CN106532980B - 一种轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈，包括沿轨道铺设的能量发射线圈和安装于列车底部的能量拾取线圈，能量发射线圈包括多段长宽相等，并依次相间铺设的单极性线圈与双极性线圈，各能量发射线圈所在的补偿滤波回路均并联至高频交流电源H；能量拾取线圈包括长宽与能量发射线圈相等的一个单极性线圈与一个双极性线圈，单极性线圈串联补偿电容后并联至整流器K1的输入端，双极性线圈串联补偿电容后并联至整流器K2的输入端，整流器K1和K2的输出端串联后接电动机G。本发明实现能量发射线圈解耦，且能量拾取线圈在移动过程中拾取到一个稳定的感应电动势。
Description
技术领域
本发明涉及感应电能传输技术领域，具体为一种轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈。
背景技术
感应电能传输技术通过能量发射线圈与能量拾取线圈之间的高频磁场耦合，以非接触的方式将电能从能量发射装置传输至能量拾取装置。感应电能传输技术与传统依靠导体直接物理接触取电的方式相比，其优势在于：由于线圈并不直接裸露在空气中，所以电能传输过程不受污垢、冰、积水以及其他化学物质的影响，有效地提高了供电安全性和可靠性，有着良好的应用前景。
感应电能传输系统的结构和工作过程为：工频交流电经过整流器整流成直流电，直流电输入到高频逆变器装置后变换成高频的交流电；高频的交流电在能量发射线圈上激发高频磁场；与能量发射线圈并不直接接触的能量拾取线圈通过高频磁场近场耦合感应出同频交变电压，经过次级电路的电能变换装置变换成负载所需的电能形式供给负载，实现能量的非接触式传输。
近年来，越来越多的研究将感应电能传输系统应用到轨道交通中，然而针对轨道列车运行过程的动态供电问题亟待解决，包括能量发射线圈互感问题、拾取电压波动问题。由于列车运行线路长，实际工程上考虑将能量发射线圈分成多段，因LCL补偿拓扑具有能量发射线圈恒流作用，即便在空载的情况下也能保证一个很小的损耗，故各个分段均采用LCL补偿拓扑。多段能量发射线圈经电容电感补偿后接同一高频逆变器，然而多个分段的能量发射线圈之间存在相互耦合的关系，将导致系统无法配谐振，无法处于软开关的最佳工况；列车在运行过程中处于不同位置时，安装在列车底部的能量拾取线圈与铺设在轨道上的能量发射线圈的耦合系数处于动态变化，能量拾取线圈与各个分段的能量发射线圈的耦合之和处于变化，将导致能量拾取电压的波动。
非接触式动态供电技术中，已有的拾取电压波动解决方法是在能量发射线圈与能量接收线圈都是同一极性的前提下，通过设置能量接收线圈的长度，使得能量拾取线圈在各个位置与能量发射线圈之间的耦合之和几乎相等。但其仍然存在问题：同一极性的各个分段的能量发射线圈之间存在耦合关系，不利于系统参数设计，同时系统处于不谐振的工况下，影响系统效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种轨道交通列车的非接触式动态供电系统的线圈结构设计，该线圈结构能够实现列车在运行过程中处于不同位置时，安装在列车底部的能量拾取线圈与铺设在轨道上的各个分段的能量发射线圈的耦合系数之和基本处于稳定，保证能量拾取电压的稳定。技术方案如下：
一种轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈，包括沿轨道铺设的能量发射线圈和安装于列车底部的能量拾取线圈，能量发射线圈包括多段长宽相等，并依次相间铺设的发射侧单极性线圈与发射侧双极性线圈，且发射侧双极性线圈产生的主磁场方向与列车前进方向垂直，各能量发射线圈所在的补偿滤波回路均并联至高频交流电源H；能量拾取线圈包括长宽与能量发射线圈相等的一个拾取侧单极性线圈与一个拾取侧双极性线圈，拾取侧单极性线圈串联补偿电容Cs后并联至整流器K1的输入端，拾取侧双极性线圈串联补偿电容Cd后并联至整流器K2的输入端，整流器K1和整流器K2的输出端串联后接电动机G。
进一步的，所述拾取侧单极性线圈正对于发射侧单极性线圈时，两线圈的互感值与拾取侧双极性线圈正对于发射侧双极性线圈时，两线圈的互感值相等。
更进一步的，所述补偿滤波回路的连接方式为：高频交流电源H依次连接滤波电感Lfn和滤波电容Cfn形成回路；同时滤波电容Cfn的上端与补偿电容Cn的上端相连，补偿电容Cn的下端与能量发射线圈Ln的上端相连，能量发射线圈Ln的下端与滤波电容Cfn的下端相连构成回路。
更进一步的，各补偿滤波回路中的滤波电感Lfn的电感值均相等，滤波电容Cfn的电容值均相等，且滤波电感Lfn的电感值与能量发射线圈Ln的电感值及补偿电容Cn的电容值的关系由下式确定：
本发明的有益效果是：
1)本发明通过将单极性线圈与双极性线圈依次相间沿轨道铺设，巧妙地使得相邻能量发射线圈之间解耦，不存在相互影响，不影响系统参数设计以及谐振状态；而距离较远的极性相同的能量发射线圈之间的耦合系数较小，可以忽略不计；
2)本发明能量拾取线圈由一个单极性线圈与一个双极性线圈组成，两个线圈之间相互解耦，互不影响；拾取侧单极性线圈耦合发射侧单极性线圈，与发射侧双极性线圈解耦；拾取侧双极性线圈耦合发射侧双极性线圈，与发射侧单极性线圈解耦；
3)本发明巧妙地使能量拾取线圈沿列车运行方向运动时，两个能量拾取线圈与能量发射线圈之间的耦合系数保持平稳，也就是能量拾取线圈拾取到的感应电动势之和较为平稳，换言之，电动机的供电电压较为平稳；
4)本发明系统仍工作在谐振状态，从而减少了系统的无功功率输出，提高了系统功率因数。
附图说明
图1是本发明实施例的单极性线圈结构示意图。
图2是本发明实施例的双极性线圈结构示意图。
图3是本发明实施例的非接触式动态供电系统电路结构示意图。
图4是本发明实施例的非接触式动态供电系统线圈结构正视图。
图5是本发明实施例的非接触式动态供电系统线圈结构俯视图。
图6是本发明实施例的非接触式动态供电系统线圈结构侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和技术效果做进一步详细说明。一种轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈，包括沿轨道铺设的能量发射线圈和安装于列车底部的能量拾取线圈，能量发射线圈包括多段长宽相等，并依次相间铺设的发射侧单极性线圈与发射侧双极性线圈，且发射侧双极性线圈产生的主磁场方向与列车前进方向垂直，各能量发射线圈所在的补偿滤波回路均并联至高频交流电源H；能量拾取线圈包括长宽与能量发射线圈相等的一个拾取侧单极性线圈与一个拾取侧双极性线圈，拾取侧单极性线圈串联补偿电容Cs后并联至整流器K1的输入端，拾取侧双极性线圈串联补偿电容Cd后并联至整流器K2的输入端，整流器K1和整流器K2的输出端串联后接电动机G。其中，单极性线圈结构如图1所示，双极性线圈结构如图2所示。
如图3所示的实施例：能量发射线圈包括单极性线圈L1、L3、L5与双极性线圈L2、L4、L6，单极性线圈L1、L3、L5与双极性线圈L2、L4、L6依次相间紧靠沿轨道铺设，如图4-6所示，各个能量发射线圈通过滤波电感Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5、Lf6、滤波电容Cf1、Cf2、Cf3、Cf4、Cf5、Cf6、补偿电容C1、C2、C3、C4、C5、C6连接后并联至一个大容量高频交流电源H。其中铺设双极性线圈L2、L4、L6的方向应选择其产生的主磁场方向与列车前进方向垂直。
所述的能量拾取线圈与能量发射线圈没有垂直于列车前进方向上的偏移，包括一个单极性线圈Ls与一个双极性线圈Ld，其中单极性线圈Ls与双极性线圈Ld的长宽相等，且与能量发射线圈的单极性线圈L1、L3、L5、双极性线圈L2、L4、L6的长宽相等；其中单极性线圈Ls与双极性线圈Ld完全重叠，如图4-6所示，单极性线圈Ls串联补偿电容Cs后并联至整流器K1的输入端，双极性线圈Ld串联补偿电容Cd后并联至整流器K2的输入端，整流器K1的输出端与整流器K2的输出端串联后接电动机G。
能量拾取线圈的单极性线圈Ls的匝数为能量发射线圈的单极性线圈L1、L3、L5的匝数为当能量拾取线圈的单极性线圈Ls正对于能量发射线圈的单极性线圈L1或L3或L5时，两线圈互感值为能量拾取线圈的双极性线圈Ld的匝数为能量发射线圈的双极性线圈L2、L4、L6的匝数为当能量拾取线圈的双极性线圈Ld正对于能量发射线圈的双极性线圈L2或L4或L6时，两线圈互感值也为
大容量高频交流电源H在单极性线圈L1、L3、L5与双极性线圈L2、L4、L6上产生相同的恒定电流。
滤波电感Lf1、滤波电容Cf1、补偿电容C1、能量发射线圈L1与大容量高频交流电源H的连接方式是：大容量高频交流电源H的依次通过滤波电感Lf1、滤波电容Cf1形成回路；滤波电容Cf1的上端与补偿电容C1的上端相连，补偿电容C1的下端与能量发射线圈L1的上端相连，能量发射线圈L1的下端与滤波电容Cf1的下端相连构成回路。
同理，滤波电感Lf2、滤波电容Cf2、补偿电容C2、能量发射线圈L2与大容量高频交流电源H的连接方式是：大容量高频交流电源H的依次通过滤波电感Lf2、滤波电容Cf2形成回路；滤波电容Cf2的上端与补偿电容C2的上端相连，补偿电容C2的下端与能量发射线圈L2的上端相连，能量发射线圈L2的下端与滤波电容Cf2的下端相连构成回路。
同理，滤波电感Lf3、滤波电容Cf3、补偿电容C3、能量发射线圈L3与大容量高频交流电源H的连接方式是：大容量高频交流电源H的依次通过滤波电感Lf3、滤波电容Cf3形成回路；滤波电容Cf3的上端与补偿电容C3的上端相连，补偿电容C3的下端与能量发射线圈L3的上端相连，能量发射线圈L3的下端与滤波电容Cf3的下端相连构成回路。
同理，滤波电感Lf4、滤波电容Cf4、补偿电容C4、能量发射线圈L4与大容量高频交流电源H的连接方式是：大容量高频交流电源H的依次通过滤波电感Lf4、滤波电容Cf4形成回路；滤波电容Cf4的上端与补偿电容C4的上端相连，补偿电容C4的下端与能量发射线圈L4的上端相连，能量发射线圈L4的下端与滤波电容Cf4的下端相连构成回路。
同理，滤波电感Lf5、滤波电容Cf5、补偿电容C5、能量发射线圈L5与大容量高频交流电源H的连接方式是：大容量高频交流电源H的依次通过滤波电感Lf5、滤波电容Cf5形成回路；滤波电容Cf5的上端与补偿电容C5的上端相连，补偿电容C5的下端与能量发射线圈L5的上端相连，能量发射线圈L5的下端与滤波电容Cf5的下端相连构成回路。
同理，滤波电感Lf6、滤波电容Cf6、补偿电容C6、能量发射线圈L6与大容量高频交流电源H的连接方式是：大容量高频交流电源H的依次通过滤波电感Lf6、滤波电容Cf6形成回路；滤波电容Cf6的上端与补偿电容C6的上端相连，补偿电容C6的下端与能量发射线圈L6的上端相连，能量发射线圈L6的下端与滤波电容Cf6的下端相连构成回路。
上述各电容为无极性电容。
所述的滤波电感Lf1的电感值滤波电感Lf2的电感值滤波电感Lf3的电感值滤波电感Lf4的电感值滤波电感Lf5的电感值滤波电感Lf6的电感值的关系满足式1：
所述的滤波电感Lf1的电感值与滤波电容Cf1的电容值滤波电容Cf2的电容值滤波电容Cf3的电容值滤波电容Cf4的电容值滤波电容Cf5的电容值滤波电容Cf6的电容值的关系由式2)确定：
所述的滤波电感Lf1的电感值补偿电容C1的电容值能量发射线圈L1的电感值补偿电容C2的电容值能量发射线圈L2的电感值补偿电容C3的电容值能量发射线圈L3的电感值补偿电容C4的电容值能量发射线圈L4的电感值补偿电容C5的电容值能量发射线圈L5的电感值补偿电容C6的电容值与能量发射线圈L6的电感值的关系由式3)确定：
其中，并联同一大容量高频交流电源H的能量发射线圈为任意多数段。
本发明的工作过程和原理是：
由于沿轨道铺设的单极性线圈在双极性线圈中产生的磁通总量为零，双极性线圈在单极性线圈中产生的磁通总量也为零，所以单极性线圈与双极性线圈之间是解耦关系，不存在相互耦合，换言之，单极性线圈与双极性线圈不会影响系统的谐振参数设计；而沿轨道铺设的单极性线圈与单极性线圈之间由于相隔距离远，线圈之间的互感很小，可以忽略，不影响系统的谐振参数设计；同理，沿轨道铺设的双极性线圈与双极性线圈之间互感很小，也不影响系统的谐振参数设计。
安装于列车底部的能量拾取线圈是由一个单极性线圈和一个双极性线圈组成，相互之间是解耦的，能量拾取线圈拾取的总电压为单极性线圈与双极性线圈拾取的电压之和。能量拾取线圈中的单极性线圈与轨道上的能量发射线圈中的单极性线圈之间存在耦合关系，进而耦合高频电磁场产生感应电动势，将能量从单极性发射线圈传递到单极性拾取线圈；能量拾取线圈中的单极性线圈与轨道上的能量发射线圈中的双极性线圈之间不存在耦合关系，换言之，能量拾取线圈中的单极性线圈与轨道上的能量发射线圈中的双极性线圈之间不传递能量。能量拾取线圈中的双极性线圈与轨道上的能量发射线圈中的双极性线圈之间存在耦合关系，进而耦合高频电磁场产生感应电动势，将能量从双极性发射线圈传递到双极性拾取线圈；能量拾取线圈中的双极性线圈与轨道上的能量发射线圈中的单极性线圈之间不存在耦合关系，换言之，能量拾取线圈中的双极性线圈与轨道上的能量发射线圈中的单极性线圈之间不传递能量。
在列车运行到不同位置时，能量拾取线圈中的单极性线圈与能量发射线圈中的单极性线圈、能量拾取线圈中的双极性线圈与能量发射线圈中的双极性线圈的耦合系数是一个周期变化过程，然而两个耦合系数之和的变化较为平稳，也就是，能量拾取线圈拾取到的感应电动势之和较为平稳，换言之，电动机的供电电压较为平稳。此时对于系统来说，系统仍工作在谐振状态，从而减少了系统的无功功率输出，提高了系统功率因数。
Claims (2)
1.一种轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈，包括沿轨道铺设的能量发射线圈和安装于列车底部的能量拾取线圈，其特征在于，能量发射线圈包括多段长宽相等并依次相间铺设的发射侧单极性线圈与发射侧双极性线圈，且发射侧双极性线圈产生的主磁场方向与列车前进方向垂直，各能量发射线圈所在的补偿滤波回路均并联至高频交流电源H；
能量拾取线圈包括长宽与能量发射线圈相等的一个拾取侧单极性线圈与一个拾取侧双极性线圈，拾取侧单极性线圈串联补偿电容Cs后并联至整流器K1的输入端，拾取侧双极性线圈串联补偿电容Cd后并联至整流器K2的输入端，整流器K1和整流器K2的输出端串联后接电动机G；
所述补偿滤波回路的连接方式为：高频交流电源H依次连接滤波电感Lfn和滤波电容Cfn形成回路；同时滤波电容Cfn的上端与补偿电容Cn的上端相连，补偿电容Cn的下端与能量发射线圈的上端相连，能量发射线圈的下端与滤波电容Cfn的下端相连构成回路；
各补偿滤波回路中的滤波电感Lfn的电感值均相等，滤波电容Cfn的电容值均相等，且滤波电感Lfn的电感值与能量发射线圈的电感值及补偿电容Cn的电容值的关系由下式确定：
2.根据权利要求1所述的轨道交通列车非接触式动态供电系统线圈，其特征在于，所述拾取侧单极性线圈正对于发射侧单极性线圈时，两线圈的互感值与拾取侧双极性线圈正对于发射侧双极性线圈时，两线圈的互感值相等。
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