CN109849698B - 一种应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构，所述机构由两部分组成，一部分是用于电能发射的原边供电装置，另一部分是用于电能接收的副边电能接收装置；所述的原边供电装置为五相无线充电发射端，由五相供电线缆组成，安装在轨道内侧的地面上，通电后会产生磁场向副边电能接收装置传输能量；所述的副边电能接收装置由2N个接收端组成，安装在列车底部，通过电磁感应获得电压后向负载供电，其中N为正整数；本发明所述的五相无线充电磁耦合机构具有输出功率恒定的优点，同时所述五相供电线缆在轨道两侧位置产生的磁场相互抵消，从而削弱了系统漏磁场的大小，具有良好的电磁兼容特性。

Description

一种应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构

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的五相无线充电磁耦合机构。

背景技术

目前轨道交通的供电方式多为架空接触网，该方式需要在列车上安装受电弓，与接触网发生接触获得电能，但是受电弓的碳滑板易于磨损，需要经常更换，操作麻烦且维护费用大。使用轨道交通无线供电技术可以发挥无线电能传输的高灵活性，高供电持续性等优势，该技术将充电设备放置在轨道下方，没有裸露的接口，既避免了外部自然环境的影响，又避免了电火花危害。同时可以摆脱导线的束缚，从根本上避免弓网的滑动磨损、打弧、离线和振动接触及外部环境的影响，从而显著提高受流质量，实现电能的高效传输与利用。

除此之外，系统不再需要原先供电系统中的高压传输电线、电线杆等，这使得系统的防破坏和安全性均得到增强，比传统的滑动供电方式更加安全、可靠。因此，使用无线充电技术可以使轨道交通供电系统的制造与维护变得更加简单，生产维护的成本得以降低。现有的轨道交通无线充电磁耦合机构中，采用单相供电的发射端会在其周围产生较大的漏磁场，对周边环境造成电磁辐射污染，与之相比较，五相无线充电磁耦合机构能在保证电能传输性能的前提下很好的削弱漏磁场的大小。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术产生的漏磁严重，对轨道两侧电磁辐射大，以及接收端随着位置变化时接收功率波动较大等不足，提出了一种应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构。

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的五相无线充电磁耦合机构，所述机构由两部分组成，一部分是用于电能发射的原边供电装置，另一部分是用于电能接收的副边电能接收装置；所述的原边供电装置为五相无线充电发射端，由五相供电线缆1组成，安装在轨道2内侧的地面上，通电后会产生磁场向副边电能接收装置传输能量；所述的副边电能接收装置由2N个接收端组成，安装在列车底部，通过电磁感应获得电压后向负载供电，其中N为正整数；

所述的五相供电线缆1分别记为A相供电电缆、B相供电电缆、C相供电电缆、D相供电电缆和E相供电电缆；五相供电线缆1接五相电源的A、B、C、D、E相，线缆中流过的电流分别相差72°。

进一步地，所述的2N个接收端中每个接收端均由接收线圈3和平板磁芯4组成；相邻的每两个接收端经整流后串联在一起，构成一个接收端组；所述副边电能接收装置共有N个接收端组，所述N个接收端组并联在一起后向负载供电。

进一步地，所述接收线圈3为多匝矩形线圈；2N个接收线圈3的形状、尺寸和材料完全相同，均使用利兹线，尺寸大小与五相供电线缆1的尺寸相配合，且所有接收线圈3距离地面的高度相同。

进一步地，所述平板磁芯4放置在每个接收线圈3的正上方，与接收线圈3紧挨在一起，尺寸大小与接收线圈3相配合。

进一步地，所述平板磁芯4为铁氧体磁芯。

进一步地，所述的N个接收端组中，每个接收端组中的两个接收端沿平行轨道的方向放置在五相供电线缆1的正上方，两个接收端的中心位置沿平行轨道的方向相距(2m+1)L/10，其中m为正整数，L为长度；以保证当一个接收线圈3处于与五相供电线缆1间互感最大的位置时，同组中另一个接收线圈3处于与五相供电线缆1间互感最小的位置，两个接收端经整流后串联在一起，可以保证动态充电过程中输出功率恒定，避免副边接收线圈3拾取电压的零点。

进一步地，所述五相供电线缆1的结构形状如下：A相供电线缆从电源端引出，从起点出发，沿平行轨道的方向布线一定长度L后，顺时针方向或逆时针方向转折90°后沿垂直轨道的方向布线一定长度W,然后逆时针方向或顺时针方向转折90°，再沿平行轨道的方向布线长度L，之后逆时针方向或顺时针方向转折90°，再沿垂直轨道的方向布线长度W，之后顺时针方向或逆时针方向转折90°，沿平行轨道的方向布线一定长度L...以此类推，直到终点位置；B相供电线缆形状结构与A相供电线缆完全相同，在空间位置较A相供电线缆沿平行轨道的方向向前平移了2L/5长度；C相供电线缆形状结构与A相供电线缆完全相同，在空间位置较A相供电线缆沿平行轨道的方向向前平移了4L/5长度；同理，D相、E相线缆的形状结构也与A相供电线缆完全相同，空间位置上较A相线缆沿平行轨道的方向向后平移了4L/5、2L/5长度；在终点处，五相供电线缆1连接在一起；其中L、W均为表示长度大小，且W应小于轨道2的宽度。

进一步地，所述的五相供电线缆1均为利兹线，五相供电线缆1的材料、粗细和内阻全部相同。

进一步地，所述五相供电线缆1在空间中产生感应磁场是沿平行轨道方向平移的周期性磁场，在该磁场对应的等效磁极5中，每对等效磁极5的中心距离dp满足：dp＝L，且感应磁场沿平行轨道方向平移的速度ν满足：ν＝2fL，其中f为五相供电线缆1中电流的频率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.每个接收端组中的两个接收线圈经整流后串联在一起，减少了动态充电过程中接收端输出电压波动，避免了副边接收线圈拾取电压的零点；

2.五相供电线缆在轨道两侧位置产生的磁场相互抵消，从而削弱了系统漏磁场的大小，具有良好的电磁兼容特性；

3.原边供电装置不使用磁芯，大大减少了制造成本；

4.供电线缆布线时呈直线型，无需盘绕，方便了无线充电磁耦合机构的制作、安装以及维护；

5.在相同的要求下，同已知的其他类型的无线充电磁耦合机构相比，接收线圈能获得更高的输出电压。

附图说明

图1为本发明所述原边供电装置中五相供电线缆的三维结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为本发明所述副边电能接收装置中一个接收端组的三维结构示意图；

图5为本发明所述接收端中接收线圈的三维结构示意图；

图6为本发明所述对应一组接收端的无线充电磁耦合机构三维结构示意图；

图7为本发明所述原边供电装置中五相供电线缆在空间中产生的感应磁场分布图。

图中：1、五相供电线缆；2、轨道；3、接收线圈；4、平板磁芯；5、等效磁极；

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。

本实施方式所述的应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构，它是由原边供电装置和副边电能接收装置两部分构成。

如图1，图3所示，本实施方式所述的原边供电装置为五相无线充电发射端，安装在轨道内侧的地面上，且无线充电发射端离轨道两侧的距离相同，它由五相供电线缆1组成，分别记为A相供电电缆、B相供电电缆、C相供电电缆、D相供电电缆、E相供电电缆，接五相电源的A、B、C、D、E相，各相线缆中流过的电流分别相差72°，所述的五相线缆1的材料、粗细、内阻等全部相同，均为LIZI(利兹)线。

如图1、图2所示，本实施方案中，五相供电线缆1的结构形状如下：以A相为例，A相线缆从起点出发，沿平行轨道的方向布线一定长度L后，顺时针方向(逆时针方向)转折90°后沿垂直轨道的方向布线一定长度W,然后逆时针方向(顺时针方向)转折90°，再沿平行轨道的方向布线长度L，之后逆时针方向(顺时针方向)转折90°，再沿垂直轨道的方向布线长度W，之后顺时针方向(逆时针方向)转折90°，沿平行轨道的方向布线一定长度L...以此类推，直到终点位置,B相线缆形状结构与A相线缆完全相同，在空间位置较A相线缆沿平行轨道的方向向前平移了2L/5长度,C相线缆形状结构与A相线缆完全相同，在空间位置较A相线缆沿平行轨道的方向向前平移了4L/5长度,同理，D相、E相线缆的形状结构也与A相线缆完全相同，空间位置上较A相线缆沿平行轨道的方向向后平移了4L/5、2L/5长度,沿垂直轨道的方向，相邻的两相线缆之间距离为L/5；在终点处，五相线缆1连接在一起,上述中L、W均为表示长度大小，且W应满足小于轨道的宽度；五相线缆1在铺设的过程中，沿平行轨道方向铺设的部分会有多相线缆重叠在一起，当一侧有两相线缆重叠铺设时，对应的另一侧有三相线缆重叠铺设，铺设时应保证重叠的多相线缆紧密贴合在一起，当五相线缆1沿垂直轨道方向铺设时，每相线缆不与其他相线缆相互重叠。

如图4、5所示，本实施方案中，所述的副边电能接收装置由2N个接收端组成，其中N为正整数，每个接收端由接收线圈3和平板磁芯4组成，接收线圈3为多匝矩形线圈，且2N个接收线圈3的形状、尺寸、材料完全相同，均使用LIZI(利兹)线，其尺寸大小与五相线缆1的尺寸相配合，同时，所有接收线圈3距离地面的高度相同，在相同条件下，接收线圈3的匝数越多，接收端的输出电压越大，因此接收线圈3的匝数应匹配对应负载需求的输出电压的大小，绕制接收线圈3时，后一匝线圈应绕制在前一匝线圈的正上方；所述的平板磁芯4放置在每个接收线圈3的正上方，与接收线圈3紧挨在一起，尺寸大小与接收线圈3相配合，均为铁氧体磁芯，且平板磁芯的厚度应满足在正常工作时不会出现磁饱和现象。

如图6所示，本实施方案中所述的2N个接收端，从第一个接收端开始，将相邻的每两个接收端经整流后串联在一起，构成一个接收端组，每个接收端组中的两个接收端沿平行轨道的方向放置在五相供电线缆的正上方，两个接收端的中心位置沿平行轨道的方向相距(2m+1)L/10，其中m为正整数，以此来保证当一个接收线圈3处于与五相供电线缆1间互感最大的位置时，同组中另一个接收线圈3处于与五相供电线缆1间互感最小的位置，两个接收端经整流后串联在一起，可以大幅减少动态充电过程中输出电压的波动，避免副边接收线圈3拾取电压的零点，副边电能接收装置中的2N个接收端共可以构成N个接收端组，它们并联在一起后向负载供电。

如图7所示，本实施方案所述的五相供电线缆1在空间中产生感应磁场是沿平行轨道方向平移的周期性磁场，在该磁场对应的等效磁极5中，每对等效磁极5的中心距离dp满足：dp＝L，磁力线从一个等效磁极的N极出发，到相邻的等效磁极的S极终止；供电线缆1感应磁场沿平行轨道方向平移，平移的速度ν满足：ν＝2fL，其中f为五相供电线缆1中电流的频率。

结合图6、图7说明本实施方案中应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构的工作原理：五相供电线缆1接五相电源后，各相供电线缆1中流过相位相差72°的交变电流，根据电磁感应定律，供电线缆1会在轨道上方产生沿平行轨道方向平移的周期性感应磁场，该感应磁场中，磁力线从一个等效磁极的N极出发，到相邻的等效磁极的S极终止，沿平行轨道的方向，N极、S极交替排列，且每对等效磁极的中心距离dp满足：dp＝L；随着时间的变化，感应磁场会沿平行轨道方向平移，平移的速度ν满足：ν＝2fL，其中f为五相供电线缆中电流的频率；供电线缆1上方的列车底部安装有电能接收装置，供电线缆1产生的感应磁场会在接收线圈3中感应处电动势，当一个接收端组中的一个接收线圈3感应出的电动势达到最大值时，同组中另一个接收线圈3感应出的电动势达到最小值，两个接收线圈3经整流后串联在一起，减少了动态充电过程中输出电压的波动；将N组接收端并联在一起后向负载供电，实现了电能的高效无线传输，使得轨道列车在行驶的过程中能够持续地处于无线充电状态。

以上对本发明所提供的一种应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构，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 (7)

1.一种应用于轨道交通的五相无线充电磁耦合机构，其特征在于：所述机构由两部分组成，一部分是用于电能发射的原边供电装置，另一部分是用于电能接收的副边电能接收装置；所述的原边供电装置为五相无线充电发射端，由五相供电线缆（1）组成，安装在轨道（2）内侧的地面上，通电后会产生磁场向副边电能接收装置传输能量；所述的副边电能接收装置由2N个接收端组成，安装在列车底部，通过电磁感应获得电压后向负载供电，其中N为正整数；

所述的五相供电线缆（1）分别记为A相供电电缆、B相供电电缆、C相供电电缆、D相供电电缆和E相供电电缆；五相供电线缆（1）接五相电源的A、B、C、D、E相，线缆中流过的电流分别相差72°；

所述的2N个接收端中每个接收端均由接收线圈（3）和平板磁芯（4）组成；相邻的每两个接收端经整流后串联在一起，构成一个接收端组；所述副边电能接收装置共有N个接收端组，所述N个接收端组并联在一起后向负载供电；

所述的N个接收端组中，每个接收端组中的两个接收端沿平行轨道的方向放置在五相供电线缆（1）的正上方，两个接收端的中心位置沿平行轨道的方向相距（2m+1）L/10，其中m为正整数，L为长度；以保证当一个接收线圈（3）处于与五相供电线缆（1）间互感最大的位置时，同组中另一个接收线圈（3）处于与五相供电线缆（1）间互感最小的位置，两个接收端经整流后串联在一起，可以保证动态充电过程中输出功率恒定，避免副边接收线圈（3）拾取电压的零点。

2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述接收线圈（3）为多匝矩形线圈；2N个接收线圈（3）的形状、尺寸和材料完全相同，均使用利兹线，尺寸大小与五相供电线缆（1）的尺寸相配合，且所有接收线圈（3）距离地面的高度相同。

3.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述平板磁芯（4）放置在每个接收线圈（3）的正上方，与接收线圈（3）紧挨在一起，尺寸大小与接收线圈（3）相配合。

4.根据权利要求3所述的机构，其特征在于：所述平板磁芯（4）为铁氧体磁芯。

5.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述五相供电线缆（1）的结构形状如下：A相供电线缆从电源端引出，从起点出发，沿平行轨道的方向布线一定长度L后，顺时针方向或逆时针方向转折90°后沿垂直轨道的方向布线一定长度W,然后逆时针方向或顺时针方向转折90°，再沿平行轨道的方向布线长度L，之后逆时针方向或顺时针方向转折90°，再沿垂直轨道的方向布线长度W，之后顺时针方向或逆时针方向转折90°，沿平行轨道的方向布线一定长度L，按照这种布线方式直到终点位置；B相供电线缆形状结构与A相供电线缆完全相同，在空间位置较A相供电线缆沿平行轨道的方向向前平移了2L/5长度；C相供电线缆形状结构与A相供电线缆完全相同，在空间位置较A相供电线缆沿平行轨道的方向向前平移了4L/5长度；同理，D相、E相线缆的形状结构也与A相供电线缆完全相同，空间位置上较A相线缆沿平行轨道的方向向后平移了4L/5、2L/5长度；在终点处，五相供电线缆（1）连接在一起；其中L、W均为表示长度大小，且W应小于轨道（2）的宽度。

6.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述的五相供电线缆（1）均为利兹线，五相供电线缆（1）的材料、粗细和内阻全部相同。

7.根据权利要求5所述的机构，其特征在于：所述五相供电线缆（1）在空间中产生感应磁场是沿平行轨道方向平移的周期性磁场，在该磁场对应的等效磁极（5）中，每对等效磁极（5）的中心距离dp满足：dp=L，且感应磁场沿平行轨道方向平移的速度

满足：

，其中

为五相供电线缆（1）中电流的频率。

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