基于MCR-WPT系統的機場機電設備工控機散熱研究

廖官根，李登帥，姚 軍，武鼎凱

(1.四川省機場集團有限公司，成都 610202; 2.國網河南省電力公司信陽供電公司，河南 信陽 464000;3.中鐵二局集團電務工程有限公司，成都 610031)

0 引 言

隨著民航機場建設的發展，機電設備中的工控機在民航運營中變的越來越重要，特別是在機場范圍內重要的負荷，可靠保障其用電正常[1]。并且隨著科學技術的發展，工控機的CPU性能越來越強悍，發熱量也越來越大，這就需要有良好的散熱系統。如今越來越多的生產商會在工控機的機箱內部安裝多個工控機的機箱風扇，構建風道為工控機有效散熱[2]。但是現在的工控機機箱風扇多采用細長的供電線為風扇供電，細長的風扇供電線很難隱藏，暴露在機箱內，嚴重影響了工控機內部的整潔和美觀。

磁諧振耦合式無線電能傳輸技術(MCR-WPT)是在兩個或多個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的關鍵，并且相同的諧振頻率能使線圈之間的磁場耦合更加緊密，使得在較遠的傳輸距離上提高了電能的傳輸效率[4]。文獻[5-7]探討了MCR-WPT技術在高壓設備領域的應用，對比研究了兩線圈式和中式MCR-WPT的諧振線圈結構及其電能傳輸性能。

為解決機箱散熱系統供電問題，該文提供了一種新的技術實現方案。基于MCR-WPT系統的機場機電設備工控機散熱系統，采用一種新型的機箱散熱系統供電方式。利用無線電能傳輸供電的工控機機箱風扇，通過重新設計供電線路，去掉了傳統工控機機箱風扇上的供電線，省去工控機機箱風扇走線的復雜性，能夠更好地隱藏導線。基于COMSOL軟件進行仿真，利用三維發射線圈和接收線圈進行無線電能傳輸[8]。線圈與線圈之間不需要實體電線的連接，高頻逆變器通過已經安置在機箱內的導線直接與電腦電源連接，由高頻逆變器進行變頻，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，經過功率調節器進行整流，得到直流源為工控機機箱風扇供電。

1 MCR-WPT系統建模分析

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

默認該電路處于諧振狀態，基于電路理論，等效電路圖1可由如下矩陣方程表達：

(1)

由式(1)求出各回路的電流為

(2)

(3)

通過式(2)～(3)求出發射和接收功率分別為

(4)

(5)

可以求出不帶中繼線圈的MCR-WPT系統的傳輸效率為

(6)

根據上式可知，傳輸效率受電源頻率、線圈互感、電源內阻、線圈內阻和負載電阻的影響。

2 結構設計

2.1 工控機散熱系統

基于無線電能傳輸供電的工控機機箱風扇，能夠更好地隱藏工控機機箱風扇的供電線，使機箱內更加美觀、整潔。系統包括一個工作電壓DC 6 V、工作電流 0.2～0.25 A、直徑6 cm的工控機機箱風扇，機箱風扇中心風扇電機處安裝有接收線圈與功率調節器連接，功率調節器與工控機機箱風扇電機正負極連接，接收線圈以磁諧振式或感應式無線電能傳輸方式與三維發射線圈耦合，三維發射線圈與高頻逆變器連接。三維發射線圈具有向360°方向傳輸電能的能力。高頻逆變器采用多整流出口設計，同時可以連接多個三維發射線圈。高頻逆變器通過已經安置在機箱背線倉內的導線與電腦電源連接。

2.2 系統結構設計

工控機機箱風扇分解結構如圖2所示，工控機結構透視如圖3所示。

圖2 工控機機箱風扇分解結構示意圖Fig.2 Decomposition structure diagram of industrial computer chassis fan

圖3 工控機結構透視圖Fig.3 Perspective drawingof industrial computer structure

三維發射線圈和接收線圈，二者構成無線電能傳輸電路。功率調節器連接風扇電機，將接收線圈獲得的電能經過調節后給予風扇電機使用。工控機機箱風扇的工控機機箱包括普通電腦電源、高頻逆變器和走線倉內的連接線。連接線已提前放置在機箱背線倉內，只需要連接工控機機箱風扇對應接口即可。

3 仿真模型

3.1 仿真模型

仿真分析采用多物理場計算軟件COMSOL Multiphysic。通過圖3中發射線圈與接收線圈的工作原理，設計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，作為無線傳輸的距離。工作電壓設置為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3.862×10-3K-1，參考溫度293.15 K。如圖5所示，通過發射線圈產生電磁感應，傳遞至接收線圈，使得風扇電機獲得電能。

圖4 不同預測方法負荷預測結果Fig.4 Load forecasting results of different forecasting methods

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

3.2 實驗結果

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，發射線圈的功率為50 W，接收線圈的功率在30 W，驗證了MCR-WPT系統電能傳輸的可行性，能夠帶動散熱器的運行。

4 結 語

對機場機電設備工控機散熱系統進行了研究，先設計相關結構，再基于電路理論計算了MCR-WPT系統的傳輸效率，最終通過仿真模型，驗證了MCR-WPT系統運行狀況。

1)基于MCR-WPT系統的機場機電設備工控機，能夠較為簡化散熱系統的線路構造，保障機場機電設備的正常運行。

2)研究結果為工控機散熱系統在不同環境下的運行提供了參考數據，具有很好的工業使用價值。