作为电能发射器，应用磁场定向技术，每个发射线圈通入特定的交变电流以使三个线圈产生的磁场沿垂直于管壁轴线的平面旋转，由于接收线圈面平行于管壁轴线，所以当电能发射器与电能接收器中心处于同一水平面时，旋转的磁场相对于接收线圈快速运动，接收线圈切割磁力线产生电动势，进而产生电流，该电流经整流器后将电能储存于储能机构中。这种结构相对于一般的平面耦合式线圈具有显著的优越性，不仅系统控制起来更加简便，而且由于发射线圈产生的磁场是沿着矿井轴线旋转的，所以只要发射线圈中心和接收线圈中心处于同一水平面，电能的最大传输效率是不变的，即避免了采用两平面线圈耦合式系统在下放发射线圈时由于发射线圈和接收线圈不平行或高度不合适导致的电能传输效率大幅降低的问题；并且为了进一步提升电能传输效率，可以放置4组接收线圈并联至储能机构两端，以提升能量传输效率和功率。该装置中电池端使用了大容量电容，使得在给储能机构充电时可以有较大的充电电流，加快充电速度，同时也增大了电能的存储量和充电电压的稳定性。

应用中，接通供电电源，电流经过电能逆变器逆变成可无线充电用的高频交流电，若供电电源提供的是交流电，则将交流电进行整流变成直流电后再进行高频逆变或者将交流电直接变频；将电能的发射器(可只将电能发射器下放，也可将电能逆变系统与电能发射器一起下放)沿井内管壁下放，同时地面可以实时监测电源的荷电状态。充电结束后可取回电能发射器，或继续下放对其余电子设备的储能机构进行充电。

上述参照实施例对该基于旋转磁场的井下电子设备非接触式充电装置进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的；因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。