CN103825371A - 高速机车用大容量无线电力传输耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高速机车用大容量无线电力传输耦合器，属于无线电能传输与转换范畴，可以实现对高速行驶中的列车进行大容量且高效可靠的无线电能传输转换，具有广阔的市场前景。该装置针对高速铁路行进过程中高效稳定的获得大容量电能的问题，采用主发射线圈与两组谐振线圈运行于协同工作的状态，使高频电磁能量集中分布于接收线圈附近区域。同时，采用电磁屏蔽层以保证电能传输时对外界的影响最小，从而实现电能的高效可靠无线传输。
Description
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，是集基础研究与应用研究为一体的前沿课题，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，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。
本发明高速机车用大容量无线电力传输耦合器，针对高速列车驱动的特点，基于无线电能传输技术，采用双线圈磁场叠加原理，配合无源谐振器使系统工作于协同工作状态，能够充分发挥无线电能传输系统的电气特性，可实现在线圈工作区域内的安全、可靠及高效的向负载进行无线供电，可以广泛应用于高速列车大容量无线供电场合。
背景技术
无线电能传输技术大致可分为三种：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心装置。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。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。
列车在高速行驶过程中，驱动的电能通过受电弓与导线接触并发生摩擦获得，这种方式本身存在很大的摩擦损耗，还有可能出现火花放电，也不利于列车速度的提高。因此，通过无线的方式对高速机车进行供电成为解决上述问题的有效手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对高速铁路行进过程中高效稳定的获得大容量电能的问题，设计可用于大容量无线供电的耦合器，使高频电磁能量集中分布于接收线圈附近区域。同时，通过无源谐振器起到磁场增强的作用，然后设计合理的电磁屏蔽结构以保证电能传输时对外界的影响最小，从而实现电能的高效可靠无线传输。
本发明所采用的技术方案是：高速机车用大容量无线电力传输耦合器，包括有无线充电电源将高频电磁功率经由通断控制开关(2)及自动调谐电路(3)加载到主发射线圈(5)上，主发射线圈(5)产生电路谐振后高频电磁功率将分布于线圈周围空间并在线圈中心处产生叠加的强磁场，上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)分别固定于主发射线圈(5)上方及下方以加强线圈中心处的无线电能传输效果，接收线圈组(8)在上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)之间的空间高速滑过，从而接收到电能并向负载(9)进行供电；上谐振线圈(6)、下谐振线圈(7)及主发射线圈(5)被电磁屏蔽层(4)包围以降低无线电能传输对外界的影响。
所述的主发射线圈(5)由两组线圈交叉循环并沿直线铺展而成，每组线圈由四个子绕组构成，左右两侧的子绕组流过的电流方向相反以保证线圈中心处磁场强度最大，子绕组线径为0.2mm2、匝数为1000且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面DNA螺旋交叉结构，循环周期长度为100cm，整体排布成直线结构，线圈外围铺设有高导磁铁氧体对外围空间电磁场进行屏蔽。
所述的上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm，采用耐高压金属薄膜电容与线圈进行并联上谐振线圈(6)固定于主发射线圈(5)子绕组的下方，下谐振线圈(7)固定于主发射线圈(5)子绕组的上方，两线圈中间区域为有效工作区域。
所述的接收线圈组(8)采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm；接收线圈组(8)位于上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)之间的有效工作区域，其中的所有线圈采用并联结构以减小电感量，并串联有耐高压金属薄膜电容。
本发明的高速机车用大容量无线电力传输耦合器，针对高速列车在行驶过程中安全可靠的无线供电问题，通过主发射线圈(5)将电磁场能量集中于线圈中部，通过上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)加强磁场叠加效果，通过电磁屏蔽层(4)约束线圈外围的电磁场，使能量以协同工作的方式传送给接收线圈组(8)，从而使负载(9)以无线的方式获得电能，实现对行驶过程中的高速机车提供可靠稳定的电力供应，避免了传统受电弓取电的诸多问题。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是主发射线圈(5)、上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)的横截面图；
图3是主发射线圈(5)、上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)的俯视图；
图4是接收线圈组(8)的结构图。
其中：
(1)：无线充电电源；(2)：通断控制开关；(3)：自动调谐电路；(4)：电磁屏蔽层；(5)：主发射线圈；(6)：上谐振线圈；(7)：下谐振线圈；(8)：接收线圈；(9)：负载。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的高速机车用大容量无线电力传输耦合器做出详细说明。
如图1所示，本发明的高速机车用大容量无线电力传输耦合器，包括有：无线充电电源(1)，通断控制开关(2)，自动调谐电路(3)，电磁屏蔽层(4)，主发射线圈(5)，上谐振线圈(6)，下谐振线圈(7)，接收线圈组(8)，负载(9)。
如图2所示，所述的主发射线圈(5)由两组线圈交叉循环并沿直线铺展而成，每组线圈由四个子绕组构成，线圈具有平面DNA螺旋交叉结构，循环周期长度为100cm，整体排布成直线结构，线圈外围铺设有高导磁铁氧体对外围空间电磁场进行屏蔽。当主发射线圈(5)上加载有电磁功率时，左右两侧的子绕组流过的电流不论在哪一个循环组中始终保持相反，根据右手定则可知线圈中心处磁场强度最大。通过电磁屏蔽层(4)对主发射线圈(5)线圈周围的电磁场分布进行屏蔽，并进一步的集中了中心处的磁场强度。上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)中间区域为接收线圈组(8)的有效工作区域，且两线圈与主发射线圈(5)发生谐振，都参与无线电能传输，为接收线圈组(8)高效可靠的获取电能奠定了基础。
如图3所示，所述的上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)采用耐高压金属薄膜电容与线圈进行并联上谐振线圈(6)固定于主发射线圈(5)子绕组的下方，下谐振线圈(7)固定于主发射线圈(5)子绕组的上方，两线圈中间区域为有效工作区域。上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)沿主发射线圈(5)的循环组进行布设并与主发射线圈(5)发生电磁谐振，当接收线圈组(8)沿主发射线圈(5)的直线方向切割磁感线时，每一个谐振线圈都会起到中继和增强磁场的作用，从而使接收线圈组(8)划过时在每一个循环组中都能够获得大容量电磁功率。
如图4所示，所述的接收线圈组(8)采，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm。接收线圈组(8)的所有线圈采用并联结构以减小电感量，并串联有耐高压金属薄膜电容从而与主发射线圈(5)发生电磁谐振。接收线圈组(8)位于上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)之间的有效工作区域，且与上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)没有滚动或滑动接触。当接收线圈组(8)从有效工作区域中快速驶过时，电磁能量一部分通过主发射线圈(5)以电磁感应的方式获得，另一部分通过与上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)发生谐振以近场谐振的方式获得，最终运行于协同工作的状态。
本发明的高速机车用大容量无线电力传输耦合器，针对高速铁路行进过程中高效稳定的获得大容量电能的问题，设计可用于大容量无线供电的耦合器，采用主发射线圈(5)、上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)协同工作的方式，使高频电磁能量集中分布于接收线圈附近区域。同时，通过无源谐振器起到磁场增强的作用，然后设计合理的电磁屏蔽结构以保证电能传输时对外界的影响最小，从而实现电能的高效可靠无线传输。
Claims (4)
1.高速机车用大容量无线电力传输耦合器，其特征在于所述的无线充电电源将高频电磁功率经由通断控制开关(2)及自动调谐电路(3)加载到主发射线圈(5)上，主发射线圈(5)产生电路谐振后高频电磁功率将分布于线圈周围空间并在线圈中心处产生叠加的强磁场，上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)分别固定于主发射线圈(5)上方及下方以加强线圈中心处的无线电能传输效果，接收线圈组(8)在上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)之间的空间高速滑过，从而接收到电能并向负载(9)进行供电；上谐振线圈(6)、下谐振线圈(7)及主发射线圈(5)被电磁屏蔽层(4)包围以降低无线电能传输对外界的影响。
2.根据权利要求1所述的高速机车用大容量无线电力传输耦合器，其特征还在于，所述的主发射线圈(5)由两组线圈交叉循环并沿直线铺展而成，每组线圈由四个子绕组构成，左右两侧的子绕组流过的电流方向相反以保证线圈中心处磁场强度最大，子绕组线径为0.2mm2、匝数为1000且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面DNA螺旋交叉结构，循环周期长度为100cm，整体排布成直线结构，线圈外围铺设有高导磁铁氧体对外围空间电磁场进行屏蔽。
3.根据权利要求1所述的高速机车用大容量无线电力传输耦合器，其特征还在于，所述的上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm，采用耐高压金属薄膜电容与线圈进行并联上谐振线圈(6)固定于主发射线圈(5)子绕组的下方，下谐振线圈(7)固定于主发射线圈(5)子绕组的上方，两线圈中间区域为有效工作区域。
4.根据权利要求1所述的高速机车用大容量无线电力传输耦合器，其特征还在于，所述的接收线圈组(8)采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm；接收线圈组(8)位于上谐振线圈(6)与下谐振线圈(7)之间的有效工作区域，其中的所有线圈采用并联结构以减小电感量，并串联有耐高压金属薄膜电容。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106515461A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-03-22 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 磁悬浮列车集电靴及磁悬浮列车电磁屏蔽方法 |
| CN108407664A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-08-17 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种电动汽车动态无线充电系统及充电方法 |
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| CN106515461A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-03-22 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 磁悬浮列车集电靴及磁悬浮列车电磁屏蔽方法 |
| CN106515461B (zh) * | 2016-12-29 | 2023-09-22 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 磁悬浮列车集电靴及磁悬浮列车电磁屏蔽方法 |
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