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        基于MCR-WPT系統(tǒng)的機場機電設備工控機散熱研究

        2022-07-27 08:45:58廖官根李登帥武鼎凱
        黑龍江電力 2022年3期
        關鍵詞:工控機機箱風扇

        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(wǎng)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(fā)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(nèi)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(fā)展,工控機的CPU性能越來越強悍,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)商會在工控機的機箱內(nèi)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(xiàn)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(nèi),嚴重影響了工控機內(nèi)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?shù)年P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(tǒng)供電問題,該文提供了一種新的技術實現(xiàn)方案。基于MCR-WPT系統(tǒng)的機場機電設備工控機散熱系統(tǒng),采用一種新型的機箱散熱系統(tǒng)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(tǒng)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?;贑OMSOL軟件進行仿真,利用三維發(fā)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(jīng)安置在機箱內(nèi)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(jīng)過功率調(diào)節(jié)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(tǒng)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(tài),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(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)阻和負載電阻的影響。

        2 結構設計

        2.1 工控機散熱系統(tǒng)

        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(nèi)更加美觀、整潔。系統(tǒng)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(diào)節(jié)器連接,功率調(diào)節(jié)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(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計,同時可以連接多個三維發(fā)射線圈。高頻逆變器通過已經(jīng)安置在機箱背線倉內(nèi)的導線與電腦電源連接。

        2.2 系統(tǒng)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(fā)射線圈和接收線圈,二者構成無線電能傳輸電路。功率調(diào)節(jié)器連接風扇電機,將接收線圈獲得的電能經(jīng)過調(diào)節(jié)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(nèi)的連接線。連接線已提前放置在機箱背線倉內(nèi),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(fā)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?shù)木嚯x。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(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,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(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(fā)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(tǒng)電能傳輸?shù)目尚行?,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(tǒng)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(tǒng)的傳輸效率,最終通過仿真模型,驗證了MCR-WPT系統(tǒng)運行狀況。

        1)基于MCR-WPT系統(tǒng)的機場機電設備工控機,能夠較為簡化散熱系統(tǒng)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(tǒng)在不同環(huán)境下的運行提供了參考數(shù)據(jù),具有很好的工業(yè)使用價值。

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