CN102083652A - 用以将电能传送至交通工具的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将电能传送至交通工具(81；92)，特别是诸如轻轨交通工具的轨道型交通工具的系统，其中该系统包含用以产生交变电磁场并由此将能量传送至该交通工具(81；92)的电导体配置(12)，该电导体配置(12)包含至少两条线路(1、2、3)，其中各线路(1、2、3)适于携载交变电流的相位中的不同相位，该导体配置包含多个节段(T1、T2、T3、T4、T5)，其中各节段(T1、T2、T3、T4、T5)顺着该交通工具的行进路径的不同区段延伸，各节段(T1、T2、T3、T4、T5)包含至少两条线路的区段，且各节段(T1、T2、T3、T4、T5)可与其它节段分开接通和关断。

Description

用以将电能传送至交通工具的系统与方法
技术领域
本发明涉及用以将电能传送至交通工具，特别是诸如轻轨交通工具(例如电车)的轨道型交通工具的系统及方法。
背景技术
特别是轨道型交通工具，诸如传统的有轨交通工具、单轨交通工具、无轨电车以及通过其它手段(诸如其它机械手段、磁性手段、电子手段和/或光学手段)而被导引于轨道上的交通工具需要电能用来于轨道上推进以及用于操作不产生对交通工具的牵引力的辅助系统。这种辅助系统例如为照明系统、暖气和/或空调系统、通风及乘客信息系统。但是，更具体地说，本发明涉及将电能传送至未必是(但优选是)轨道型交通工具的交通工具。概略言之，交通工具可为例如具有电气操作推进马达的交通工具。交通工具也可具有混合推进系统，例如可通过电能或诸如以电化学方式储存的能量或燃料(例如天然气、汽油或石油)的其它能量操作的系统。
轨道型交通工具特别是用于公众乘客运送的交通工具通常包含电流集流器(或者为装置)，用于机械式或电气式接触顺着轨道的线路导体，诸如电轨或高架线路。交通工具车上的至少一个推进马达由该外部轨道或线路馈送电力而产生机械推进力。
电车及其它当地列车或区域列车通常通过城市内的高架线路操作。但特别是城市的古迹部分，不期望有高架线路。另一方面，地面或接近地面的导体轨造成安全问题。
WO 95/30556A2描述了一种由道路供电的电力交通工具系统。全电力交通工具有一个或多个车上(on-board)能量储存组件或装置，可利用从电源(诸如机电电池网络)获得的能量对所述一个或多个车上能量储存组件或装置进行快速充电或对其供以能量。能量储存组件可于交通工具操作期间充电。充电通过电力耦合组件网络(例如埋设于道路中的线圈)进行。
将线圈置于顺着道路长度的选定位置的缺点在于交通工具车上的能量储存需要大的储存容量。此外，若交通工具未能实时到达下一个线圈，则交通工具可能耗尽推进能量或用于其它目的的能量。因此，至少对于某些应用，优选顺着行进路径亦即顺着轨道向该交通工具连续传送能量。
由轨道向交通工具感应式传送能量(亦即产生电磁场)受到有关EMC(电磁可兼容性)的限制。一方面，电磁场可能干扰其它技术装置。另一方面，人类及动物不应持久承受电磁场。至少必须观察场强度的相应极限值。
发明内容
本发明的目的是提供一种用以将电能传送至交通工具特别是轨道型交通工具的系统及方法，其允许在行进期间连续传送电能且协助满足EMC的相应极限。
根据本发明的基本构想，能量从电导体配置(其顺着轨道配置)传送至在轨道上行进的交通工具，而该交通工具与该导体配置之间并无电接触。导体配置携载产生相应电磁场的交变电流，而该电磁场用来将电能传送至交通工具。
优选地，导体配置位于轨道内和/或轨道下，例如位于交通工具行进的地表下方。但本发明还包括一种情况，至少部分导体配置位于轨道的侧边，例如当轨道位于乡间或在隧道中时。
流经该导体配置的交变电流频率可以处于5-100kHz的范围内，特别是处于10-30kHz的范围内，优选约为20kHz。
通过电磁场传送能量的原理的优点在于导体配置可与接点电绝缘。例如导体配置的电线或线路可埋设于地底。不会有行人意外接触到埋设的线路。此外，解决了用于接触标准高架线路或活轨的集流器的磨耗及撕裂问题。
如WO 95/30556A2主要揭示的，行进于轨道上的交通工具可包含至少一个线圈，电磁场在线圈中产生交变电压，其可用来操作交通工具内的任何电负载，诸如推进马达，或可用来对能量储存系统(诸如常规电池和/或超级电容器)进行充电。
特别地，提出下列方案：一种用以将电能传送至轨道型交通工具尤其是轻轨交通工具(例如电车)的系统，其中
-该系统包含用以产生电磁场并由此传送能量至该交通工具的电导体配置，
-该电导体配置包含至少两条线路，其中各线路适于携载交变电流的相位中的不同相位，
-该导体配置包含多个节段，其中各节段顺着该交通工具的行进路径(例如轨道)的不同区段延伸，各节段包含至少两条线路的区段，各节段可与其它节段独立地接通和关断。
这种系统的一项优点为用于将能量传送至交通工具的电磁场可以在需要处产生。结果可减少系统操作期间的损耗。此外，更容易满足EMC要求，原因在于可避开不必要的电磁场。
须了解一节段为导体配置的一部分，其中各个节段产生用来将能量传送至交通工具的电磁场，假设该节段接通，亦即进行操作。特别地，各节段可包含该导体配置的至少两条线路的区段，其中各线路适于携载交变电流相位中的不同相位。
优选地，电导体配置包含三线路，各线路携载三相交变电流的不同相位。但也可能由相对应数目的线路仅携载二相位或多于三相位。特别地，各节段可包含各线路的区段，因此各个节段产生由三相位所造成的电磁场。
在优选实施例中，该导体配置的至少两条线路在星点连接，亦即线路在全部相位共享的连接点处彼此连接。此种星点配置特别容易实现并确保多个相位的特性对称，亦即全部相位皆携载相同的有效电流，当然相位间有相移。例如在三相系统的情况下，通常相移为120°。在各相位的交变电流可为正弦电流或近正弦电流。星点连接的额外优点在于无需至供电系统的逆向导体(可包括顺着行进路径亦即顺着节段延伸的馈电线路)。可在供电系统的相同位置处特别是馈电线的相同位置处实现至供电系统的导体配置的全部连接。
通过开关或通过导体配置的连续节段间的接口处的开关配置，可实现星点连接。若并未对连续节段进行操作以同时向交通工具传送电能，亦即仅对连续节段中的一者进行操作，则实现接口处的星点连接。但对若连续节段同时进行操作，则无需实现接口处的星点连接，亦即开关或配置或多个开关可为开启，或者可配置为将操作的节段连接至供电系统。相同开关或配置或多个开关可用来连接连续节段的相对应线路，因此这些线路彼此串联连接。因此，在第一切换状态，实现星点连接，在第二切换状态，相对应的线路彼此连接。
若(同时操作的)连续节段的相对应线路彼此串联连接，则在连续节段之间的接口的星点连接并非唯一的可能。另外可以以三角形连接方式将连续节段的线路连接至供电系统。但如此可能在连续节段被接通时，造成对特定节段的供电短暂中断，原因在于特定节段的线路末端需要由供电系统切换至该连续节段的相对应线路。相反地，有星点连接的解决方案可避开此种中断，这将在对附图的说明中进行描述。
优选地，唯有当该行进路径的相对应区段被交通工具所占据时对节段进行操作(亦即节段线路携载产生电磁场的交变电流)。结果，优选关断未被交通工具占据的路径区段处的节段。
尤其优选行进路径的区段(该节段顺着所述区段延伸)比行进方向的轨道上的列车长度短，并且该系统适于唯有当交通工具占据该节段所在位置的轨道的相应区段时才对节段进行操作(特别指接通)。由于唯有轨道下方(或者在某些情况下，例如在隧道中为轨道侧边)的节段才被接通，该交通工具可屏蔽环境使其免受由该导体配置所产生的电磁场。优选地，唯有完全由交通工具所占据，亦即于顺着行进路径的长度方向的节段才被操作，已操作的节段并未延伸超过交通工具前端也未延伸超过交通工具末端。
最优选地，节段的操作方式为当交通工具顺着行进路径前进时，电能由节段连续传送至交通工具。因此节段可为一列连续节段的一部分，其中该列顺着行进路径延伸。这意味着由交通工具所占据的第一节段可被操作，在交通工具(或交通工具的接收装置)进入该列中的下一个随后节段之前，该下一个随后节段可被接通。另一方面，第一节段可在交通工具离开行进路径的相对应区段后关断。
需要了解，“相对应区段”为顺着行进路径长度方向具有与该导体配置的相对应节段相同的延伸的区段。“连续传送电能”表示交通工具的接收装置总是位于相对应节段被操作时的区段(亦即该节段的线路携载用来产生电磁场以便向该交通工具提供能量的交变电流)。当连续节段被接通时或当第一节段被关断时，流经线路的电流可能有短时间中断(例如数毫秒)。尽管如此，电能的传送为“连续的”，原因在于交通工具的接收装置位于相对应节段被操作时的区段中。但优选电能的传送也无中断。这种无中断传送的实例将说明如下。若连续区段的线路彼此串联连接，则特别容易实现无中断传送。因此优选导体配置的配置方式为至少两个连续节段可被同时操作，其中在连续节段中携载交变电流的相同相位的相对应线路彼此串联连接。例如，连续节段之间的接口可包含可将相对应线路连接或断开的开关配置或多个开关。
同时操作的连续节段数目并未限为2。相反，三个或更多个连续节段可被同时操作，例如当长形交通工具正在路径上行进时，诸如在不同位置有接收装置(reseeding device)的交通工具。在这种情况下，唯有当最末接收装置已经离开与该节段相对应的路径区段时该节段才被关断。
切换程序可使用被关断的节段的线路中的至少一者控制。优选地，可检测交通工具对该轨道的相应区段的占据，特别是通过检测由交通工具与线路的电感耦合所造成的和/或由该交通工具所产生的电磁场所造成的该节段线路中的电压和/或电流。相对应地，测量装置可连接至至少一条线路。优选地，该节段的多个或全部线路连接至测量装置和/或连接至同一测量装置。一个或多个测量装置适于经由检测由该交通工具与线路的电感耦合所造成的或由该交通工具所产生的电磁场所造成的该线路或单独回路中的电压和/或电流，来检测交通工具对轨道的相应区段的占据。
该系统可适于在用于接收所传送的能量的交通工具的接收装置进入一节段的位置处的行进路径的区段之前，接通该节段。
例如，设置该节段长度的尺寸，使得节段中的至少两个的在长度方向上由轨道上的交通工具所覆盖，亦即轨道上的交通工具的最短长度为一节段长度的两倍(优选地，全部线路节段皆具有相等长度)。结果，用于接收所传送的能量的交通工具的一个或多个接收装置可设置于该交通工具的长度方向上的中区。此外，唯有被轨道上的交通工具完全覆盖的节段才被接通。另一方面，可检测到交通工具进入一特定线路节段上方的区域的事件(如前文所述)，一旦交通工具进入下一个线路节段上方的区域，此线路节段即被接通。
因此，在交通工具离开线路节段上方的区域之前线路节段被关断。优选地，在线路节段不再被交通工具完全覆盖之前线路节段被关断。
若该电导体配置包含多于一条线路，则可只使用其中一条线路进行车辆进入或离开特定线路节段的事件的检测。但其它线路节段可据此而被接通或关断，换言之，导体配置包含区段，其中其它区段中的全部线路可一起被接通及被关断。
根据本发明的优选实施例，节段的至少其中之一中的至少一条线路(优选全部节段中的全部线路)可以以下述方式配置，当交变电流流经线路时，在各个时间点，线路产生一列接续的电磁场磁极，其中接续的磁极具有交替的磁极性。该列接续的磁极在交通工具的行进方向上延伸，而该行进方向由轨道或由行进路径界定。或者，该至少一条线路包含多个区段，其相对于由轨道或行进路径界定的交通工具的行进方向横向延伸。在该情况下，同一线路的多个区段顺着行进路径(例如轨道)排成一列，使得当交变电流流经线路时，在各个时间点，交变电流在相反方向上交替流经该列中的接续区段。
由线路和/或不同线路区段所产生的磁极在各个时间点以重复顺序在行进方向上延伸，其中该重复顺序与相位顺序相对应。例如在三相交变电流的情况下，具有相位U、V、W，携载相位U的区段之后接着携载相位V的区段，其又接着携载相位W的区段，而此种相位U、V、W顺序在轨道方向上亦即在行进方向上重复若干次。实例将在后文中参考附图进行说明。
在前文说明的本发明的优选实施例中，当交变电流流经线路时，在各个时间点所述至少一条线路产生一列接续的电磁场磁极，其中所述接续磁极具有交替的磁极性。换言之，在给定的时间点，线路中的交变电流在行进方向上产生一磁场，其具有在线路的第一区中定向于第一方向的磁场向量，接着为磁场的场向量定向于该第一方向的相反方向的该线路的第二区，接着为线路的另一区，其中磁场向量又再度定向于第一方向，等等。但并非经常为下述情况，第一方向与随后线路区的磁场向量的方向恰于相反的方向上定向。一个理由可以是线路并非严格按照规则、重复方式排列。另一个理由可以是导体配置中的其它线路的非对称性影响。另一个理由可以是外部电磁场。此外，行进于轨道上的交通工具将影响所得到的电磁场。
但在各个时间点由导体配置的同一线路所产生的交替磁极原理具有如下优点：在该导体配置旁侧以极小强度所产生的电磁场强度，随着与导体配置距离的增加而快速减低。换言之，线路区中的以相反方向定向的磁场在线路旁侧重叠且彼此补偿。由于期望于轨道两旁有极小电磁场强度，优选电导体配置中的至少一条线路位于轨道中和/或轨道下，其中相对于行进方向横向延伸的线路区段在水平面上延伸。在上下文中，“水平”一词也涵盖轨道可形成弯曲且略微倾斜的情况。相对应地，线路区段的相应“水平”面也可略微倾斜。因此水平是指轨道在水平面上延伸的标准情况。同理适用于行进路径或轨道向上延伸到山坡上或由山坡向下延伸的情况。某些路径倾斜百分比对路径旁侧的磁场的补偿是可忽略的。
由于路径旁侧场强度极小，能量可以以高功率传输至交通工具，且同时容易满足EMC极限值(例如5uT旁侧磁场强度)。
根据尤其优选的实施例，该电导体配置的至少一个节段中的至少一条线路以蛇状方式沿行进路径或轨道延伸，亦即于行进方向上延伸的线路区段在各情况下继之以相对于行进方向横向延伸的区段，其又再度继之以于行进方向上延伸的区段。在多相位系统的情况下，优选导体配置的全部线路皆以此种方式配置。可藉电缆来实现线路。
“蛇状”这一表达涵盖了具有弯曲配置和/或具有有着与邻近区段的尖锐弯曲过渡区的笔直区段的线路。优选为笔直区段，原因在于笔直区段产生较为均匀的场。
特别地，该至少一个节段的至少一条线路中的交变电流产生电磁波，该电磁波在行进方向的同向或反向上移动，其速度与线路的接续磁极的距离成正比，且与交变电流频率成正比。优选地，相对于行进方向横向延伸的至少某些区段且优选全部这些区段在一宽度上延伸，该宽度大于轨道上的交通工具用于接收所传送能量的接收装置的宽度。例如，所述区段的宽度可大于可能占据轨道的交通工具的最大宽度。该实施例的一项优点为：流经所述区段的交变电流在可能设置接收装置的区域产生极为均匀的磁场强度。
本发明的系统及方法的又一个实施例保证交变磁场强度始终恒定。为了达成此项目的，导体配置的线路连接至AC(交变电流)恒定电流源，该恒定电流源适于向线路馈送交变电流，其平均值是恒定的(或接近恒定的)，与由电导体配置传送至一个或多个交通工具的功率无关。
根据AC恒定电流源的优选实施例，其包含将AC电压转换成为AC电流的电气配置。该电气配置可在各线路中包含该恒定电流源的输入端的输入感应率及该恒定电流源的输出端的输出感应率，其中该输入端连接至电压源，其中该输出端连接至沿行进路径的线路区段，其中各条线路包含输入端与输出端之间的连接点，且其中各连接点经由电容而连接至共享的同一个星点。
若一次只有一辆交通工具由一次端电源(其对导体配置进行馈电)供电，则可交替地向该轨道侧的电导体配置施加恒定的AC电压。由于只存在有一辆交通工具，故可避免负载分配的干扰。在此种情况下，通过导体配置的AC电流(由恒定AC电压供应所引起)依赖于负载强度。因此，一次端电导体配置的电损耗与负载相关，而电流并非恒定的，如同(前述)恒定AC电流供应的情况。
能量源(或电源)可为(也适用于系统的其它实施例)用于由恒定DC电压产生AC电压的常规反相器。
优选地，电导体配置位于轨道下方，例如地下。
至少一条线路包含感应率，该感应率用来将电能传送给一个或多个交通工具；并且进一步包含泄漏感应率，其不会对向交通工具的能量传送作出贡献，其中该泄漏感应率由位于同一线路中的电容所补偿，使得电容与泄漏感应率所得到的阻抗为零。这种零阻抗的优点在于，系统的无功功率最小化，因此有效功率组件的设计也最小化。
有关交通工具内部的能量接收的原理及细节将参考附图进行说明。但对若干特征说明如下：交通工具的接收装置可包含一个或多个导体的线圈或可包含多个线圈。多相接收装置的多个线圈的优点在于可更容易地且表示更不费力地将所接收的电流或电压的起伏波动平顺化。
优选地，至少一个线圈只位于一次端导体配置上方数厘米的位置，原因在于一次线圈与二次线圈之间的磁耦合将随着距离的增加而减低。例如，该至少一个线圈位于地面上不超过10厘米的位置，优选位于地面上不超过5厘米、最优选不超过2-3厘米的位置。特别地，这适用于导体配置位于地下的情况。导体配置的一条或多条线路可位于地表下方不超过2厘米、优选不超过1厘米的位置。
优选地，接收传送电能的接收装置可在垂直方向移动，从而可以将其置于地表上方的一个靠近地表的位置，而当未使用接收装置时可将其升高至一较高的位置。
优选地，接收装置包含配置于行进方向的不同位置上的多个线圈。例如，线圈之间的距离可等于导体配置的不同相位区段顺着轨道的距离，其中这些区段为相对于行进方向横向延伸的区段。但无需将交通工具的不同线圈设置成彼此间隔类似区段间距离的相等的距离。
附图说明
现在将参考附图对本发明的实施例及实例进行说明。附图示出：
图1示意性示出沿轨道延伸的三相导体配置，
图2为一简图，示出作为时间的函数的通过根据图1的三相配置的交变电流，
图3示出磁场的磁场线，在交通工具的接收装置位于导体配置的显示区上方时由根据图1的导体配置产生所述磁场线，其中该磁场分配的行进方向在附图的平面中由右至左或由左至右延伸，
图4为另一简图，示出在负载连接至该交通工具内的接收装置时由导体配置所产生的磁场区，
图5为一简图，示意性示出由导体配置所产生的磁波沿轨道的移动，且示出由交通工具在轨道上的移动所导致的接收装置的移动。
图6为根据图1的导体配置的示意性电路图，其通过电气配置而连接至AC电压源，该电气配置将电源电压变换为馈电入该导体配置的恒定交变电流，
图7为电路图，示出交通工具的具有用于三个不同相位的线圈的接收装置，其中该接收装置连接至AC/DC-换流器，
图8为有轨交通工具，其在轨道上行进，导体配置顺着该轨道延伸，
图9a-c示出有轨交通工具在轨道上行进的情况中的三个接续的时间点，其中该轨道设有导体配置的多个接续线路节段，其中所述线路节段可被接通与关断以向交通工具提供能量，
图10示出类似于图8所示的配置的一种配置，包括顺着轨道的导体配置的电路图，其中该导体配置包含可被接通及关断的线路节段，及
图11为类似于图1所示的配置的一种配置，示意性示出介于铁路的两条轨之间的导体配置，
图12示出沿交通工具行进路径延伸的七个节段，其中只有一个节段被操作，且其中第二接续节段被接通，
图13示出图12所示的配置，其中两个接续节段被操作，而其中一个节段被关断，
图14示出具有可被接通及关断的五个节段的一种配置，及
图15a-c为用于切换一个相位的一种半导体开关配置，例如用于在图12或图13的馈线开关中切换一个相位。
具体实施方式
图1示出一种导体配置，其可位于地下、顺着一轨道(track)，例如顺着铁路(railway)的轨(rails)(例如参考图11所示配置)。在后一情况下，在图1的视图中，轨由左至右延伸。图1所示配置可为沿行进路径的总导体配置的多个节段中的一个节段。
需要了解，图1为示意图。导体配置的三条线路1、2、3包含相对于行进方向(由左至右或由右至左)横向延伸的区段。线路1、2、3的横向延伸区段中只有部分以参考标记标示，即线路3的三个区段5a、5b及5c，线路3的一些以“5”标示的其他区段，线路2的一个区段5x及线路1的一个区段5y。在最优选情况下，图1所示配置12位于轨道的地下，因此图1示出配置12的顶视图。在图1中的顶部和底部，轨可由左至右延伸，亦即横向延伸的线路区段可完全位于轨所界线的边界以内(也参考图11)。
例如，以图6所示方式，三条线路1、2、3可连接至三相AC电流源。可选地，电流源可通过馈线连接至图1所示配置，该馈线可顺着交通工具的行进路径延伸，且也可对其它节段馈以电流。在图1所示时间，正电流I1流经线路3。“正”表示电流由电流源流入线路。三条线路1、2、3在一共享星点4共同连接于配置的另一端。结果，其它电流的至少其中之一，此处为流经线路2的电流I2及流经线路1的电流I3，是负的。一般而言，适用星点法则，这意味着在各个时间点流入与流出星点的全部电流的和为零。流经线路1、2、3的电流方向以箭头表示。当图1所示配置为总导体配置的多个节段之一时，线路1、2、3可通过三相开关连接至星点4。此外，也可设置三相开关，用于将星点连接的末端处的三相连接至馈线。此种星点开关及馈线开关的功能将在下文中描述。
相对于行进方向横向延伸的线路3的区段及线路1、2的相对应区段优选具有相等的宽度且彼此平行。实际上，优选在三条线路的横向延伸的区段之间并无宽度方向上的位移。图1示出这种位移是为了使各区段或各线路可识别。
优选地，各线路顺着轨道呈相同的蛇状路径，其中线路在行进方向的偏移距离为同一线路相对于行进方向横向延伸的接续区段之间的距离的三分之一。例如，如图1中部所示，接续区段5之间的距离标示为TP。在这些接续区段5之间的区域内部另有两个相对于行进方向横向延伸的区段，亦即线路2的区段5x及线路1的区段5y。接续区段5、5x、5y的此种图案在行进方向上这些区段之间以规则距离重复。
流经所述区段的电流的相对应的方向示出于图1的左区。例如，区段5a携载由配置12的第一端A至配置的相对端B的电流。若配置12埋设于轨道下方的地底，或更一般而言，配置12在水平面中延伸，则端A为轨道的一侧(诸如当由行进中的交通工具观看时，在行进方向的右侧)，而端B为相对侧(例如轨道的左侧)。
结果接续区段5b同时携载由端B流至端A的电流。线路3的下一个接续区段5c因而携载由端A至端B的电流。全部这些电流的大小相等，原因在于同时由同一线路所携载。换言之，横向延伸的各区段通过在行进方向延伸的各区段彼此连接。
由于此种蛇状线路配置的结果，由线路3的区段5a、5b、5c...所产生的磁场产生一列接续的电磁场磁极，其中连续磁极(由区段5a、5b、5c...产生的磁极)具有交替的磁极性。例如，由区段5a产生的磁极的磁性可在特定时间点对应于磁偶极，其中磁北极面向上而磁南极面向下。同时，由区段5b所产生的磁场的磁极性同时的定向方式为相对应的磁偶极的南极面向上而北极面向下。区段5c的相对应磁偶极以与区段5a等相同的方式定向。线路1及线路2也是同样的情况。
但本发明也涵盖只有一个相位的情况、有两个相位的情况或有多于三个相位的情况。只有一个相位的导体配置可配置为图1中的线路3，但取代星点4，线路3的末端(位于图1的右侧)可通过顺着轨道延伸的连接线(图1中未示出)连接至能量源(图1中未示出)。例如，两相配置可包含线路3及线路2，但两条线路(或更一般而言：全部线路)的横向延伸区段之间的距离优选为恒定(亦即线路3的横向延伸区段与线路2的两个最接近的横向延伸区段之间的距离-在行进方向及在相反方向上-相等)。
图11旨在举例说明导体配置，例如图1所示导体配置的某些尺寸。图11仅示出三条线路111、112、113的部分，其彼此的连接(例如通过图1的星点4)以及与供电装置的连接被略去。
蛇状线路111、112、113位于铁路交通工具(例如区域列车或当地列车，诸如电车)的铁路的两条轨116a、116b之间。“之间”的表述与图11所示顶视图相关。例如，线路111、112、113可位于轨116的水平面的下方。
各线路111、112、113包含在相对于轨道方向亦即轨116的纵向的横向延伸的线性区段。这些横向延伸区段通过纵向延伸区段(其在轨的纵向延伸)而连接至同一线路的接续横向延伸区段。横向延伸区段及线性延伸区段具有长度LB，长度LB优选至少为两条轨之间距离RB的一半。例如，距离RB可为1米，横向延伸区段的长度可为50厘米或在50厘米至75厘米的范围内。
同一线路的横向延伸区段与纵向延伸区段通过弯曲区段而彼此连接。曲率例如对应于具有150毫米半径的圆的曲率。
图11也示意性示出由轨116上行进的交通工具的接收装置的线圈所覆盖的影线区118。线圈宽度等于线路的横向延伸区段的长度。但实际上，优选本宽度小于横向延伸区段的长度。这允许在相对于行进方向的横向方向上的线圈位置的位移，如两箭头及影线区118下方的线所示。若这种位移未将线圈移动超出横向延伸区段的边界，则该位移不影响线圈对能量的接收。
如下由图2所示的时间相关性图可知，流经图1的相位1、2、3的电流为常规三相交变电流的相位电流。
图2的L1、L2、L3标示形成感应率的蛇状线路1、2、3。
如图2所示，电流的峰值电流值可分别在300安培至-300安培的范围内。但更大或更小的峰值电流也是可能的。300安培峰值电流足够向电车提供推进能，以使电车顺着轨道移动数百米至数千米，例如在城市中的古迹城镇中心内移动。此外，电车可从车上的能量储存装置(诸如常规电化电池配置和/或超级电容器配置)汲取能量。一旦电车离开城镇中心且连接至高架线路时，能量储存装置即可再度充饱电。
图3的弯曲线为由图1所示线路1、2、3的各区段所产生的磁场的场线。图3示出在对应于图2的时间标度的“0”、“30”、“60”、“90”四个不同的时间点的情况。图2的时间标度也可解释为示出电流的正弦特性的角度的标度，这表示图2示出电流在一个完整周期上的特性，亦即周期从“0”起始时的电流值与周期到“360”结束时的电流值相等。
在图3的四个部分图左侧，示出线路1、2、3的横向延伸区段的截面。参考组件符号“I1”表示流经线路1的横向延伸区段的电流I1，等等。这些横向延伸区段垂直于图3的图像平面延伸，其中该图像平面为穿过图1的配置12的纵切平面，其中图1及图3的图像平面彼此垂直，且其中图3的图像平面在行进方向延伸，将图1的区段5一切为二。在图3的上区，电磁线圈7示意性示出为平坦的矩形框区。作为车辆的用于接收来自于配置12的能量的接收装置的部件的这些线圈7顶上，设置有铁磁骨架8，以便将磁场线集束和转向。这些骨架8具有电磁铁心的功能。
图4示出与图3所示视图类似的视图。但该图旨在举例说明(行进于轨道上的)交通工具内的线圈在轨道的导体配置中感应出电流的假设情况。除了图3，图4也示出穿过线圈7的区7a、7b、7c、7d中的电导体41a、41b的截面。在区7a、7b中，定向向上超出图4图像平面的电流在所显示的时间点流动。在示出线圈7的区7c、7d的图4的右侧，电流向下导向流入图4的图像平面，如交叉线所示。通过线圈7产生的电磁场(以图4中的场线示例性示出)与区7b及7d的边界线对称，原因在于区段7a至7d中的电流量也与边界线对称。
图5示出顺切割面的另一切割，其垂直延伸且在行进方向延伸。位于线路1、3、2的相对于行进方向横向延伸的区段中的线路1、3、2的导线或导线束示出于图5上半部分。总的来说，图5示出(至少部分示出)相对于行进方向横向延伸的配置12的七个区段。该列(由左至右)的第一、第四及第七区段属于线路1。由于流经区段5b(图5中的第四区段)的电流I1的方向与流经区段5a、5c(图5的第一及第七区段)的电流I 1的方向相反，并且由于电流I1、I3、I2为交变电流，所以所产生的电磁波以速度vw在行进方向上移动。所述波标示为9，配置12的感应率标示为Lp。
图5上半部分所示截面图示出在行进方向以速度vm行进的交通工具的接收装置；图5顶部的“2TP”表明图5示出配置12的一线路节段，该线路节段的长度为线路1，该线路节段长度等于线路、此处为线路1的三个连续横向延伸区段之间的距离的两倍。
图6所示配置包含导体配置103、104、105，可为根据图1的导体配置12。为了示出其电气性质，图6中使用等同的电路符号。三相系统103、104、105携载相位1、2、3的相位电流I1、I2、I3。相位1、2、3的固有感应率标示为Lp1、Lp2、Lp3，其产生用来将能量传送至轨道上的任何交通工具的电磁场。但线路1、2、3也包含泄漏感应率Ls1、Ls2、Ls3，如图6的方块104中所示。这些非期望的泄漏感应率的阻抗通过如方块103中所示的线路1、2、3中的电容Ck1、Ck2、Ck3补偿。
用来在线路1、2、3中产生电磁场的电能由三相电压源101产生。相位的相位源在方块101中以V1、V2、V3标示。线路1、2、3中产生的电压以U1、U2、U3标示。电压源连接至恒定电流源102的输入端。此恒定电流源102的输出端连接至方块103中的电容。在恒定电流源102的输出端，产生电流I1、I2、I3。这些电流总是恒定的，而与由线路1、2、3传送至轨道上的交通工具的能量无关。在恒定电流源102的输入端，恒定电流源102在各线路1、2、3中包含输入感应率L1a、L2a、L3a。在恒定电流源102的输出端，各线路1、2、3包含输出感应率L1b、L2b、L3b。介于输入感应率与输出感应率之间，各线路1、2、3通过电容C1、C2、C3而连接至共享星点61。
图7示出可以位于行进于轨道上的交通工具中的配置的电路图。该配置包含三相接收装置，用于从轨道接收电磁场并由由此产生电能。接收装置包含各相位1a、2a、3a的一个线圈或多个线圈的配置，其中所述线圈标示以L71、L72、L73(方块201)。在所示实施例中，相位1a、2a、3a连接于一共享星点71。相位1a、2a、3a的泄漏感应率(未分开示出于图7中)通过如方块202所示的电容C71、C72、C73补偿。
接收装置201、202的输出端，即图7中所示的相位电流Is1a、Is2a、Is3a处，连接至AC/DC(交流/直流)换流器203。换流器203的DC端连接至一中间电路的线路76a、76b。线路76a、76b通过由“204”表示的平滑电容C7d彼此连接。在“205”，可在交通工具内部提供能量的电负载标示为电阻RL，其可连接至中间电路的线路76a、76b。“Ud”表示负载RI可以造成电压降，其中Ud例如为中间电路的电压。
图8示出由轨道型交通工具81(诸如区域大众运输列车或电车)所占据的轨道83(此处：一轨道有两条轨)。
所示配置包含电导体配置，用来产生电磁场，由此向轨道上的交通工具传送能量。导体配置89是示意性示出的。例如，该导体配置的设计可如图1所示。导体配置89(适用于其它配置而不只是图8所示实例)可位于地下或地上。特别在轨道有两条轨而有轨交通工具的车轮可在其上滚动的情况下，该导体配置可位于地面上铁路轨枕水平面上的两条轨之间，或部分位于地面上但位于铁路轨枕下方。若铁路轨枕例如由混凝土制成，则轨枕或其它固定轨的结构可包含孔洞和/或其它空腔，导体配置的一条或多条线路可延伸穿过所述孔洞或其它空腔。由此，铁轨结构可用来将线路固定于期望的蛇状形状中。
轨道型交通工具81在其底侧包含用于接收导体配置89所产生的电磁场的接收装置85。接收装置85电连接至车上电气网络86，以使得接收装置85中所感应的电能可以在交通工具81中分配。例如，在具有轮子88a、88b、88c、88d的转向架780a、780b中的辅助装置90及用于驱动推进马达(图中未示出)的推进单元80、84可连接至分配网络86。此外，诸如电化学能储存装置或电容器配置(诸如超级电容器)的能量储存装置82也可连接至该分配网络。因此，能量储存装置82可通过接收装置所接收的能量充电，特别是在交通工具81停止在轨道上期间。当交通工具81在轨道上移动时，移动交通工具81所需的推进能的一部分可汲取自该能量储存装置82，同时，由接收装置所接收的能量可分配于推进，亦即可构成推进能量的一部分。
图9a-c示意性示出导体配置112的构想，其包含多个可被接通与关断的区段，因此唯有被接通的区段才产生电磁场以便传送能量至轨道上的一个或多个交通工具。图9的实例示出5个节段T1、T2、T3、T4、T5，其沿轨道上呈一列连续节段排列。
诸如电车的交通工具92在轨道上行进。在交通工具92底板下方设置两个接收装置95a、95b，用以接收由所述节段所产生的电磁场。接收装置95a、95b可为重复冗余装置，其中只需要一个装置用来操作交通工具。如此提高操作的可靠性。但接收装置95a、95b也可为非重复冗余装置，二者同时产生能量用来操作该交通工具。但在这种情况下，可能出现接收装置95中的至少一者不产生电能。替代两个接收装置，交通工具也可包含多个接收装置。
后文的说明涉及全部这些情况，此外，涉及只有一个接收装置的交通工具的情况。
根据图9所示实例，交通工具由左至右移动。在图9a中，交通工具92占据组件T2、T3上方轨道，且部分占据组件T1及T4上方轨道。接收装置95或所述接收装置总是位于完全被交通工具所占据的组件上方。这种情况的原因在于接收装置与交通工具长度方向上的最接近末端的间距大于导体配置112的各节段长度。
在图9a的情况下，组件T2、T3被接通，而全部其它组件T1、T4、T5被关断。在图9b中，交通工具92完全占据组件T2、T3上方轨道且几乎完全占据组件T4上方轨道，组件T2被关断，原因在于接收装置95或所述接收装置已经离开组件T2上方区域，一旦交通工具完全占据组件T4上方区域，则组件T4将被接通。组件T4被接通的情况示出于图9c中。但同时组件T3已经被关断。
图10示出类似图9所示配置的一种配置。实际上，其可为图9所示的同一配置的不同视图。但是，图10示出该配置的额外部分。用于产生电磁场的导体配置的各个连续节段103a、103b、103c通过用于将组件103接通和关断的分开的开关102a、102b、102c而连接至干线108。在三相交变系统的情况下，干线108可包含用于各相位的电线或电缆。干线108的远端(在图10的右侧，但未示出)可包含全部三相的共享星点。在干线108的相对位置，其连接至能量源101，诸如图6所示的根据方块101、102的配置。
图12及图13各自示出具有可分开接通和关断的七个节段的导体配置，其中各图示出导体配置的两种不同切换状态。
图12及图13所示配置为实例，旨在举例说明本发明的优选实施例。但是，作为导体配置的部件的节段的数目实际上可改变。特别地，可有多于七个节段，特别是在交通工具(未在图12及图13中示出)的行进方向上的节段的长度比交通工具的长度更短时尤为如此。
在图12及图13中，示意性示出各节段且以参考符号T1-T7表示各节段。图9所示配置可为图12或图13所示配置的一部分。特别地，用于携载交变电流相位的导体线路可以以前述方式配置，例如如图1所示，该图为单一节段的示例说明，其中节段的星点开关SE被省略。
图12及图13所示配置包含三相位馈线，其示出于节段T1-T7的接续线路上方。在二接续节段T1-T7之间的各接口，有三相开关SP2-SP7。这些三相开关SP2-SP7连接馈线135的三个相位与两个连续节段之间的接口，假设开关SP2-SP7是闭合的。若开关SP2-SP7并未闭合，亦即为断开的，则相应接口相对于馈线是电绝缘的。
在相应接口，在连续节段的相对应线路之间(亦即用于携载相位U、携载相位V及携载相位W的两节段的线路之间)有电连接，此外，还有至相应开关SP2-SP7的三相连接。但根据其它实施例，可使用其它开关来使至少一个连续节段的线路与接口断开连接。
此外，两个连续节段T1-T7之间的各个接口也可连接至开关SE2-SE7。在开关SE2-SE7的断开状态，在该接口处三个相位U、V、W之间并无连接。但在开关SE2-SE7的闭合状态，三个相位U、V、W短路，亦即实现星点连接。
图12中及图13的上半部分，星点开关SE2为闭合，而全部其它星点开关SE1及SE3-SE8为断开。在图13的下半部分，只有星点开关SE3为闭合，而全部其它星点开关SE1、SE2及SE4-SE8皆为断开。
在图12及图13所示实施例中，在节段T7的起点及在节段T1的终点也分别有馈线连接器开关SP8及SP1。此外，也有用于分别在节段T7的起点及节段T1的终点实现星点连接的星点开关SE8及SE1。
图12及图13所示配置的操作如下，例如：始于图12上半部分示例说明的情况，仅操作节段T2。例如，交通工具可能占据行进路径沿节段T2延伸的区段，亦即交通工具的一个或多个接收装置可位于节段T2的区段中。特别地，节段T2可配置于有轨交通工具的轨道下方，而接收装置可位于节段T2上方。
为了实现使节段T2成为唯一被接通的节段的操作，馈线开关SP3被闭合，星点开关SE2被闭合。全部其它馈线开关SP及全部其它星点开关SE皆为断开。结果，节段T2前端(需要了解“前端”位于图12及图13的右侧)连接至馈线135。由于节段T2的三条线路的后端皆被闭合的星点开关SE2所短路，节段T2中的三条线路携载交变电流的三个相位且产生期望的电磁场以向交通工具提供电能。虽然节段T3的线路后端也通过馈线开关SP3连接至馈线135，但节段T3的线路并未携载交变电流，原因在于节段T3线路的前端既未连接至共享星点也未连接至馈线。
交通工具由图12左侧行进至图12右侧。结果交通工具的接收装置将顺着节段T3进入行进路径的区段。优选地，在接收装置实际上进入节段T3之前，本节段被接通，因此可与节段T2同时对其进行操作，亦即节段T2及T3为同时操作的连续节段。
为了接通节段T3，首先将馈线开关SP4闭合。结果节段T2与T3的相对应线路的串联连接通过馈线开关SP4而连接至馈线135；而在串联连接的另一侧，仍然通过星点开关SE2将其连接至共享星点。因此由节段T2及T3的线路携载三相交变电流。
在随后步骤中，断开两连续节段T2、T3之间的接口处的馈线开关SP3，如图12下半部分所示。
然后，作为一选项，可以以与节段T3的相同方式接通节段T4，因此三个连续区段T2、T3、T4同时操作。但或者，在节段T4被接通之前可将节段T2关断(如后文参照图13说明)。总而言之，当交通工具在行进路径上行进时，在交通工具的接收装置所在之处，总有至少一个节段被接通和操作。
前文的说明不仅适用于三相系统。反而，具有连续节段而其线路可彼此串联连接的任何导体配置可通过在如上所述的接口处首先闭合馈线开关、然后断开另一馈线开关来进行操作。例如，另一导体配置可只有两个相位(因此各节段只有两条线路)，或有多于三个相位，各节段有相对应的线路数目。这种交替导体配置也可以以后文结合图13说明的方式进行操作。
为了关断节段T2，当同时对节段T2及T3进行操作时，首先将星点开关SE3闭合。结果，同时进行操作的连续节段T2与T3之间的接口短路，因此流经节段T2的电流停止流动。在随后步骤中，星点开关SE2可断开。
结合图12及图13所进行的说明仅为举例说明。如前所述，导体配置可就相位数目和/或就馈线开关及星点开关的实现做修改。例如，连续节段之间的接口处可有额外开关，以便断开或闭合连续节段中的相对应线路之间的连接。
但根据前述优选实施例，在某个时间操作的该节段前端处或所述连续节段的前端处有连接。“前端”表示位于交通工具驱动方向上的一个或多个节段的旁侧。因此在图12及图13的实例中交通工具由左向右开。若交通工具由右向左开，则当对节段T2及T3进行操作时，馈线开关SP2及星点开关SE4将闭合，而全部其它开关将断开。这种情况下，前端为左侧。
如上所述，优选闭合的馈线开关位于操作的节段前端。因此，同为闭合的星点开关位于操作的一个或多个节段后端。
需要注意，行进路径上同时可有多于一辆交通工具行进。例如，为了向另一辆交通工具提供能量，在图12的上半部分所示情况下，可在节段T2的同时对节段T6及T7进行操作。结果，星点开关SE6及馈线开关SP8将被接通。交通工具将同向行驶。
图14示出有导体配置的5个连续节段的配置。节段T1及T5位于该导体配置的相对两端。节段T2、T3、T4为长度比可在相对应行进路径上行进的交通工具的长度短的节段。
馈线145连接至供电装置147(诸如图6所示的恒定交变电源)。馈线145沿节段T2、T3、T4延伸，但未沿节段T1及T5延伸。实际上，节段T1及T5也可以比将供应能量的交通工具的长度短。此外，可有更多节段平行于馈线延伸。
在节段T2、T3与T4之间的各个接口处，这些节段的线路彼此串联连接。但在节段T1、T2与T4、T5之间的接口处有开关SC1、SC5，若开关断开则使连续节段的相对应线路断开连接。
类似于图12及图13所示配置，在连续节段之间的各个接口处有星点开关SE1-SE4。此外，也类似图12及图13，在各接口处有馈线开关SEP1-SP4。
为了补偿节段的泄漏感应率，将电容CF1-CF5设置于连续节段之间的接口处。更精确而言，在各线路上至少有一个电容器，因此至少有三个电容器形成电容CF1-CF5。此外，有更多电容CT1-CT8及CT9-CT18顺着较长的节段T1及T5配置，以补偿其泄漏感应率。全部开关SP1-SP4、SE1-SE4及SC1、SC5、馈线145、电容CFI-CF5和/或供电装置147可位于同一个单元149(诸如容器)内部。但实际上，馈线可沿行进路径延伸，且可埋设于通过行进路径下方的地下。优选馈线经屏蔽，使得馈线相位所产生的电磁场免于穿透到环境中，或者就其场强度而言显著减低。
如前文所述，优选将同时操作的全部连续节段彼此串联连接而非并联连接。图14所示配置为本发明的优选版本的实施例，换言之，在连续节段之间的接口处使用星点连接。节段T1及T5的末端(节段T1的右端及节段T5的左端)也是星点连接的，亦即节段T1及T5的三条线路在末端短路。结果，为了避免同时操作的各节段彼此电并联，设置开关SC1及SC5，若有必要且其为断开的。
图15左侧示出用于切换单相的开关Z1、Z2的配置。开关Z1、Z2为半导体开关，优选为IGBT(绝缘栅双极晶体管)，但也可为其它半导体开关，诸如GTO(栅极关断晶体管)。
开关Z1、Z2的控制电极151、152连接至控制装置153。开关的控制可以以本领域公知的任一种方式进行。图15未示出用于进行控制的额外组件及连接。
在图15b和15c中，示例说明开关配置的两个不同操作状态。在图15b中，电流由顶部经开关Z1流至开关Z1、Z2之间的连接点154，并由该处，流过与开关Z2并联连接的续流二极管D2。
根据图15c的示例说明，电流在相对方向流经开关配置，流经开关Z2，然后流至连接点154，并且然后流经与开关Z1并联连接的续流二极管D1。
为了实现星点开关(诸如图12及图13中的开关SE1-SE8)，各相位只需要一个半导体开关。例如基于图15所示配置，可删除配置的下半部分，亦即只有开关Z1及各相位的相对应的续流二极管D1。三个相位在连接点154彼此连接。开关的其它配置，诸如传统机械开关也是可能的。

Claims (12)

1.一种用于将电能传送至交通工具(81；92)，特别是诸如轻轨交通工具等轨道型交通工具的系统，其中
-该系统包含用以产生交变电磁场并由此将能量传送至该交通工具(81；92)的电导体配置(12)，
-该电导体配置(12)包含至少两条线路(1、2、3)，其中各线路(1、2、3)适于携载交变电流的相位中的不同相位，
-该导体配置包含多个节段(T1、T2、T3、T4、T5)，其中各节段(T1、T2、T3、T4、T5)顺着该交通工具的行进路径的不同区段延伸，各节段(T1、T2、T3、T4、T5)包含至少两条线路的区段，且各节段(T1、T2、T3、T4、T5)可与其它节段分开接通和关断。
2.如前一项权利要求的系统，其中该导体配置的配置方式使得能够一次对至少两个连续节段进行操作，其中所述连续区段中携载交变电流的相同相位的相对应线路(1、2、3)彼此串联连接。
3.如前一项权利要求的系统，其中开关或开关配置位于该导体配置的两个连续节段之间的接口处，并且其中以下述方式对该开关或该开关配置进行操作，使得若同时仅对所述两个连续节段中的一者进行操作，则将被操作的该节段的线路连接至共享星点或供电系统，若同时对两个连续节段进行操作，则将所述连续节段的相对应线路彼此串联连接。
4.如前述权利要求中的一项的系统，其中所述节段(T1、T2、T3、T4、T5)比该行进方向上的交通工具(81；92)的长度更短，并且其中该系统适于仅当交通工具(81；92)占据所述节段(T1、T2、T3、T4、T5)的位置处的该行进路径的相应区段时才操作节段(T1、T2、T3、T4、T5)。
5.如前一项权利要求的系统，其中该系统适于仅当交通工具(81；92)完全占据该行进路径的相应区段时才接通所述节段(T1、T2、T3、T4、T5)。
6.一种将电能传送至交通工具(81；92)，特别是诸如轻轨交通工具等轨道型交通工具的方法，其中
-电磁场由沿轨道设置的电导体配置(12)产生，由此将该电能传送至该交通工具(81；92)，
-通过在该电导体配置(12)的第一线路(1)中传导交变电流的至少一第一相位，并在该电导体配置(12)的第二线路(2)中传导该交变电流的至少一第二相位而产生该电磁场，
-该导体配置的节段(T1、T2、T3、T4、T5)与其它节段(T1、T2、T3、T4、T5)分开接通及关断，以便在交通工具的行进路径的限制区内产生所述电磁场，其中各节段(T1、T2、T3、T4、T5)沿该交通工具的行进路径的不同区段延伸，且其中各节段(T1、T2、T3、T4、T5)包含至少两条线路的区段。
7.如前一项权利要求的方法，其中同时操作至少两个连续节段(T1、T2、T3、T4、T5)，其中连续区段(T1、T2、T3、T4、T5)中携载交变电流的相同相位的相对应线路(1、2、3)彼此串联连接。
8.如前一项权利要求的方法，其中若一次仅对两个连续节段中的一者进行操作，则将被操作的该节段(T1、T2、T3、T4、T5)的线路(1、2、3)连接至共享星点或供电系统，并且其中若同时对两个连续节段进行操作，则将连续节段(T1、T2、T3、T4、T5)的相对应线路(1、2、3)彼此串联连接。
9.如前一项权利要求的方法，其中所述节段(T1、T2、T3、T4、T5)沿行进路径的长度比该行进方向上的交通工具(81；92)的长度更短，并且其中仅当交通工具(81；92)已经占据节段(T1、T2、T3、T4、T5)所延伸的行进路径的相应区段时才接通所述节段(T1、T2、T3、T4、T5)。
10.如前一项权利要求的方法，其中仅当交通工具(81；92)完全占据该行进路径的相应区段时才接通所述节段(T1、T2、T3、T4、T5)。
11.如前两项权利要求中的一项的方法，其中通过检测该节段(T1、T2、T3、T4、T5)或分开的回路中的电压和/或电流来检测交通工具(81；92)对相应区段的占据，该电压和/或电流由该交通工具(81；92)与该线路节段(T1、T2、T3、T4、T5)的感应耦合所引起和/或由该交通工具(81；92)产生的电磁场所引起。
12.如权利要求9-11中的一项的方法，其中在交通工具(81；92)的用于接收所传送的能量的接收装置进入节段(T1、T2、T3、T4、T5)所延伸的行进路径的该区段之前，接通该节段(T1、T2、T3、T4、T5)。
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