CN109435716B - 一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，所述三极型磁耦合机构由两部分组成，一部分是用于发射电能的供电导轨，另一部分是用于接收电能的电能接收装置；本发明所示的磁耦合机构与现有磁耦合机构相比，产生的电磁辐射很小，电磁兼容性好，实际应用中漏磁场在铁轨中产生的涡流损耗低，系统效率得以提高，且不会对铁轨附近的工作人员产生辐射伤害。

Description

一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构。
背景技术
随着高铁在世界范围内的成功推广，高速甚至超高速列车成为未来轨道交通领域研究的重点。目前，轨道列车大多采用受电弓从接触电网取电的方式获取电能，而随着列车车速的提高，受电弓与接触电网的摩擦力迅速上升，不仅增大了机械摩擦损耗，还会使得受电弓产生强烈震动，增加离线率，从而明显降低受流质量，影响列车的正常行驶。因此，有线供电的方式限制了轨道交通向高速化的发展。
而相比较于有线充电方式，应用于轨道交通的无线充电技术除了可以发挥无线电能传输的高灵活性，高供电持续性等优势外，还可以使列车摆脱导线的束缚，从根本上避免了弓网的滑动磨损、打弧、离线和振动接触，从而显著提高受流质量，实现电能的高效传输与利用，为轨道列车的高速化发展提供了可能。同时该技术将充电设备放置在轨道下方，避免了外部自然环境如强降雨、暴风等的影响，提升了系统的防破坏性和运行的安全性。
导轨式无线供电磁耦合机构凭借其良好的耦合性能及较高的传输功率，在轨道交通无线供电系统中被广泛应用，已有许多结构不同磁耦合机构被国内外研究机构提出。文献《Development of 1-MW Inductive Power Transfer System for a High-SpeedTrain》中提出了一种应用于轨道交通的大功率磁耦合机构，其供电导轨由长直发射线圈和阵列式U型磁芯组成，该结构漏磁场大，系统周围电磁辐射严重，具有耦合系数小、系统效率较低、`电磁兼容性差的缺点。文献《A Three-Phase Inductive Power Transfer Systemfor Roadway-Powered Vehicle》提出了一种应用于轨道交通的三相磁耦合机构，其供电导轨由三相线缆组成，该结构具有用线量多、电磁辐射严重的缺点。文献《Magnetic Designof a Three-Phase Wireless Power Transfer System for EMF Reduction》提出了一种漏磁场较小的轨道交通的三相磁耦合机构，但该结构进一步增加了耦合机构的用线量，提高了系统成本和施工难度。
发明内容
本发明目的是为了解决目前应用于轨道交通无线供电系统的磁耦合机构存在漏磁场大，电磁辐射严重的问题，提供了一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构。本发明所述的应用于轨道交通无线供电系统的磁耦合机构中，采用三极型供电导轨，能在较小用线量的前提下，增强磁耦合机构的主磁通大小，削弱周围环境的漏磁通，从而在保证良好的耦合性能及很高的传输功率的前提下，有效改善上述磁耦合机构的不足。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，所述三极型磁耦合机构由两部分组成，一部分是用于发射电能的供电导轨，另一部分是用于接收电能的电能接收装置；
所述的供电导轨铺设于铁轨3内侧的地面上，由供电线缆1和导轨磁芯2两部分组成，所述供电线缆1沿平行铁轨3方向铺设，所述供电线缆1内部通有高频交变电流，用于在空间中激发电磁场来传输能量；所述导轨磁芯2沿垂直于铁轨3方向铺设于供电线缆1的下方，用于约束产生的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数，所述供电线缆1距离两侧铁轨3的距离相同；
所述的电能接收装置安装在车辆底盘上，由接收线圈4和接收端磁芯5两部分组成；当列车沿铁轨3行驶时，电能接收装置通过磁耦合作用与供电导轨相互作用，实现电能的无线传输。
进一步地，所述供电线缆1为利兹线，其由4束沿平行铁轨3方向铺设的线缆组成，且任意相邻两束线缆中流过的电流方向相反；在空间位置上，左1线缆和左2线缆的间距为w1，左2线缆和右2线缆的间距为w2，右2线缆和右1线缆的间距为w1。
进一步地，所述导轨磁芯2为铁氧体磁芯，由N条形状条形的磁芯组成，其中N为正整数，用于约束供电线缆1激发的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数和输出功率，任意相邻的两条磁芯其间距均相同。
进一步地，所述接收线圈4由3个矩形线圈串联组成，左侧接收线圈宽度为w1，中间接收线圈宽度为w2，右侧接收线圈宽度为w1，三个接收线圈长度相同。
进一步地，所述接收端磁芯5由M条条形磁芯组成，均为铁氧体磁芯，其中M为正整数；所述接收端磁芯5放置在列车底部、接收线圈4的正上方，放置方向与导轨磁芯2平行，且任意相邻的两条磁芯其间距均相同。
进一步地，所述供电线缆1中每束线缆的匝数根据供电线缆1发射线圈所需的自感、漏磁场大小和导线允许通过的最大电流以及所需最大传输功率确定。
进一步地，任意相邻的两个接收线圈中电流的走向相反。
进一步地，所述供电线缆1的布线方式为：
在供电导轨首端，供电线缆1中左1线缆的首端与高频逆变源的一个输出端相连，左2线缆的首端与右2线缆的首端相连，右1线缆的首端与高频逆变源的另一个输出端相连；在供电导轨尾端，左1线缆的尾端与左2线缆的尾端相连，右2线缆的尾端与右1线缆的尾端相连；完成布线后，供电线缆1的4束线缆在电路上串联连接，并构成电流回路。
进一步地，所述供电线缆1中每束线缆均由多匝导线组成，各匝导线中通入的电流幅值相等，方向相同，并在供电导轨的接入段和引出端串联连接，构成电流回路；所述左1线缆和右1线缆中均有n根导线，所述左2线缆和右2线缆中均有m根导线，其中m和n均为正整数，且m≥n≥2。
本发明有益效果：本发明所述的应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构具有耦合系数较高，动态充电过程中互感无波动，输出电压和输出功率恒定等优点，最重要的是，该耦合机构中供电线缆的布线方式可以有效的增强主磁通，削弱漏磁场大小，因此本发明所示的磁耦合机构与现有磁耦合机构相比，产生的电磁辐射很小，电磁兼容性好，实际应用中漏磁场在铁轨中产生的涡流损耗低，系统效率得以提高，且不会对铁轨附近的工作人员产生辐射伤害。
附图说明
图1为本发明所述应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明中供电导轨的结构示意图；
图5为本发明中电能接收装置的结构示意图；
图6为本发明中供电线缆工作时在空间激发的磁场分布图；
图7为调节供电线缆中各束线缆中导线匝数后的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图5，本发明提出一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，所述三极型磁耦合机构由两部分组成，一部分是用于发射电能的供电导轨，另一部分是用于接收电能的电能接收装置；
所述的供电导轨铺设于铁轨3内侧的地面上，由供电线缆1和导轨磁芯2两部分组成，所述供电线缆1沿平行铁轨3方向铺设，所述供电线缆1内部通有高频交变电流，用于在空间中激发电磁场来传输能量；所述导轨磁芯2沿垂直于铁轨3方向铺设于供电线缆1的下方，用于约束产生的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数，所述供电线缆1距离两侧铁轨3的距离相同；
所述的电能接收装置安装在车辆底盘上，由接收线圈4和接收端磁芯5两部分组成；当列车沿铁轨3行驶时，电能接收装置通过磁耦合作用与供电导轨相互作用，实现电能的无线传输。
所述供电线缆1为利兹线，其由4束沿平行铁轨3方向铺设的线缆组成，且任意相邻两束线缆中流过的电流方向相反，相位相差180°；在空间位置上，左1线缆和左2线缆的间距为w1，左2线缆和右2线缆的间距为w2，右2线缆和右1线缆的间距为w1。
所述导轨磁芯2为铁氧体磁芯，由N条形状条形的磁芯组成，其中N为正整数，用于约束供电线缆1激发的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数和输出功率，任意相邻的两条磁芯其间距均相同，条型磁芯的宽度大于w2，并小于铁轨3间距。所述条形磁芯的厚度由无线供电系统的输出功率、供电线缆1中电流大小和供电线缆1中各束线缆的匝数决定，条形磁芯的厚度应保证磁芯不会出现磁饱和现象。
所述接收线圈4由3个矩形线圈串联组成，位于供电导轨的正上方，左侧接收线圈宽度为w1，中间接收线圈宽度为w2，右侧接收线圈宽度为w1，三个接收线圈长度相同，任意相邻的两个接收线圈中电流的走向相反。例如，某一时刻下，所述左侧接收线圈中电流走向为顺时针时，中间接收线圈中电流走向为逆时针，右侧接收线圈中电流走向为顺时针；或，所述左侧接收线圈中电流走向为逆时针时，中间接收线圈中电流走向为顺时针，右侧接收线圈中电流走向为逆时针。
所述接收端磁芯5由M条条形磁芯组成，均为铁氧体磁芯，其中M为正整数；所述接收端磁芯5放置在列车底部、接收线圈4的正上方，放置方向与导轨磁芯2平行，且任意相邻的两条磁芯其间距均相同，其作用同样为改变磁路，提高耦合系数；该耦合机构可以通过增加输入电压或者在列车底部平行放置多个接收端来提高输出功率。
所述供电线缆1中每束线缆的匝数根据供电线缆1发射线圈所需的自感、漏磁场大小和导线允许通过的最大电流以及所需最大传输功率确定。供电线缆1中，各束线缆的间距w1、w2及4束线缆的匝数均可以进行调节，从而改善磁耦合机构产生漏磁场大小，进一步降低磁耦合机构产生电磁辐射，提高其电磁兼容性。
所述供电线缆1的布线方式为：
在供电导轨首端，供电线缆1中左1线缆的首端与高频逆变源的一个输出端相连，左2线缆的首端与右2线缆的首端相连，右1线缆的首端与高频逆变源的另一个输出端相连；在供电导轨尾端，左1线缆的尾端与左2线缆的尾端相连，右2线缆的尾端与右1线缆的尾端相连；完成布线后，供电线缆1的4束线缆在电路上串联连接，并构成电流回路。
所述供电线缆1中每束线缆均由多匝导线组成，各匝导线中通入的电流幅值相等，方向相同，并在供电导轨的接入段和引出端串联连接，构成电流回路；所述左1线缆和右1线缆中均有n根导线，所述左2线缆和右2线缆中均有m根导线，其中m和n均为正整数，且m≥n≥2，其具体布线方式如下：
在供电导轨首端，将左1线缆中第1根导线的首端与高频逆变源的一个输出端连接，之后，将左1线缆中第2根、第3根….第n根导线的与左2线缆的第1根、第2根….第n-1根导线串联；在供电导轨尾端，将左1线缆中第1根、第2根….第n根导线与左2线缆中第1根、第2根…第n根导线串联，自此完成左1线缆的布线；
之后，在供电导轨首端，将左2线缆中第n根、第n+1根….第m根导线分别与右2线缆中第1根、第2根.…第m-n+1根导线串联；在供电导轨尾端，将左2线缆中第n+1根、第n+2根….第m根导线与右2线缆中第1根、第2根….第m-n根导线串联，自此完成左2线缆的布线；
随后，在供电导轨首端，将右2线缆中第m-n+2根、第m-n+3根….第m根导线与右1线缆中第1根、第2根…第n-1根导线串联；在供电导轨尾端，将右2线缆中第m-n+1根、第m-n+2根….第m根导线与右1线缆中的第1根、第2根…第n根导线串联，自此完成右2线缆的布线；
最后，在供电导轨首端，将右1线缆中第n根导线与高频逆变源的另一个输出端连接，自此完成供电线缆的全部布线；
下面结合图7进一步说明上述供电线缆1的布线方式，图7所示的磁耦合机构中，左1线缆和右1线缆中有2根导线，左2线缆和右2线缆中有5根导线，其供电线缆1的布线方式如下：
在供电导轨首端，将左1线缆中第1根导线的首端与高频逆变源的一个输出端连接，之后，将左1线缆中第2根导线的与左2线缆的第1根导线串联；在供电导轨尾端，将左1线缆中第1根、第2根导线与左2线缆中第1根、第2根导线串联，自此完成左1线缆的布线；
之后，在供电导轨首端，将左2线缆中第2根、第3根….第5根导线分别与右2线缆中第1根、第2根.…第4根导线串联；在供电导轨尾端，将左2线缆中第3根、第4根、第5根导线与右2线缆中第1根、第2根、第3根导线串联，自此完成左2线缆的布线；
随后，在供电导轨首端，将右2线缆中第5根导线与右1线缆中第1根导线串联；在供电导轨尾端，将右2线缆中第4根、第5根导线与右1线缆中的第1根、第2根导线串联，自此完成右2线缆的布线；
最后，在供电导轨首端，将右1线缆中第2根导线与高频逆变源的另一个输出端连接，自此完成供电线缆1的全部布线。
本发明所述的一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构其工作原理如下：
供电线缆1中通入高频交流电流后在空间中激发磁场，如图6所示，某一时刻下，供电线缆1中任意相邻的两束线缆中流过的电流走向相反，故供电线缆1中左1线缆和左2线缆中电流在空间中激发出上S下N的等效磁极7；左2线缆和右2线缆在空间中激发出上N下S的等效磁极7；右1线缆和右2线缆在空间中激发出上S下N的等效磁极7；供电线缆1在空间中共产生3个等效磁极7，故称为三极型磁耦合机构，其中磁力线由等效磁极7的N极出发，终止于等效磁极7的S极，构成磁耦合机构的主磁通6；
由电磁感应原理可知，供电线缆1激发的高频电磁场会在接收线圈4中感应出高频交变的接收电压，经整流稳压后变为直流电压驱动列车负载，从而实现无线供电；通过配置导轨磁芯2和接收端磁芯5，使主磁通6大部分穿过接收线圈4，提高了发射、接收线圈4间的耦合系数；
由于左1线缆(右1线缆)和左2线缆(右2线缆)中电流走向相反，因此它们在供电线缆1两侧区域产生的磁场方向相反，相互抵消，从而大大降低了磁耦合机构的漏磁通，减小了电磁辐射，提高磁耦合机构的电磁兼容性。
以上对本发明所提供的一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于，所述三极型磁耦合机构由两部分组成，一部分是用于发射电能的供电导轨，另一部分是用于接收电能的电能接收装置；
所述的供电导轨铺设于铁轨（3）内侧的地面上，由供电线缆（1）和导轨磁芯（2）两部分组成，所述供电线缆（1）沿平行铁轨（3）方向铺设，所述供电线缆（1）内部通有高频交变电流，用于在空间中激发电磁场来传输能量；所述导轨磁芯（2）沿垂直于铁轨（3）方向铺设于供电线缆（1）的下方，用于约束产生的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数，所述供电线缆（1）距离两侧铁轨（3）的距离相同；
所述的电能接收装置安装在列车底盘上，由接收线圈（4）和接收端磁芯（5）两部分组成；当列车沿铁轨（3）行驶时，电能接收装置通过磁耦合作用与供电导轨相互作用，实现电能的无线传输；
所述供电线缆（1）为利兹线，其由4束沿平行铁轨（3）方向铺设的线缆组成，且任意相邻两束线缆中流过的电流方向相反；在空间位置上，左1线缆和左2线缆的间距为w1，左2线缆和右2线缆的间距为w2，右2线缆和右1线缆的间距为w1；
所述供电线缆（1）的布线方式为：
在供电导轨首端，供电线缆（1）中左1线缆的首端与高频逆变源的一个输出端相连，左2线缆的首端与右2线缆的首端相连，右1线缆的首端与高频逆变源的另一个输出端相连；在供电导轨尾端，左1线缆的尾端与左2线缆的尾端相连，右2线缆的尾端与右1线缆的尾端相连；完成布线后，供电线缆（1）的4束线缆在电路上串联连接，并构成电流回路；
所述接收端磁芯（5）由M条条形磁芯组成，均为铁氧体磁芯，其中M为正整数；所述接收端磁芯（5）放置在列车底部、接收线圈（4）的正上方，放置方向与导轨磁芯（2）平行，且接收端磁芯（5）的任意相邻的两条磁芯其间距均相同。
2.根据权利要求1所述的应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于，所述导轨磁芯（2）为铁氧体磁芯，由N条形状条形的磁芯组成，其中N为正整数，用于约束供电线缆（1）激发的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数和输出功率，导轨磁芯（2）的任意相邻的两条磁芯其间距均相同。
3.根据权利要求1所述的应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于，所述接收线圈（4）由3个矩形线圈串联组成，左侧矩形线圈宽度为w1，中间矩形线圈宽度为w2，右侧矩形线圈宽度为w1，三个矩形线圈长度相同。
4.根据权利要求2所述的应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于，所述供电线缆（1）中每束线缆的匝数根据供电线缆（1）发射线圈所需的自感、漏磁场大小和导线允许通过的最大电流以及所需最大传输功率确定。
5.根据权利要求3所述的应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于，任意相邻的两个矩形线圈中电流的走向相反。
6.根据权利要求1或4所述的应用于轨道交通无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于，所述供电线缆（1）中每束线缆均由多匝导线组成，各匝导线中通入的电流幅值相等，方向相同，并在供电导轨的接入段和引出端串联连接，构成电流回路；所述左1线缆和右1线缆中均有n根导线，所述左2线缆和右2线缆中均有m根导线，其中m和n均为正整数，且m≥n≥2。
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