CN113696744B - 适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，公开了一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置。其中，该装置包括超导线圈、集电线圈、推进线圈和零磁通线圈，所述超导线圈设置在磁浮列车侧壁外表面上，所述集电线圈设置在所述超导线圈的外表面上，所述推进线圈和所述零磁通线圈均设置在地面轨道侧。由此，可以基于电动悬浮制式，利用空间谐波磁场进行发电，从而能够有效地满足真空环境下运行速度大于1000km/h的磁浮列车的车载供电需求。

Description

适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置。
背景技术
随着人类对交通出行方式需求的多样化，磁浮列车、高铁的载客量以及年运行里程增速迅猛。其中，真空管道磁悬浮列车由于额定运行速度至少为1000km/h，成为当下交通运行方式的研究热点。
然而，随着列车运行速度的增加，传统的接触式车载供电方式难以满足当前低真空以及超高速的要求。例如，传统的车载供电方式包括受电弓以及第三轨两种方式。其中，受电弓提供车载供电的最高运行速度在400km/h左右，并且暴露在近真空环境下的导体与绝缘接触表面容易发生局部放电，严重情况下发生沿面闪络，致使整个受电弓供电系统绝缘崩溃。而第三轨供电的最高速度限制在160km/h左右，且同样不适用于真空环境下的车载供电。
发明内容
本发明提供了一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置，能够解决上述现有技术中的问题。
本发明提供了一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置，其中，该装置包括超导线圈、集电线圈、推进线圈和零磁通线圈，所述超导线圈设置在磁浮列车侧壁外表面上，所述集电线圈设置在所述超导线圈的外表面上，所述推进线圈和所述零磁通线圈均设置在地面轨道侧。
优选地，所述推进线圈和所述零磁通线圈设置在地面轨道的内部且所述零磁通线圈接近地面轨道的外表面。
优选地，该装置还包括励磁机，用于为所述超导线圈施加恒定电流。
优选地，该装置还包括控制器，用于使控制器侧的等效阻抗与所述集电线圈侧的等效阻抗共轭。
优选地，每个所述超导线圈外表面上设置四个所述集电线圈。
优选地，相邻两个所述超导线圈中的一个所述超导线圈上的四个所述集电线圈分别为A相、B相、C相和A相，另一个所述超导线圈上的四个所述集电线圈分别为-A相、-B相、-C相和-A相。
优选地，所述集电线圈为8字型线圈。
通过上述技术方案，可以基于电动悬浮制式，利用空间谐波磁场进行发电，从而能够有效地满足真空环境下运行速度大于1000km/h的磁浮列车的车载供电需求。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明一种实施例的一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置的空间结构示意图；
图2示出了根据本发明一种实施例的一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置的截面示意图；
图3A-3C示出了根据本发明一种实施例的集电线圈的排列方式示意图；
图4示出了根据本发明一种实施例的集电线圈单相输出电压(标幺值)与运行速度的关系示意图；
图5示出了根据本发明一种实施例的集电线圈最大输出功率(标幺值)与运行速度的关系示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明一种实施例的一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置的空间结构示意图。
图2示出了根据本发明一种实施例的一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置的截面示意图。
如图1和2所示，本发明实施例提供了一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置，其中，该装置包括超导线圈1、集电线圈2、推进线圈3和零磁通线圈4，所述超导线圈1设置在磁浮列车侧壁外表面上，所述集电线圈2设置在所述超导线圈1的外表面上，所述推进线圈3和所述零磁通线圈4均设置在地面轨道侧。
通过上述技术方案，可以基于电动悬浮制式，利用空间谐波磁场进行发电，从而能够有效地满足真空环境下运行速度大于1000km/h的磁浮列车的车载供电需求。
举例来讲，当安装于磁浮列车外侧的超导线圈在地面轨道侧的推进线圈的作用下以速度vs运行时，安装于地面轨道侧的零磁通线圈感应出涡流，该涡流产生的空间磁场中的5次空间谐波磁场是基波磁场之外最大的谐波磁场分量，且该磁场与安装于磁浮列车侧的集电线圈的相对运行速度为
其中，零磁通线圈的结构形式为8字型线圈。
根据本发明一种实施例，所述推进线圈3和所述零磁通线圈4设置在地面轨道的内部且所述零磁通线圈4接近地面轨道的外表面。
举例来讲，地面轨道可以为U型轨道，U型轨道两侧均布置零磁通线圈以及推进线圈。
其中，推进线圈可以按分段供电的形式通入三相交流电，为磁浮列车提供稳定的牵引力。并且，零磁通线圈无需外接施加激励。
根据本发明一种实施例，该装置还包括励磁机，用于为所述超导线圈1施加恒定电流。
举例来讲，在磁浮列车的侧壁外表面均布置超导线圈以及集电线圈，且集电线圈位于超导线圈的外侧(即，更接近地面轨道)。其中，通过励磁机对超导线圈施以恒定电流，超导线圈可以充当永磁同步电机中永磁体转子的作用。
根据本发明一种实施例，该装置还包括控制器，用于使控制器侧的等效阻抗与所述集电线圈2侧的等效阻抗共轭。
由此，可以保证车载电能接收线圈的最大发电功率与运行速度的平方成正比关系。
根据本发明一种实施例，每个所述超导线圈1外表面上设置四个所述集电线圈2。
根据本发明一种实施例，相邻两个所述超导线圈1中的一个所述超导线圈1上的四个所述集电线圈2分别为A相、B相、C相和A相，另一个所述超导线圈1上的四个所述集电线圈2分别为-A相、-B相、-C相和-A相，如下图3C所示。
本领域技术人员应当理解，上述设置方式仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。集电线圈其他的示例设置方式可以参照下述图3A和3B所示的排列方式。
根据本发明一种实施例，所述集电线圈2为8字型线圈。
通过将集电线圈的单元结构形式设置为与零磁通线圈相同的8字型线圈结构，可以充分利用地面轨道侧的零磁通线圈产生的5次空间谐波磁场。
图3A-3C示出了根据本发明一种实施例的集电线圈的排列方式示意图。
图3A-3C分别示出了集电线圈的三种示例排列方式，在图3A-3C中，A、B、C分别代表三相绕组。
其中，集电线圈三相绕组的空载反电势与磁浮列车的运行速度成正比关系，如图4所示。集电线圈发电功率与磁浮列车运行速度的平方呈正比关系，如图5所示。这是因为在恒定车重下磁浮列车的悬浮高度固定，从而地面轨道侧的零磁通线圈产生的感应电流不变，进而导致零磁通线圈产生的5次空间谐波磁场不变。根据法拉第电磁感应定律可得，集电线圈的空载反电势与列车的运行速度成正比关系。此外，通过采用现有的控制策略可以使得控制器侧(外接负载侧)等效阻抗与线圈侧等效阻抗共轭，从而可以得到集电线圈的最大发电功率与列车运行速度的平方成正比关系。
在这几种示例方式的排布下，可以通过合理调整线圈的匝数以及截面积能来高效地利用地面轨道侧的零磁通线圈产生的5次空间谐波磁场。并且，集电线圈按图3所示的排列方式分别布置A、B、C三相绕组，并使得属于同一相的不同集电线圈单元彼此串联，可以达到改善电压波形的目的。
举例来讲，当推进线圈通过地面变流器注入三相电流时，超导线圈受到恒定的牵引磁浮列车运动的推力。当磁浮列车达到一定的运行速度后，地面零磁通线圈在运动的超导线圈磁场作用下产生感应电流。该感应电流将在磁浮列车以及轨道侧的地面线圈之间产生空间磁场。其中，基波磁场分量主要用于产生磁浮列车的悬浮力，保证列车与地面的无接触运行。同时，感应电流产生的谐波磁场中占比最高的5次空间谐波与列车的相对运动速度达到了按图3排布的集电线圈在5次空间谐波磁场作用下将产生感应电压，并在外接负载中产生电流，从而可以满足车载供电设备的用电需求。
从上述实施例可以看出，基于本发明上述实施例所述的无线电能传输装置的磁浮列车的最高运行速度以及发电能力几乎不受纵向边端效应的影响。因为从直线电机的角度考虑，地面轨道侧的线圈相当于长初级，车载侧的超导线圈以及集电线圈相当于短次级，在这种结构形式下动态纵向边端效应的影响非常小。此外，本发明上述实施例所述的无线电能传输装置不需要在集电线圈周围设置铁磁材料，能够有效地避免因空间磁场过强导致的铁磁材料涡流损耗过大以及铁磁材料过饱和最终导致的部分能量耗散，有效地节省磁浮列车的运营成本。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于真空管道磁浮列车的车载无线电能传输装置，其特征在于，该装置包括超导线圈(1)、集电线圈(2)、推进线圈(3)和零磁通线圈(4)，所述超导线圈(1)设置在磁浮列车侧壁外表面上，所述集电线圈(2)设置在所述超导线圈(1)的外表面上，所述推进线圈(3)和所述零磁通线圈(4)均设置在地面轨道侧，该装置还包括励磁机，用于为所述超导线圈(1)施加恒定电流，当所述超导线圈(1)在所述推进线圈(3)的作用下以速度vs运行时，所述零磁通线圈(4)感应出涡流，该涡流产生的空间磁场中的5次空间谐波磁场是基波磁场之外最大的谐波磁场分量，且该空间谐波磁场与所述集电线圈(2)的相对运行速度为
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述推进线圈(3)和所述零磁通线圈(4)设置在地面轨道的内部且所述零磁通线圈(4)接近地面轨道的外表面。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置还包括控制器，用于使控制器侧的等效阻抗与所述集电线圈(2)侧的等效阻抗共轭。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述超导线圈(1)外表面上设置四个所述集电线圈(2)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，相邻两个所述超导线圈(1)中的一个所述超导线圈(1)上的四个所述集电线圈(2)分别为A相、B相、C相和A相，另一个所述超导线圈(1)上的四个所述集电线圈(2)分别为-A相、-B相、-C相和-A相。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述集电线圈(2)为8字型线圈。
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