基于MCR-WPT系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備工控機(jī)散熱研究

廖官根，李登帥，姚 軍，武鼎凱

(1.四川省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，成都 610202; 2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司信陽(yáng)供電公司，河南 信陽(yáng) 464000;3.中鐵二局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，成都 610031)

0 引 言

隨著民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)的發(fā)展，機(jī)電設(shè)備中的工控機(jī)在民航運(yùn)營(yíng)中變的越來越重要，特別是在機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)重要的負(fù)荷，可靠保障其用電正常[1]。并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工控機(jī)的CPU性能越來越強(qiáng)悍，發(fā)熱量也越來越大，這就需要有良好的散熱系統(tǒng)。如今越來越多的生產(chǎn)商會(huì)在工控機(jī)的機(jī)箱內(nèi)部安裝多個(gè)工控機(jī)的機(jī)箱風(fēng)扇，構(gòu)建風(fēng)道為工控機(jī)有效散熱[2]。但是現(xiàn)在的工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇多采用細(xì)長(zhǎng)的供電線為風(fēng)扇供電，細(xì)長(zhǎng)的風(fēng)扇供電線很難隱藏，暴露在機(jī)箱內(nèi)，嚴(yán)重影響了工控機(jī)內(nèi)部的整潔和美觀。

磁諧振耦合式無線電能傳輸技術(shù)(MCR-WPT)是在兩個(gè)或多個(gè)具有相同諧振頻率線圈之間的電能傳輸[3]。相同的諧振頻率是電能傳輸?shù)年P(guān)鍵，并且相同的諧振頻率能使線圈之間的磁場(chǎng)耦合更加緊密，使得在較遠(yuǎn)的傳輸距離上提高了電能的傳輸效率[4]。文獻(xiàn)[5-7]探討了MCR-WPT技術(shù)在高壓設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)比研究了兩線圈式和中式MCR-WPT的諧振線圈結(jié)構(gòu)及其電能傳輸性能。

為解決機(jī)箱散熱系統(tǒng)供電問題，該文提供了一種新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。基于MCR-WPT系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備工控機(jī)散熱系統(tǒng)，采用一種新型的機(jī)箱散熱系統(tǒng)供電方式。利用無線電能傳輸供電的工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇，通過重新設(shè)計(jì)供電線路，去掉了傳統(tǒng)工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇上的供電線，省去工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇走線的復(fù)雜性，能夠更好地隱藏導(dǎo)線。基于COMSOL軟件進(jìn)行仿真，利用三維發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行無線電能傳輸[8]。線圈與線圈之間不需要實(shí)體電線的連接，高頻逆變器通過已經(jīng)安置在機(jī)箱內(nèi)的導(dǎo)線直接與電腦電源連接，由高頻逆變器進(jìn)行變頻，變頻后與接收線圈無線耦合[9]，不需要特定的電源供給，接收線圈接收到電能后，經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行整流，得到直流源為工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇供電。

1 MCR-WPT系統(tǒng)建模分析

圖1 電路等效模型Fig.1 Circuit equivalent model

默認(rèn)該電路處于諧振狀態(tài)，基于電路理論，等效電路圖1可由如下矩陣方程表達(dá)：

(1)

由式(1)求出各回路的電流為

(2)

(3)

通過式(2)～(3)求出發(fā)射和接收功率分別為

(4)

(5)

可以求出不帶中繼線圈的MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸效率為

(6)

根據(jù)上式可知，傳輸效率受電源頻率、線圈互感、電源內(nèi)阻、線圈內(nèi)阻和負(fù)載電阻的影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工控機(jī)散熱系統(tǒng)

基于無線電能傳輸供電的工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇，能夠更好地隱藏工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇的供電線，使機(jī)箱內(nèi)更加美觀、整潔。系統(tǒng)包括一個(gè)工作電壓DC 6 V、工作電流 0.2～0.25 A、直徑6 cm的工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇，機(jī)箱風(fēng)扇中心風(fēng)扇電機(jī)處安裝有接收線圈與功率調(diào)節(jié)器連接，功率調(diào)節(jié)器與工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇電機(jī)正負(fù)極連接，接收線圈以磁諧振式或感應(yīng)式無線電能傳輸方式與三維發(fā)射線圈耦合，三維發(fā)射線圈與高頻逆變器連接。三維發(fā)射線圈具有向360°方向傳輸電能的能力。高頻逆變器采用多整流出口設(shè)計(jì)，同時(shí)可以連接多個(gè)三維發(fā)射線圈。高頻逆變器通過已經(jīng)安置在機(jī)箱背線倉(cāng)內(nèi)的導(dǎo)線與電腦電源連接。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇分解結(jié)構(gòu)如圖2所示，工控機(jī)結(jié)構(gòu)透視如圖3所示。

圖2 工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇分解結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Decomposition structure diagram of industrial computer chassis fan

圖3 工控機(jī)結(jié)構(gòu)透視圖Fig.3 Perspective drawingof industrial computer structure

三維發(fā)射線圈和接收線圈，二者構(gòu)成無線電能傳輸電路。功率調(diào)節(jié)器連接風(fēng)扇電機(jī)，將接收線圈獲得的電能經(jīng)過調(diào)節(jié)后給予風(fēng)扇電機(jī)使用。工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇的工控機(jī)機(jī)箱包括普通電腦電源、高頻逆變器和走線倉(cāng)內(nèi)的連接線。連接線已提前放置在機(jī)箱背線倉(cāng)內(nèi)，只需要連接工控機(jī)機(jī)箱風(fēng)扇對(duì)應(yīng)接口即可。

3 仿真模型

3.1 仿真模型

仿真分析采用多物理場(chǎng)計(jì)算軟件COMSOL Multiphysic。通過圖3中發(fā)射線圈與接收線圈的工作原理，設(shè)計(jì)輸入線圈與輸出線圈，如圖4所示，兩線圈的水平距離為5 cm，作為無線傳輸?shù)木嚯x。工作電壓設(shè)置為12 V，頻率400 kHz，電阻10 Ω，線圈半徑1.25 mm，參考電阻率1.667×10-8Ω·m，電阻率溫度系數(shù)3.862×10-3K-1，參考溫度293.15 K。如圖5所示，通過發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)，傳遞至接收線圈，使得風(fēng)扇電機(jī)獲得電能。

圖4 不同預(yù)測(cè)方法負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Load forecasting results of different forecasting methods

圖5 發(fā)射線圈與接收線圈的工作原理Fig.5 The transmitter coil and receiver coil work

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過仿真得到磁通密度模型如圖6所示，在兩線圈間隔5 cm的距離情況下，仿真計(jì)算得出輸入線圈電感1.0360×10-5H，輸出線圈電感1.0214×10-5H。輸入線圈和輸出線圈的電流電壓如圖7～10所示。

圖6 磁通密度模型Fig.6 Flux density model

圖7 輸入線圈電壓Fig.7 Input coil voltage

圖8 輸入線圈電流Fig.8 Input coil current

圖9 輸出線圈電壓Fig.9 Output coil voltage

圖10 輸出線圈電流Fig.10 Output coil current

從圖7～10可以看出，發(fā)射線圈的功率為50 W，接收線圈的功率在30 W，驗(yàn)證了MCR-WPT系統(tǒng)電能傳輸?shù)目尚行裕軌驇?dòng)散熱器的運(yùn)行。

4 結(jié) 語

對(duì)機(jī)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備工控機(jī)散熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，先設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)，再基于電路理論計(jì)算了MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸效率，最終通過仿真模型，驗(yàn)證了MCR-WPT系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

1)基于MCR-WPT系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備工控機(jī)，能夠較為簡(jiǎn)化散熱系統(tǒng)的線路構(gòu)造，保障機(jī)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。

2)研究結(jié)果為工控機(jī)散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境下的運(yùn)行提供了參考數(shù)據(jù)，具有很好的工業(yè)使用價(jià)值。