CN103559994A - 一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，主要包括带有增强线圈磁芯(13)的电磁场耦合增强线圈(14)和带有接收线圈磁芯(15)的电磁场接收线圈(11)。本发明优化了现有无线传能线圈的结构，在谐振式无线供电的结构基础上设计了带磁芯的电磁场耦合增强线圈以及带磁芯的接收线圈，提高了能量传输的效率与距离。该设计施工方便，仅需在现有谐振式无线供电系统上改造即可实现，成本较其他无线供电结构相对较低，结构稳定可靠，安全性高，且市场前景广阔。

Description

一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计

技术领域

无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，它集基础研究与应用研究为一体，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科、强交叉的新的研究领域和前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多技术领域。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。 

本发明一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计涉及一种施工方便，系统便捷、运行稳定、安全可靠的无线电能传输电磁谐振耦合技术，为铁路的无线供电提供了技术模型。避免了现有铁路供电模式的弊端，消除原有的受电弓与输电线之间的摩擦，减少铁路在运行中的维护费用，同时减少由受电弓带来的空气阻力对车体运行效率的影响，且市场前景广阔。 

背景技术

无线电能传输技术可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，提高了系统的传输效率，避免了传统铁路供电方式中受电弓的存在和与供电导线的摩擦，克服了传统机车供电方式需要定期更换受电弓且供电线路磨损严重的弊端，为铁路的无线供电提供了安全稳定，具体实在的技术模型。 

本发明所采用的技术方案是：一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，设置有电源单元(1)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，控制斩波电路的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡；电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场；电磁场接收线圈(6)，接收电磁场发射线路发射出的交变磁场；整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率；系统还使用了电磁耦合增强线圈(14)，提高系统的发射效率。 

所述的整流滤波模块(2)由桥式整流电路和滤波电路两部分组成，整流部分利用IGBT组成的大功率桥式电路将交流电变为直流电，同时滤波部分串联在整流电路域斩波功率振荡电路之间，用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电。 

所述的斩波功率振荡电路(3)由斩波电路与半桥功率推挽电路组成，其中斩波电路受信号控制电路(4)中单片机控制，以控制其输出电压值，半桥功率推挽 电路的开关频率固定，与发射线路的谐振频率一致。 

所述的信号控制电路(4)由功率检测电路和单片机控制电路组成。功率检测电路检测到的功率信号经过A／D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节(3)中斩波电路的输出电压指标。 

所述的电磁场发射线路(5)由外加绝缘层的金属导体组成，埋设在铁路机车的正下方，其谐振频率与电源频率保持一致，以保证较低的反射系数，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场。 

所述的电磁场耦合增强线圈(14)，由外加绝缘层的金属导体组成，并通过并联电容将其谐振频率匹配至与电源相等，此外，线圈中心还安装有磁芯(13)，以增强其磁通量，将空间多数磁场约束在磁芯中，电磁场发射线路(5)通过电磁场耦合增强线圈(14)向电磁场接收线圈(6)传递磁场，增强线圈的电压将比发射线路(5)的电压高，增强线圈中的谐振电流将增大，增强线圈中的波形将优于发射线路(5)中的波形，用于增大电磁场耦合范围，提高系统传输效率。 

所述的电磁场接收线圈(6)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，安装在机车的正下方，电磁场耦合增强线圈(14)的正上方，接收线圈在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的高效传递。 

所述的整流滤波斩波模块(7)由桥式整流电路、滤波电路、斩波电路组成，其中桥式整流电路将线圈获得的交流电整流成直流电，滤波电路消除电路中的高次谐波，随后斩波电路将滤波后的直流电转变成恒定输出电压的直流电。 

所述的逆变模块(8)由工频逆变电路组成，用于将整流滤波斩波模块(7)中输出的直流电转变成所需频率的交流电以提供给后级机车负载。 

本发明一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，是采用电源单元(1)、整流滤波模块(2)、斩波功率振荡电路(3)、信号控制模块(4)、电磁场发射线圈(5)、电磁场接收线圈(6)、整流滤波斩波模块(7)、逆变模块(8)和机车负载(9)组成的供电系统，系统还使用了电磁场耦合增强线圈(14)，增强了系统的耦合效果。系统避免了传统铁路接触网供电方式中受电弓的存在和与供电导线的高速摩擦，克服了传统机车供电方式需要定期更换受电弓碳板且供电线路磨损厉害的弊端，同时提高了无线供电在该系统中的传输效率，为铁路的无线供电提供了安全高效，具体实在的技术模型，也为无线传能技术的应用提供了样本。 

附图说明

图1是无线供电系统的整体功能框图； 

图2是发射单元结构示意图； 

图3是带增强线圈的能量传输模块的示意图； 

图4是电磁接收线圈的结构图。 

其中： 

10：电磁场发射线路      11：电磁场接收线圈 

12：并联谐振电容        13：增强线圈磁芯 

14：电磁场耦合增强线圈  15：接收线圈磁芯 

16：车底绝缘材料 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计做出详细地说明。 

电源单元(1)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块输入的 直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，由功率检测电路和单片机控制电路组成。功率检测电路检测到的功率信号经过A/D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节(3)中斩波电路的输出电压指标，控制斩波电路的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡，本例中预设的斩波输出电压值为25kV，功率阈值为21560kW，电压值和功率阈值可依照要求作出调整；电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场，该线路在架设之后使用之前测定过固有谐振频率，并通过串联或者并联电容与电源单元(1)的中心频率进行匹配，匹配后的发射线路(5)谐振频率与电源单元(1)的中心频率一致，以保证较低的反射系数；电磁场耦合增强线圈(14)，由外加绝缘层的金属导体组成，并通过并联电容将其谐振频率匹配至与电源相等，此外，线圈中心还安装有磁芯(13)，以增强其磁通量，将空间多数磁场约束在磁芯中，电磁场发射线路(5)通过电磁场耦合增强线圈(6)向电磁场接收线圈(7)传递磁场，增强线圈的电压将比发射线路(5)的电压高，增强线圈中的谐振电流将增大，增强线圈中的波形将优于发射线路(5)中的波形；接收线圈(6)，接收电磁场耦合增强线圈(14)发射出的交变磁场，该线圈在使用前已经与电源单元(1)及发射线路(5)进行了匹配，匹配方式为根据线路的自有谐振频率与电源单元(1)及发射线路(5)的频率进行比较，通过串联或者并联电容，使线圈的自有谐振频率与电源的中心频率保持一致，以实现系统的谐振式供电，此外，列车顶部所有的接收线圈串联后接入整流滤波斩波模块(7)；整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率。 

如图2所示，导线的两端分别接在斩波功率振荡电路(3)的两端，图中箭头所示方向为某一时刻电流在导体中的流向，这样的连接方式会使相邻两导体间的磁场方向相同，磁场强度增强，本设计就是利用了导线间叠加的磁场进行能量传递。发射导线的长度可以根据施工要求进行调整，但接线原理仍与本设计一致，本例选定距离为10km。 

如图3所示，所述的电磁场发射线路(10)位于机车的正上方。两根导线被对称架设在列车中心的两侧的正上方，因参考车型CRH380A的车身高度为3700mm，设计发射导线高度为导线轴心距离铁路钢轨最高处4000mm，两根发射导线中最中间一根导线位于铁轨中心的位置，其余两根发射导线分别布置在距离中心导线轴线向左与向右的1100mm处，且两根发射导线处于同一水平面，与铁路轨道所在平面平行，发射导线与车顶的高度差为300mm，图中箭头所示方向为某一时刻电流在导体中的流向，这样的连接方式会使相邻两导体间的磁场强度叠加，本设计就是利用了导线间叠加的磁场进行能量传递，其导线布置的高度及所选导体的材料与型号可根据实际需要进行调整，这种布置方式成熟、可靠，受外界影响较小，几乎不需要维护，仅需在现有铁路供电结构上进行改造即可实现，成本较其他形式的发射线路低。本例中电磁场发射线路选用半径10mm的利兹铜线，导线布置的间隔及所选导体的材料与型号可根据实际需要进行调整，这种布置方式成熟、可靠，受外界影响较小，几乎不需要维护，仅需在现有铁路供电结构上进行改造即可实现，成本较其他形式的发射线路低。 

如图3所示，所述的电磁场耦合增强线圈(14)由外加绝缘层的金属导体组成，并通过并联电容(12)将其谐振频率匹配至与电源相等，此外，线圈中心还安装有磁芯(13)，以增强其磁通量，将空间多数磁场约束在磁芯所在轴线上，电磁场发射线路(5)通过电磁场耦合增强线圈(14)向电磁场接收线圈(6)传递磁场，增强线圈 的电压将比发射线路(5)的电压高，增强线圈中的谐振电流将增大，增强线圈中的波形将优于发射线路(5)中的波形，用于增大电磁场耦合范围，提高系统传输效果，本例使用半径6mm的铜管绕制了3匝的螺线管线圈，螺线管线圈的主半径800mm，轴向节距8mm，线圈中心装有磁芯(13)，磁芯(13)选用牌号PC44的铁氧体烧制而成，磁性结构为圆柱体结构，半径400mm，轴向高度30mm，磁芯中心与螺线管中心重合，固定在线圈中心位置。带增强线圈的接收模块中各单元的布置方式从上到下依次是电磁场发射线路(14)、电磁场耦合增强线圈(14)和电磁场接收线圈(11)，各单元相互之间没有电连接，电磁场耦合增强线圈(14)和电磁场接收线圈(11)的轴心重合，电磁场耦合增强线圈(14)的最低点所在平面距离磁芯(15)上表面距离为3mm，该距离可进行调整，但电磁场耦合增强线圈(14)不应与发射线路(5)发生接触。 

如图4所示，所述的电磁场接收线圈(11)由金属导体绕制而成，本例使用半径4mm的铜线从中心开始向呈逆时针方向绕制45圈，外直径为1682mm，内直径为160mm，径向节距为17mm，所绕制接收线圈的形状、尺寸、匝数以及导体的材料与半径均可依照具体情况进行调整，线圈中心安装有一块直径150mm，厚度为3mm的圆形磁芯(15)，本例中使用牌号为PC44的铁氧体制成磁芯(15)，磁芯的尺寸与材料可根据需要作出调整，电磁场接收线圈(11)铺设在机车顶部，因现代铁路机车多为分布式动力机车，即各节车厢均有动力驱动，因此机车在启动时需要的功率很大，本发明要求各节车厢上部至少安装一个电磁场接收线圈(11)，本例中各节车厢上部均有两个接收线圈，且全车的线圈串联之后接入整流滤波斩波模块(7)。线圈下方所在车顶材料全部选用绝缘材料(16)，如果车顶选用金属材料，金属在交变电磁场的作用下会产生涡流，增大系统的损耗，降低机车的效率，且有危险性，本例中选用碳素纤维这种新型材料不仅绝缘而且强度较高，耐腐蚀。 

Claims (5)

1.一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，其特征在于设置有带有增强线圈磁芯(13)的电磁场耦合增强线圈(14)，用以约束空间电磁场，以提高电磁场发射线路(5)和电磁场接收线圈(6)之间的耦合效果，带有接收线圈磁芯(15)的电磁场接收线圈(11)，用于提高接收效率。

2.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，其特征还在于，所述的电磁场耦合增强线圈(14)在其轴线方向设置有增强线圈磁芯(13)。

3.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，其特征还在于，电磁场接收线圈(11)中心安装有磁芯(15)。

4.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，其特征还在于，电磁场接收线圈(11)与电磁场耦合增强线圈(14)被安装在同一轴心方向上，没有直接电气连接，电磁场耦合增强线圈(14)不与电磁场发射线路(5)发生接触。

5.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车无线供电的接收线圈设计，其特征还在于，所述的电磁场接收线圈(11)的下方所在列车顶部使用绝缘材料(16)。

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