CN106487200B - 具有无线电力传输系统的电磁推进系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有无线电力传输系统的电磁推进系统。一种电磁推进系统包括多个初级绕组和被布置来相对于所述多个初级绕组移动的永磁体。所述系统的次级绕组被设置与所述永磁体处于非移动关系。激励能量被施加到所述多个初级绕组用于产生包括基频分量和低频谐波分量的磁场。所述基频分量基本上有助于所述多个初级绕组与所述永磁体之间的运动，并且所述低频谐波分量基本上有助于基于所述多个初级绕组与所述永磁体之间的位移而在所述次级绕组中产生电动势。

Description

具有无线电力传输系统的电磁推进系统
背景技术
本公开涉及电磁推进系统，并且更具体地说，涉及具有无线电力传输系统的推进系统。
电磁推进系统操作来使第一结构大体通过磁悬浮相对于固定第二结构移动。在没有系链的情况下，难以向移动的第一结构提供机载电力。
作为一个非限制性实例，自推进电梯系统可利用此类磁推进系统。此类无绳电梯系统在用于有绳系统的绳子的质量是禁止的和/或在单个井道中需要多个电梯轿厢的某些应用(例如，高层建筑)中是有用的。电梯轿厢通常需要电力以用于通风、照明系统、门和制动器的操作、控制单元、通信单元并给安装在例如电梯轿厢控制器上的电池组再充电。此外，电梯轿厢可能在电力故障的情况下需要备用系统。现有系统使用移动电缆或集电器/滑块来将移动电梯轿厢与沿电梯井道分布的电力线连接。
发明内容
根据本公开的一个非限制性实施方案的电磁推进系统包括：多个初级绕组；永磁体，其被布置来相对于多个初级绕组移动；次级绕组，其被设置与永磁体处于非移动关系；以及激励能量，其被施加到多个初级绕组用于产生包括基频分量和低频谐波分量的磁场，并且其中基频分量基本上有助于多个初级绕组与永磁体之间的运动，并且低频谐波分量有助于基于多个初级绕组与永磁体之间的位移而在次级绕组中产生电动势。
除上述实施方案之外，磁场包括高频分量，其有助于在次级绕组中且基于随时间的变化产生电动势。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，永磁体和次级绕组由电梯轿厢承载，所述电梯轿厢响应于激励能量被推进。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，低频谐波分量和高频分量用于通过次级绕组将电力从多个初级绕组传输到电梯轿厢。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，电磁推进系统是线性电磁电机。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，电磁推进系统是复合运动电磁电机。
根据另一个非限制性实施方案的电梯系统包括：电梯轿厢，其被布置来沿结构所限定的井道移动；电动子系统，其由电梯轿厢承载；多个初级绕组，其接合到结构并且沿井道定位；永磁体，其耦接到电梯轿厢，多个初级绕组和永磁体被配置来向电梯轿厢施加运动；激励能量，其被施加到多个初级绕组用于产生包括基频分量和低频谐波分量的磁场，并且其中基频分量基本上有助于电梯轿厢的运动；以及次级绕组，其耦接到电梯轿厢并且被设置邻近永磁体，并且其中低频谐波分量基于多个绕组与电梯轿厢之间的位移而在次级绕组中产生电动势，用于向电动子系统提供电力。
除上述实施方案之外，磁场包括高频分量，其有助于在次级绕组中且基于随时间的变化产生电动势。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，电动子系统包括电池组、通风单元、照明系统、门操作单元、制动单元、显示单元、控制单元和通信单元中的至少一个。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，电梯系统包括控制器，其被配置来顺序地控制多个初级绕组的通电。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，电梯系统是无绳的。
替代地或除此之外，在上述实施方案中，电梯系统包括电力换流器，其设置在电梯轿厢中并且被配置来将来自次级绕组的感应电压和电流转换成合适的AC或DC电压和电流。
前述特征和元件可以各种组合非排他性地进行组合，除非另有明确指示。根据以下描述和附图，这些特征和元件及其操作将变得更为明显。然而，应理解下述描述和附图意图在本质上是示例性的并且是非限制性的。
附图说明
各种特征通过公开的非限制性实施方案的下述详述对于本领域技术人员将变得显而易见。详细说明所附的附图可简述如下：
图1示出示例性实施方案中的多轿厢电梯系统；
图2为示例性实施方案中的轿厢和线性推进系统的部分的自顶向下视图；
图3为线性推进系统的示意图；
图4为具有无线电力传输系统的电梯系统的示意图；
图5为总激励电流的图；
图6为图5中的总激励电流的基频分量和高频分量的图；
图7为高频分量所产生的场的图；
图8为示出推进系统的通电初级绕组所产生的磁场分量的方框图；以及
图9为具有无线电力传输系统的推进系统的第二实施方案的示意图。
具体实施方式
被转让给与本公开相同的受让人并且在与本公开相同的日期提交的以下专利申请全文以引用方式并入本文中(通过案卷号来识别)：79766US01(U320411US)；78887US01(U320410US)；78800US01(U320415US)；和77964US01(U320409US)。
图1描绘示例性实施方案中的自推进或无绳电梯系统20，其可在具有多个层面或楼层24的结构或建筑物22中使用。电梯系统20包括具有由结构22限定的边界的井道26和适于在井道26中行进的至少一个轿厢28。井道26可包括例如三个通道30、32、34，各自沿相应的中央轴线35延伸，其中任何数目的轿厢28在任一个通道中并且在任何数目的行进方向(例如，向上和向下)上行进。例如并且如所示出，通道30、34中的轿厢28可沿着向上方向行进并且通道32中的轿厢28可沿着向下的方向行进。
上转接站36可位于顶部楼层24上方，其促进电梯轿厢28的水平运动以便在通道30、32、34之间移动轿厢。下转接站38可位于第一楼层24下方，其促进电梯轿厢28的水平运动以便在通道30、32、34之间移动轿厢。应当理解，上转接站36和下转接站38可相应地位于顶部楼层24和第一楼层24处而不是在顶部楼层上方和第一楼层下方，或者可位于任何中间楼层处。另外，电梯系统20可包括垂直位于上转接站36和下转接站38之间并且类似于上转接站36和下转接站38的一个或多个中间转接站(未示出)。
参考图1至3，使用线性推进系统40来推进轿厢28，所述线性推进系统40具有至少一个固定初级部分42(例如，如图2所示安装在轿厢28的相反侧上的两个)、移动次级部分44(例如，如图2所示安装在轿厢28的相反侧上的两个)和控制系统46(见图4)。初级部分42(即定子)包括多个绕组48，所述多个绕组48安装在井道26中的通道30、32和34的一侧或两侧处。每个次级部分44可包括安装到轿厢28的两排相对的永磁体50A、50B。初级部分42被提供来自控制系统46的驱动激励以便产生磁通量，所述磁通量在次级部分44上施加力来控制轿厢28在其相应通道30、32、34中的移动(例如，向上移动、向下移动或保持静止)。初级部分42的多个绕组48通常位于相对排的永磁体50A、50B之间并且与永磁体50A、50B间隔开。应当考虑和理解，任何数目的次级部分44可安装到轿厢28，并且任何数目的初级部分42可与次级部分44以任何数目的配置相关联。
参考图3，控制系统46可包括电源52、电力换流器54(例如，电机或推进驱动器)、总线56和控制器58。电源52通过总线56电耦接到电力换流器54。在一个非限制性实例中，电源52可以是直流(DC)电源或交流(AC)电源。DC电源52可使用存储装置(例如，电池组、电容器)来实现，并且可以是调节来自另一个源的电力的有源装置(例如，连接到电网、发电机等的整流器)。电力换流器54可从总线56接收DC或AC电力，并且可向线性推进系统40的初级部分42提供驱动激励。每个电力换流器54可以是一种换流器，所述换流器将来自总线56的DC或AC电力转换成向初级部分42的相应区段提供的多相(例如，如图3所示的三相，以及如图4所示的两相)驱动激励。初级部分42可分成多个模块或区段，其中每个区段与相应电力换流器54相关联。
控制器58向每个电力换流器54提供控制信号以便控制驱动激励的产生。控制器58可使用脉冲宽度调制(PWM)控制信号来控制电力换流器54产生驱动激励。控制器58可使用被编程来产生控制信号的基于信号处理器的装置来实现。控制器58可分布作为每个驱动器54的一部分，以便产生用于对应驱动的控制信号。控制器58也可以是电梯控制系统或电梯管理系统的一部分。控制系统46的元件可在单个集成模块中实现，和/或沿井道26分布。
参考图4，电梯系统20的无线电力传输系统60可用于给电梯轿厢28中或上的负载或电梯轿厢子系统62供电。电力传输系统60可以是控制系统46的整体部分，由此共享各种部件，诸如控制器58(见图3)、总线56、电源52、电力换流器54、初级部分42和其他部件。子系统62可包括电池组或能量存储装置、通风单元、照明系统、门操作单元、制动单元、显示单元、控制单元、通信单元等。子系统62可以是利用传统电力频率(例如像大约60Hz)的交流(AC)负载，诸如通风单元的风扇等。替代地或除此之外，子系统62可包括直流(DC)负载，诸如显示单元。2014年11月27日在专利合作条约下公开的、2013年5月21日提交的、并且转让给Otis Elevator Company of Farmington，Connecticut的国际专利申请WO 2014/189492通过引用以其整体并入本文。
参考图4和5，初级组件42可包括处于第一相的多个初级绕组64和处于从第一相偏置的第二相的多个初级绕组66。电力换流器54(例如，通过PWM控制的切换电力换流器)从电源52接收电力，并且可将电力转换成初级绕组64、66的预先确定的基频、电压、相数(如图4所示的两个)和受控激励电流。来自换流器54的能量被输出到初级绕组64、66。在图5中示出由每个初级绕组64、66接收的总激励电流。机械推进由激励的低频(例如，基频)分量产生，所述低频分量通常处于可在大约0Hz至100Hz的范围内的低频(即其中0Hz可以是在轿厢通过初级绕组的激励而保持在固定位置时的情况)。
可产生切换频率波纹的开关调制是切换电力换流器54中通常固有的。切换频率波纹分量被无线电力传输系统60利用。更确切地说且如图6中最佳示出的，绕组64的总激励电流(ix)可分解成处于低基频的基频分量(ixb)和处于高得多的激励切换频率的波纹或切换频率分量(ixs)(即切换频率波纹)，其可在大约1kHz至100kHz的范围内。类似地，绕组66的总激励电流(iy)可分解成处于低频的基频分量(iyb)和处于高得多的激励切换频率的切换频率分量(iys)。相应总激励电流(ix)、(iy)的基频分量(ixb)、(iyb)可通常由推进系统40使用以便使电梯轿厢28悬浮和/或推进电梯轿厢28。切换频率分量(ixs)、(iys)可由无线电力传输系统60使用以便给电梯轿厢负载62供电。参考图7，图中示出由切换频率分量(ixs)、(iys)产生的可能的合成场。替代此激励或除其之外，初级绕组可被提供高频激励，所述高频激励远大于基频但低于切换频率，以便将无线电力传输到次级。
无线电力传输系统60可还包括通常在电梯轿厢28中或由其承载的部件。此类部件可包括次级绕组68，其被配置来在通电初级绕组64、66邻近其时利用电压或电流来感应；可以是有源和/或无源的谐振部件70；以及电力换流器72。次级绕组68可在绕组邻近通电的初级绕组64、66时感应出电流，并且可基于感应或基于谐振被构造成大体在激励切换波纹的频率处或在切换频率波纹的谐波分量处谐振。尽管未示出，次级绕组68可具有不等于初级绕组64、66的极距的极距。电力传输系统60的次级绕组68可通常卷绕在推进系统40的次级部分44的永磁体50A、50B中的一个或两个周围。
谐振部件70从次级绕组68接收能量并且可以是无源的或有源的。作为无源谐振部件70，所述部件通常是电容器并且能够存储AC电力或以AC电力进行操作。作为有源谐振部件70，所述部件70被配置来减轻较弱或可变耦合系数的影响(即在次级绕组68穿过初级绕组64、66时变化)。也就是说，谐振部件70可用于使来自次级绕组68的感应输出电流和电压达到平衡。
电梯轿厢28中的电力换流器72被配置来从谐振部件70接收高频电力。换流器72可将高频电力降低到与电梯轿厢28中的AC负载62兼容的合适低频电力(例如，60Hz等的低电力频率)。换流器72还可用于将高频电力转换成DC电力，所述DC电力随后存储在能量存储装置(未示出)中。能量存储装置的实例可以是一种类型的电池组。
在高切换频率(即与低频相反)下次级绕组68中感应出电流的能力可优化从初级绕组64、66到次级绕组68的感应电力传输的效率。此外，高切换频率通常促进许多系统部件尺寸的减少，诸如次级绕组68、谐振部件70和换流器72等。减少部件的尺寸改善系统的封装，并且可减轻电梯轿厢28的重量。
次级绕组68可被设计和部署成使得基频分量(ixb)、(iyb)不在次级绕组上产生任何可变场，并且仅高切换频率场(即通过换流器切换产生的)在次级绕组上产生变化场以便启用无线电力传输。电梯系统20是高度可靠的、安全的，并且不受基于接触的电力传输系统的机械局限性和电局限性所限制。电梯系统20可利用固定侧上的现存激励布置用于无线电力传输功能。此外，系统20可利用通过切换电力换流器54产生的波纹分量，所述电力换流器54可能已经在典型系统中存在。系统20是相对简单和稳固的，并且可不需要初级激励的附加切换或调制，以及在系统固定侧上的附加电力换流器和绕组。本公开也可用于固定侧与移动侧之间的任何信息交换。
参考图8，一种利用无线电力传输系统60的方法应用由于磁通量随空间和时间的改变而产生的电动势的感应理论。如先前所描述的，电力可通过初级绕组44、46上的合适激励从初级绕组44、46无线传输到次级绕组68。由通电的初级绕组产生的总磁场(BTF)可由三个分量组成：(1)基频分量(BBF)80，(2)低频谐波分量(BLF)82，以及(3)高频分量(BHF)84。分量80、82、84在以下等式中表示：
(1)BTF＝BBF+BLF+BHF
基频谐波分量80与永磁体50A、50B的磁场相互作用以便产生用于推进的力。低频谐波分量82产生主要由于位置改变的电动势，并且可由以下等式表示：
(2)eLF＝dBLF/dx
高频分量84产生主要由于其随时间变化的电动势，并且可由以下等式表示：
(3)eHF＝dBHF/dt
因此，由初级绕组44、46产生的低频谐波分量82和高频分量84可用于将电力无线传输到电梯轿厢28。除动态情况之外，在电梯轿厢28是固定的静态情况下，可通过修改基础通量(等式1)以及通过利用高频分量84(等式3)来实现无线电力传输。可使用绕组结构和激励电流的组合来产生低频谐波分量82。对于初级绕组和次级绕组的组合，使用低频谐波分量82的电力传输可产生脉动力。通过在初级绕组、次级绕组的不同组合中低频分量之间的适当相移，可有效地消除轿厢上的此类脉动力。另外应当考虑和理解，无线传输方法可适用于具有线性运动、旋转运动和/或复合运动的任何类型的电磁动态系统。
可使用绕组结构和激励电流的组合来产生用于无线电力传输的低频谐波分量。对于初级绕组和次级绕组的组合，使用低频分量的电力传输可产生脉动力。通过在初级绕组、次级绕组的不同组合中低频分量之间的适当相移，可有效地消除轿厢上的此类脉动力。
参考图9，示出推进系统的第二实施方案，其中与第一实施方案类似的部件具有类似的元件号码，除添加了“’”符号后缀之外。推进系统40’可以不是线性机电式电机，而是可以为复合运动机电式电机，所述复合运动机电式电机可包括旋转(即旋转电机)、或旋转运动和线性运动的组合。无线电力传输系统60’可与推进系统40’是成整体的。另外应当考虑和理解，系统40’、60’可不限于电梯，并且可应用于将需要从固定结构22’到移动结构28’的无线电力传输的任何各种应用。
虽然参照示例性实施方案对本公开进行描述，但是本领域技术人员将会理解的是：在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变并且可以进行等效物替代。此外，可在不脱离其实质范围的情况下进行各种修改来使本公开的教导内容适用于特定情况、应用和/或材料。因此本公开不限于本文所公开的特定实例，而是包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (12)

1.一种电磁推进系统，其包括：
多个初级绕组；
永磁体，其被布置来相对于所述多个初级绕组移动；
次级绕组，其被设置与所述永磁体处于非移动关系；以及
激励能量，其被施加到所述多个初级绕组用于产生包括基频分量和低频谐波分量的磁场，并且其中所述基频分量基本上有助于所述多个初级绕组与所述永磁体之间的运动，并且所述低频谐波分量基本上有助于基于所述多个初级绕组与所述永磁体之间的位移而在所述次级绕组中产生电动势。
2.如权利要求1所述的电磁推进系统，其中所述磁场包括高频分量，其有助于在所述次级绕组中且基于随时间的变化产生所述电动势。
3.如权利要求2所述的电磁推进系统，其中所述永磁体和所述次级绕组由电梯轿厢承载，所述电梯轿厢响应于所述激励能量被推进。
4.如权利要求3所述的电磁推进系统，其中所述低频谐波分量和所述高频分量用于通过所述次级绕组将电力从所述多个初级绕组传输到所述电梯轿厢。
5.如权利要求1所述的电磁推进系统，其中所述电磁推进系统是线性电磁电机。
6.如权利要求1所述的电磁推进系统，其中所述电磁推进系统是复合运动电磁电机。
7.一种电梯系统，其包括：
电梯轿厢，其被布置来沿由结构限定的井道移动；
电动子系统，其由所述电梯轿厢承载；
多个初级绕组，其接合到所述结构并且沿所述井道定位；
永磁体，其耦接到所述电梯轿厢，所述多个初级绕组和所述永磁体被配置来向所述电梯轿厢施加运动；
激励能量，其被施加到所述多个初级绕组用于产生包括基频分量和低频谐波分量的磁场，并且其中所述基频分量基本上有助于所述电梯轿厢的所述运动；以及
次级绕组，其耦接到所述电梯轿厢并且被设置邻近所述永磁体，并且其中所述低频谐波分量基于所述多个初级绕组与所述电梯轿厢之间的位移而在所述次级绕组中产生电动势，用于向所述电动子系统提供电力。
8.如权利要求7所述的电梯系统，其中所述磁场包括高频分量，其有助于在所述次级绕组中且基于随时间的变化产生所述电动势。
9.如权利要求7所述的电梯系统，其中所述电动子系统包括电池组、通风单元、照明系统、门操作单元、制动单元、显示单元、控制单元和通信单元中的至少一个。
10.如权利要求7所述的电梯系统，其还包括：
控制器，其被配置来顺序地控制所述多个初级绕组的通电。
11.如权利要求7所述的电梯系统，其中所述电梯系统是无绳的。
12.如权利要求7所述的电梯系统，其还包括：
电力换流器，其设置在所述电梯轿厢中并且被配置来将来自所述次级绕组的感应电压和电流转换成合适的AC或DC电压和电流。
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