RU2498912C2

RU2498912C2 - Индуктивный прием электрической энергии для транспортного средства

Info

Publication number: RU2498912C2
Application number: RU2011115118/11A
Authority: RU
Inventors: Курт ВОЛЛЕНВАЙДЕР; Юрген МАЙНС; Карстен ШТРУВЕ
Original assignee: Бомбардир Транспортацион Гмбх
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2013-11-20
Also published as: CA2737076C; DK2344357T3; CN102159422A; KR20160075817A; RU2011115118A; GB0817310D0; RU2498912C9; US20120055751A1; HK1159031A1; IL211484A; KR101930601B1; ES2527130T3; AU2009294810B2; EP2344357A2; CA2737076A1; IL211484A0; EP2344357B1; BRPI0918831A2; AU2009294810A1; GB2463692A

Abstract

Изобретение относится к устройствам для снабжения электрической энергией транспортного средства, прежде всего колейного транспортного средства. Устройство содержит приемное устройство (200), выполненное с возможностью приема переменного электромагнитного поля и получения переменного электрического тока за счет электромагнитной индукции. Приемное устройство (200) содержит несколько витков и/или катушек (9, 10, 11) из электропроводящего материала, где каждый виток или каждая катушка (9, 10, 11) приспособлен(-а) для генерирования отдельной фазы переменного электрического тока. Над витками приемного устройства расположено тело, содержащее ферромагнитный материал и имеющее форму плиты. Технический результат заключается в обеспечении высокой плотности магнитного потока электромагнитного поля и повышении надежности приемного устройства. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 26 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству, системе и способу для снабжения электрической энергией транспортного средства, прежде всего колейного транспортного средства, с использованием приемного устройства, выполненного с возможностью приема переменного электромагнитного поля и получения переменного электрического тока за счет электромагнитной индукции. В частности, изобретение применимо к снабжению энергией легких рельсовых транспортных средств (например, трамваев) для приведения их в движение.

Уровень техники

Транспортным средствам, в частности колейным транспортным средствам, такие как обычные рельсовые транспортные средства, монорельсовые транспортные средства, троллейбусы и транспортные средства, направляемые по колее другими средствами, например, другими механическими, магнитными, электронными и/или оптическими средствами, требуется электрическая энергия, необходимая для приведения их в движение по колее и для работы вспомогательных систем, не создающих тяги транспортного средства. Такими вспомогательными системами являются, например, системы освещения, система отопления и/или кондиционирования воздуха, системы вентиляции и информирования пассажиров. Вместе с тем, следует особо отметить, что настоящее изобретение относится к передаче электрической энергии на транспортное средство, которое не обязательно (но предпочтительно) является колейным транспортным средством. В более широком смысле, транспортное средство может быть, например, транспортным средством, имеющим электрический тяговый двигатель. Транспортное средство также может быть транспортным средством, имеющим гибридную систему привода, например систему, которая может приводиться в действие электрической энергией или другим видом энергии, например, энергией из электрохимического источника или энергией топлива (например, природного газа или бензина).

Колейные транспортные средства, в частности транспортные средства для общественного пассажирского транспорта, обычно имеют токоприемник для обеспечения механического и электрического контакта с проходящим вдоль колеи контактным проводником, таким как контактный рельс или подвесная контактная линия (контактный провод). По меньшей мере один тяговый двигатель на борту транспортных средств питается электрической энергией от внешней колеи или линии и вырабатывает механическую энергию движения.

Трамваи и другие поезда местного сообщения или региональные поезда обычно работают от контактных подвесных линий, прокладываемых в городской черте. Однако в городах, особенно в их исторических частях, контактные подвесные линии являются нежелательными. С другой стороны, контактные рельсы в земле или рядом с поверхностью земли создают проблемы в отношении безопасности.

В публикации WO 95/30556 A2 описана система энергоснабжения колесного транспортного средства с электроприводом. Полностью электрифицированное транспортное средство имеет один или несколько бортовых элементов или устройств накопления энергии или приборов, которые могут быстро заряжаться энергией, получаемой из электрического тока, например сети электромеханических батарей. Элементы накопления энергии могут заряжаться во время работы транспортного средства. Зарядка осуществляется посредством сети элементов передачи энергии, например катушек, встроенных в дорожное полотно. Для повышения безопасности пассажиров, индуктивно нагревающиеся катушки расположены в зонах посадки/высадки пассажиров.

Размещение катушек в избранных местах по длине дорожного полотна имеет тот недостаток, что хранение энергии на борту транспортного средства требует использования аккумулятора большой емкости. Кроме того, если транспортное средство во время не доехало до ближайшей катушки, запас энергии на транспортном средстве для создания тяги или других целей может закончиться. Поэтому, по меньшей мере для некоторых применений, передачу энергии на транспортное средство предпочтительно осуществлять вдоль пути движения, т.е. вдоль колеи, непрерывно.

На индуктивную передачу энергии с колеи на транспортное средство, т.е. на создание электромагнитных полей, накладываются ограничения в отношении ЭМС (электромагнитной совместимости). С одной стороны, электромагнитные поля могут вызывать помехи работе других технических устройств. С другой стороны, люди и животные не должны подвергаться постоянному воздействию электромагнитных полей. По крайней мере, необходимо соблюдать соответствующие предельные значения напряженности поля.

Как это в основном раскрыто в публикации WO 95/30556 A2, транспортное средство, которое движется по колее, может содержать катушку, и в этой катушке электромагнитное поле создает переменное электрическое напряжение, которое может использоваться для работы любой электрической нагрузки в транспортном средстве, такой как тяговый двигатель, или может использоваться для зарядки аккумуляторной системы, такой как обычные батареи и/или ионисторы (конденсаторы сверхбольшой емкости).

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является разработка устройства, системы и способа для эффективного снабжения электрической энергией транспортного средства, прежде всего колейного транспортного средства. В частности, приемным устройством в транспортном средстве должна создаваться высокая плотность энергии. Кроме того, необходимо уменьшить колебания переменного тока или напряжения в транспортном средстве. Предпочтительно, чтобы напряженность поля в среде, окружающей приемное устройство в транспортном средстве, была низкой.

В соответствии с основным аспектом настоящего изобретения передача энергии на транспортное средство осуществляется от электрической проводниковой структуры, расположенной вдоль пути движения (например, колеи колейного транспортного средства) и не движущейся во время движения транспортного средства. Через проводниковую структуру пропускают переменный ток, который возбуждает соответствующее электромагнитное поле, и это электромагнитное поле используется для передачи электрической энергии на транспортное средство.

Предпочтительно, чтобы проводниковая структура была расположена в колее и/или под колеей, в частности под поверхностью земли, по которой движется транспортное средство. Вместе с тем, изобретение также применимо к случаю, когда по меньшей мере часть проводниковой структуры расположена сбоку от колеи, например, если колея находится в сельской местности или в туннеле.

Частота переменного тока, проходящего по проводниковой структуре, может быть высокой частотой в диапазоне 1-100 кГц, в частности в диапазоне 10-30 кГц, предпочтительно может составлять около 20 кГц. Вместе с тем, возможно также использование других частот.

Принцип передачи энергии посредством электромагнитных полей имеет то преимущество, что проводниковую структуру можно электрически изолировать от контакта с ней. Например, провода или линии проводниковой структуры могут прокладываться под землей. Пешеход не сможет случайно коснуться подземной линии. Кроме того, решается проблема изнашивания и поломок токоприемников, применяемых для обеспечения контакта со стандартными подвесными контактными линиями или контактными рельсами.

Однако использование одной катушки (раскрытое в публикации WO 95/30556 A2) обусловливает сильные колебания амплитуд переменного тока или переменного напряжения, создаваемых катушкой. Одна причина этого заключается в том, что во время движения транспортного средства напряженность принимаемого электромагнитного поля может колебаться. Кроме того, плотность энергии одной катушки низка, а создаваемый этой катушкой переменный ток порождает вторичные электромагнитные поля.

Поэтому предлагается использовать в транспортном средстве приемное устройство, которое создает (вырабатывает) переменный электрический ток, имеющий несколько фаз.

В частности, предлагается устройство для снабжения электрической энергией транспортного средства, прежде всего колейного транспортного средства, содержащее приемное устройство, выполненное с возможностью приема переменного электромагнитного поля и получения переменного электрического тока за счет электромагнитной индукции, причем приемное устройство содержит несколько витков и/или катушек из электропроводящего материала, где каждый виток или каждая катушка приспособлен(-а) для генерирования отдельной фазы переменного электрического тока.

Кроме того, предлагается устройство для снабжения электрической энергией транспортного средства, прежде всего колейного транспортного средства, содержащее приемное устройство, выполненное с возможностью приема переменного электромагнитного поля и получения переменного электрического тока за счет электромагнитной индукции, причем приемное устройство содержит несколько витков и/или катушек из электропроводящего материала, где витки и/или катушки приспособлены для генерирования различных фаз переменного тока и расположены в различных местах в направлении движения транспортного средства. Во время движения транспортного средства различные витки или катушки могут принимать электромагнитное поле различной напряженности, но общая мощность, вырабатываемая витками или катушками, зависит от времени в меньшей степени, поскольку уменьшение мощности на одном витке или катушке может компенсироваться более высокой мощностью другого витка или катушки. Поскольку витки или катушки расположены в различных местах, мощность зависит от средней напряженности электромагнитного поля в области, покрываемой витками или катушками.

В особом варианте осуществления изобретения области приема (т.е. области, через которые входит магнитный поток, создающий в витках и/или катушках переменное напряжение) различных витков и/или катушек могут перекрывать друг друга. Соответствующие примеры показаны на прилагаемых чертежах и рассматриваются ниже. В более общем смысле различные фазы витков и/или катушек могут быть частью одной конструктивного элемента. Такой конструктивный элемент может иметь корпус, в котором расположены витки и/или катушки. Кроме того, транспортное средство может иметь более одного конструктивного элемента в различных местах в направлении движения.

Еще одно преимущество приемного устройства, имеющего несколько фаз, заключается в том, что создаваемые фазами электромагнитные поля по меньшей мере частично компенсируют друг друга. Это позволяет передавать энергию на транспортное средство при более высоких значениях плотности энергии, не выходя за рамки ограничений по ЭМС, или же обеспечивает уменьшение напряженности полей. Кроме того, плотность энергии, достижимая приемным устройством, имеющим несколько фаз, выше, чем для единственной фазы.

Хотя справедливо утверждение, что одна катушка, имеющая большое число витков, может создавать большой переменный ток или напряжение, иметь такую катушку нежелательно, поскольку она имела бы значительный размер в направлении, проходящем поперек направления движения. Следовательно, среднее расстояние от витков до источника электромагнитного поля (который может быть встроен, например, в шпалы рельсового пути) будет большим. В отличие от такой катушки, предлагаемое в изобретении приемное устройство может быть выполнено таким образом, что витки различных фаз будут распределены по большей площади, а значит, необходимый размер поперек направления движения, будет меньше.

Подразумевается, что катушка имеет множество витков, соединенных последовательно или параллельно друг другу.

Предпочтительно, чтобы различные фазы переменного тока или напряжения, создаваемого витками или катушками, соединялись и/или комбинировались с другими элементами и/или устройствами системы электроснабжения транспортного средства таким образом, чтобы выдавать один постоянный ток. Например, как это будет подробнее описано ниже, каждая фаза может быть присоединена к преобразователю переменного тока в постоянный (т.е. к преобразователю, который превращает переменный ток, создаваемый приемным устройством, в постоянный ток), а стороны постоянного тока преобразователей могут быть соединены последовательно и/или параллельно друг другу. Вместе с тем, также возможен вариант, в котором некоторые или все фазы подключены к одному преобразователю переменного тока в постоянный. Фазы могут образовывать цепь с нейтральной точкой звезды (т.е. цепь, в которой различные витки и/или катушки соединены с общей нейтральной точкой звезды). Противоположные концы витков или катушек могут быть соединены с нагрузкой.

Предпочтительно, чтобы витки и/или катушки приемного устройства располагались над проводниковой структурой первичной стороны лишь в нескольких сантиметрах от нее, поскольку магнитная связь между первичной и вторичной катушками уменьшается с увеличением расстояния. Например, витки и/или катушки могут быть расположены не более чем в 10 см над землей (в частном случае рельсового транспортного средства уровень земли определяется нижней стороной колес, что также соответствует уровню поверхности на верхней стороне рельсов), предпочтительно не более чем в 7 см и наиболее предпочтительно - в 2-3 см над землей. Линия или линии неподвижной проводниковой структуры может/могут быть расположена(-ы) на глубине не более 20 см под поверхностью земли, предпочтительно не более 10 см. Однако определенные отрезки линии, особенно поперечно вытянутые отрезки, могут быть размещены и внутри шпал рельсового пути или же, в более общем смысле, над землей. В этом случае расстояние до приемного устройства уменьшается.

Предпочтительно, чтобы приемное устройство, принимающее передаваемую энергию, было подвижным в вертикальном направлении, что позволяет устанавливать его в положение над землей вблизи нее и поднимать приемное устройство в более высокое положение, когда оно не используется.

Как это подробнее описывается ниже, предпочтительно, чтобы электромагнитное поле, передаваемое на транспортное средство с целью электроснабжения последнего, распространялось в виде волны, движущейся в направлении движения транспортного средства или противоположно этому направлению движения. Если скорость волны гораздо выше скорости движения транспортного средства (например, если волна бежит по меньшей мере в 10 раз быстрее), мощность, вырабатываемая отдельными катушками или витками приемного устройства, будет колебаться с высокой частотой (в данном примере с частотой, составляющей по меньшей мере 10 Гц). Поэтому мощность, вырабатываемая катушками или витками, будет почти постоянной, если рассматривать среднее значение за временной интервал в несколько секунд. Справляться с такими колебаниями несложно (если это вообще необходимо), например, используя преобразователь переменного тока в постоянный и сглаживающий конденсатор на стороне постоянного тока.

Переменное электромагнитное поле, принимаемое витками и/или катушками (в дальнейшем - первичное электромагнитное поле), наводит в витках и/или катушках приемного устройства вторичные переменные токи или напряжения. Эти переменные токи, в свою очередь, порождают переменное электромагнитное поле (в дальнейшем - вторичное электромагнитное поле). Если первичное электромагнитное поле имеет в различных местах приемного устройства различную напряженность и, предпочтительно, имеет по меньшей мере два различных магнитных полюса (один северный полюс и один южный полюс) в пределах продольной протяженности (в направлении движения), то в различных местах приемного устройства в любой момент времени могут создаваться электрические токи, имеющие противоположные направления. Например, первичное электромагнитное поле может создаваться линиями нескольких фаз проводниковой структуры переменного тока, причем каждая фаза имеет отрезки, вытянутые поперек направления движения транспортного средства (подробнее это описывается ниже). В этом случае предпочтительно, чтобы фазы приемного устройства также имели отрезки линий, вытянутые поперек направления движения транспортного средства. Кроме того, полюсное расстояние (определяемое расстоянием между поперечно вытянутыми отрезками, при условии, что токи, проходящие через следующие один за другим отрезки различных фаз, направлены противоположно друг другу) может быть одинаковым или может быть одного порядка величины на первичной стороне и на вторичной стороне (т.е. в приемном устройстве). Если полюсное расстояние практически одинаково, магнитные полюсы первичного электромагнитного поля будут создавать в поперечно вытянутых отрезках линий приемного устройства токи, текущие в противоположных направлениях, при условии, что расстояние между первичной стороной и вторичной стороной не слишком велико (иначе напряженность поля станет слишком низкой, т.е. индуктивная связь станет неэффективной). На практике это расстояние может находиться в пределах нескольких сантиметров, например, в интервале от 5 до 10 см. Расстояние считается не слишком большим, если полюсное расстояние не превышает десятикратного, предпочтительно пятикратного, расстояния между линиями на первичной стороне и линиями на вторичной стороне. С другой стороны, связь между первичной и вторичной стороной существенно не улучшается, если полюсное расстояние становится больше расстояния между линиями на первичной стороне и линиями на вторичной стороне.

Предпочтительно, чтобы над витками и/или катушками, размещенными в транспортном средстве и/или на нем, было расположено тело, содержащее ферромагнитный материал. Как правило, тело состоит из материала, которым может быть однородный материал, благодаря чему внутри материала не образуется магнитных полюсов. Тело может иметь форму плиты или пластины.

Ферромагнитное тело увеличивает плотность магнитного потока, а тем самым - и выходную мощность приемного устройства, и, кроме того, на стороне тела, противоположной виткам или катушкам, отсутствуют (почти отсутствуют) электромагнитные поля, создаваемые витками/катушками. В зависимости от предпочтений, эта противоположная сторона может быть верхней стороной, а приемное устройство может быть расположено внизу транспортного средства или под транспортным средством, так что напряженность поля внутри транспортного средства будет мала.

Для дополнительного повышения выходной мощности приемного устройства витки и/или катушки могут содержать отрезки, вытянутые поперек направления движения транспортного средства и расположенные по существу в общей плоскости (предпочтительно - в горизонтальной плоскости). Предпочтителен вариант, в котором эти отрезки распределены - в указанном направлении движения - вдоль участка длины, имеющего ту же величину, что и проекция области поверхности тела на указанную плоскость, причем витки и/или катушки распределены по всему этому участку длины. Это означает, что весь участок длины, перекрытый ферромагнитным телом, используется витками и/или катушками. Следовательно, занимаемая витками или катушками площадь, которая перекрыта телом и принимает магнитный поток, является максимальной.

Боковые концы (понятие "боковые" означает крайние в направлении, поперечном направлению движения транспортного средства) этих отрезков обычно называют лобовыми частями или головками катушек/обмоток. Предпочтительно, чтобы эти лобовые части перекрывались ферромагнитным телом. С другой стороны, предпочтительно, чтобы лобовые части доходили до боковых границ области, перекрытой телом. Иными словами, предпочтительно, чтобы отрезки проходили в пределах участка ширины, представляющего собой ширину области, имеющую ту же величину, что и проекция области поверхности тела на указанную плоскость. Опять же, это повысит выходную мощность приемного устройства (т.е. улучшит его магнитную связь с проводниковой структурой, создающей электромагнитное поле), а тело при этом по-прежнему будет в качестве экрана защищать противоположную сторону от электромагнитных полей катушек и/или витков.

В особом варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна из фаз приемного устройства содержит два или более параллельных проводника (т.е. линий, причем каждая из линий содержит виток или катушку), электрически соединенных параллельно друг другу. Это означает, что оба проводника создают переменный ток, если в витке или катушке присутствует переменный магнитный поток. Однако, поскольку две линии не проходят точно по одному и тому же пути, переменные напряжения, создаваемые этими линиями, будут слегка различаться. Следствием этих различий стала бы частичная компенсации тока, что привело к уменьшению эффективной мощности. Поэтому для исключения возможного дифференциального тока в двух параллельных линиях эти линии предлагается присоединять к электрической нагрузке в транспортном средстве через дифференциальный трансформатор тока. Например, дифференциальный трансформатор тока может быть реализован кольцом из ферромагнитного материала, причем первая из линий проходит через кольцо с первой стороны на вторую сторону, а вторая линия проходит через кольцо со второй стороны на первую сторону, т.е. в противоположном, по сравнению с первой линией, направлении. В более широком смысле, дифференциальный трансформатор тока выполнен таким образом, чтобы магнитные поля, создаваемые двумя линиями, были направлены внутри трансформатора противоположно друг к другу, и трансформатор связывал эти магнитные поля, исключая или предотвращая возникновение дифференциального тока. Таким образом, дифференциальный трансформатор тока устраняет возможный дифференциальный ток в параллельных линиях, что обеспечивает увеличение полезной мощности.

Для компенсации собственной индуктивности витков и/или катушек к каждому из витков и/или к каждой из катушек может быть последовательно или параллельно подключена емкость (например, один конденсатор или устройство, имеющее более одного конденсатора).

Если емкости соединены с витками и/или катушками последовательно, то переменный ток с постоянной амплитудой, создающий электромагнитное поле в проводниковой структуре, расположенной вдоль пути движения (например, в проводниковой структуре, расположенной в железнодорожном полотне), создает в витках и/или катушках переменное напряжение постоянной амплитуды. Емкость определенной фазы может быть разделена на отдельные емкости (например, на несколько отдельных конденсаторов), и эти отдельные емкости можно распределить среди отрезков линий фаз таким образом, чтобы каждая емкость компенсировала индуктивность отрезка. На практике линия (изогнутая или намотанная с образованием витка или катушки) может содержать по меньшей мере один конденсатор. Если в пределах линии расположено по меньшей мере два конденсатора, их предпочтительно разместить в различных местах по ходу линии. То же самое может относиться и к линиям проводниковой структуры первичной стороны.

Если емкости соединены с витками и/или катушками параллельно, то переменный ток с постоянной амплитудой, создающий электромагнитное поле в проводниковой структуре вдоль пути движения, создает в витках и/или катушках переменный ток с постоянной амплитудой. С другой стороны, если емкости соединены с витками и/или катушками параллельно, а для создания электромагнитного поля вдоль пути движения используется переменное напряжение с постоянной амплитудой, то витками и/или катушками создается переменное напряжение с постоянной амплитудой.

В зависимости от построения системы электропитания транспортного средства, желательным может быть либо переменный ток с постоянной амплитудой, либо переменное напряжение с постоянной амплитудой.

Во всех рассмотренных выше случаях емкости выбираются из условия компенсации индуктивности витков и/или катушек с получением результирующего полного электрического сопротивления, равного (приблизительно) нулю в случае последовательного соединения или стремящегося к бесконечности в случае параллельного соединения.

Для получения постоянного тока каждый из витков и/или каждая из катушек может быть подключен(-а) к преобразователю переменного тока в постоянный, причем преобразователи переменного тока в постоянный могут быть соединены таким образом, что напряжения на сторонах постоянного тока преобразователей складываются между собой с получением общего напряжения, используемого для питания электрической энергией потребителя в транспортном средстве. Например, каждый из преобразователей может иметь мост, состоящий из двух диодов, причем вывод витка и/или катушки подключен к соединительной линии между диодами. В этом случае мосты различных преобразователей могут быть последовательно соединены друг с другом.

Согласно альтернативному решению выводы по меньшей мере некоторых из витков и/или катушек соединены, отдельно для каждого витка или каждой катушки, с преобразователем переменного тока в постоянный, предназначенным для получения постоянного тока, причем преобразователи включены электрически параллельно друг другу, так что постоянные токи, выдаваемые преобразователями, складываются между собой для питания электрической энергией потребителя в транспортном средстве.

В случаях, описанных в двух предыдущих абзацах, на эффективность работы цепи не оказывает отрицательного влияния любое несимметричное поведение различных фаз, т.е. переменные напряжения или переменные токи, создаваемые различными фазами, не компенсируют друг друга. Несимметричное поведение фаз означает, что различные фазы создают переменные напряжения или переменные токи различных амплитуд, например вследствие различной ориентации витка или катушки или вследствие различных размеров эффективной области, используемой для приема магнитного потока электромагнитного поля, даже если средний магнитный поток на каждом витке или катушке одинаков.

Между выводами постоянного тока преобразователя или преобразователей может быть включена емкость. Такая емкость сглаживает колебания напряжения постоянного тока на стороне постоянного тока преобразователя(-ей). В частности, если емкость представляет собой ионистор (конденсатор сверхбольшой емкости) или устройство на ионисторах, она может использоваться в качестве накопителя энергии в системе электроснабжения транспортного средства.

Предпочтительно, чтобы к емкости был параллельно подключен переключатель, и чтобы устройство содержало устройство управления, приспособленное для автоматического замыкания переключателя в случае, если емкость полностью заряжена электрической энергией, с закорачиванием стороны постоянного тока преобразователей, и для автоматического размыкания переключателя в случае, если емкость способна получать электрическую энергию от витков и/или катушек. Полностью заряженное состояние может быть регистрироваться путем измерения напряжения на емкости. При этом может быть предварительно задано определенное значение напряжения, соответствующее полностью заряженному состоянию. Во избежание закорачивания емкости с переключателем может быть последовательно соединен диод или другой вентиль одностороннего действия.

Объектом изобретения является также система для передачи энергии на транспортное средство, включающая в себя проводниковую структуру, создающую электромагнитное поле вдоль пути движения, а также описанное выше устройство с приемным устройством, расположенным в транспортном средстве или на транспортном средстве. Кроме того, изобретение включает в себя транспортное средство с приемным устройством, и способ управления работой системы, приемного устройства и/или транспортного средства. Способ изготовления системы, приемного устройства и/или транспортного средства также может быть объектом изобретения.

Неподвижная часть системы для передачи электрической энергии на транспортное средство может иметь следующие признаки:

- система содержит (неподвижную) электрическую проводниковую структуру для создания электромагнитного поля и для передачи посредством него энергии на транспортное средство,

- электрическая проводниковая структура содержит по меньшей мере две линии для пропускания по каждой из них одной фазы переменного тока,

- линии тянутся вдоль колеи,

- линии расположены таким образом, что в любой момент времени при прохождении по каждой линии переменного электрического тока она создает ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, имеющих чередующуюся магнитную полярность,

- ряд следующих один за другим магнитных полюсов тянется в направлении движения транспортного средства, определяемом колеей.

В другом варианте предлагаемая в изобретении система может характеризоваться следующими признаками:

- система содержит электрическую проводниковую структуру,

- линии тянутся вдоль колеи,

- линии содержат множество отрезков, вытянутых поперек направления движения транспортного средства, определяемого колеей,

- отрезки одной линии расположены в ряд вдоль колеи таким образом, что в любой момент времени при прохождении по линии переменного электрического тока этот переменный ток проходит через следующие один за другим в ряду отрезки в попеременно противоположных направлениях.

Соответствующий способ передачи энергии на транспортное средство характеризуется следующими признаками:

- с помощью электрической проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, создают электромагнитное поле, передавая посредством него энергию на транспортное средство,

- электромагнитное поле создают путем пропускания по линиям электрической проводниковой структуры по меньшей мере фазного тока двух фаз переменного тока,

- фазные токи пропускают по линиям вдоль колеи таким образом, что в любой момент времени при прохождении по линиям фазных токов они проходят поперек направления движения транспортного средства по множеству отрезков соответствующей линии, причем через первую группу этих отрезков фазные токи проходят в первом направлении, а через вторую группу этих отрезков - в противоположном направлении, и отрезки первой группы и второй группы одной фазы чередуются в направлении движения транспортного средства.

Как указано выше, электрическая проводниковая структура содержит по меньшей мере две линии. В предпочтительном варианте она содержит более двух таких линий, причем каждая линия приспособлена для пропускания одной фазы многофазного переменного тока. На практике предпочтительно, чтобы электрическая проводниковая структура содержала три линии и чтобы каждая линия была приспособлена для пропускания одной из трех фаз трехфазного переменного тока. Вместе с тем, также возможен вариант, в котором имеется более трех фаз, питающих соответствующее число линий. Магнитные полюсы, создаваемые линиями и/или отрезками различных линий, в любой момент времени располагаются в повторяющейся последовательности, проходящей в направлении движения транспортного средства, причем повторяющаяся последовательность соответствует последовательности фаз. Например, в случае трехфазного переменного тока, имеющего фазы U, V, W, за отрезком, пропускающим фазу U, следует отрезок, пропускающий фазу V, за которым, в свою очередь, следует отрезок, пропускающий фазу W, и эта последовательность фаз U, V, W повторяется несколько раз в направлении колеи, т.е. в направлении движения транспортного средства. Соответствующий пример рассматривается ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Каждая из по меньшей мере двух линий создает - в любой момент времени при прохождении по линии переменного электрического тока - ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, имеющих чередующуюся магнитную полярность. Иными словами, в данный момент времени переменный ток в линии создает - в направлении движения - магнитное поле, вектор которого ориентирован в первом направлении в первой области линии, за которой следует вторая область линии, где вектор магнитного поля ориентирован в направлении, противоположном первому направлению, за которой следует еще одна область линии, где вектор магнитного поля снова ориентирован в первом направлении, и так далее. Однако не всегда бывает так, что первое направление и направление вектора магнитного поля в следующей области линии ориентированы точно в противоположном направлении. Одной причиной этого может быть то, что линия расположена не строго правильным, упорядоченным, повторяющимся образом. Другой причиной могут быть несимметричные факторы влияния других линий проводниковой структуры. Еще одной причиной могут быть внешние электромагнитные поля. Также на результирующее электромагнитное поле влияет транспортное средство, движущееся по колее.

При этом принцип чередующихся магнитных полюсов, создаваемых в любой момент времени одной линией проводниковой структуры, имеет то преимущество, что результирующее электромагнитное поле имеет по бокам проводниковой структуры очень малую напряженность, быстро убывающую с увеличением расстояния до проводниковой структуры. Иными словами, противоположно направленные магнитные поля в областях линии накладываются друг на друга по бокам линии и компенсируют друг друга. Поскольку по обе стороны от колеи желательно иметь очень малую напряженность электромагнитного поля, предпочтителен вариант, в котором по меньшей мере одна линия электрической проводниковой структуры расположена в колее и/или под колеей, причем отрезки линии, которые вытянуты поперек направления движения, проходят в горизонтальной плоскости. В этом контексте понятие "горизонтальная" также охватывает тот случай, когда колея может изгибаться и быть слегка наклоненной. Таким образом, соответствующая "горизонтальная" плоскость отрезков линии также может быть слегка наклонена. Поэтому слово "горизонтальная" относится к стандартному случаю, когда колея проходит в горизонтальной плоскости. То же самое применимо к случаю, в котором колея проходит с уклоном в гору или под гору. Небольшие процентные значения уклона колеи пренебрежимо малы для компенсации магнитных полей по бокам от колеи.

Поскольку напряженность поля по бокам от колеи очень мала, передача энергии на транспортное средство может осуществляться при высокой мощности, и в то же время легко выполняются ограничения по ЭМС (например, предельное значение 5 мкТл для напряженности бокового магнитного поля).

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая из линий электрической проводниковой структуры змеевидно проходит вдоль колеи, т.е. за каждым отрезком линии, вытянутым в направлении движения, следует отрезок, который вытянут поперек направления движения, за которым, в свою очередь, снова следует отрезок, вытянутый в направлении движения. Линии могут быть реализованы кабелями.

Понятие "змеевидно" охватывает линии, имеющие искривленную конфигурацию и/или имеющие прямые отрезки с резко изогнутыми (в виде изломов) зонами перехода к соседним отрезкам (которые тянутся в направлении движения). Прямые отрезки предпочтительны, поскольку они создают более однородные поля.

В частности, многофазный переменный ток в линиях проводниковой структуры порождает электромагнитную волну, которая движется в направлении движения транспортного средства или в противоположном ему направлении со скоростью, пропорциональной расстоянию между следующими друг за другом магнитными полюсами линии и пропорциональной частоте переменного тока. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере некоторые из отрезков, вытянутых поперек направления движения, а предпочтительно - все эти отрезки, были вытянуты на расстояние по ширине, превышающее ширину приемного устройства транспортного средства, находящегося на колее, для приема передаваемой энергии. Например, ширина отрезков может быть больше максимальной ширины транспортных средств, которые могут занимать колею.

Одно преимущество этого варианта осуществления изобретения заключается в том, что переменный ток, протекающий через отрезки линии, создает магнитное поле практически однородной напряженности в той области, где может быть расположено приемное устройство.

Еще один вариант осуществления предлагаемых в изобретении системы или способа гарантирует, что напряженность переменного магнитного поля является постоянной во времени. Для достижения этой цели линии соединены со стабилизированным источником переменного тока, который выполнен с возможностью питания линии переменным током, среднее значение которого является постоянным (или почти постоянным) вне зависимости от мощности, передаваемой от электрической проводниковой структуры на транспортное средство или на транспортные средства, находящееся(-иеся) на колее.

В предпочтительном варианте выполнения стабилизированного источника переменного тока он содержит электрическое устройство, преобразующее переменное напряжение в переменный ток. Это электрическое устройство может содержать, в каждой линии, входную индуктивность на входной стороне стабилизированного источника тока и выходную индуктивность на выходной стороне стабилизированного источника тока, причем входная сторона соединена с источником напряжения, выходная сторона соединена с расположенными вдоль колеи отрезками линии, каждая линия имеет точку соединения входной и выходной сторон, и каждая точка соединения соединена через емкость с одной общей нейтральной точкой звезды.

Если в данный момент времени источник питания первичной стороны (который питает проводниковую структуру) снабжает энергией только одно транспортное средство или токоприемник, переменное напряжение постоянной величины может прикладываться к электрической проводниковой структуре колейной стороны попеременно. Ввиду наличия только одного транспортного средства исключаются любые взаимные помехи распределения нагрузки. В этом случае переменный ток через проводниковую структуру (вызываемый подачей переменного напряжения постоянной величины) зависит от мощности нагрузки. Поэтому электрические потери электрической проводниковой структуры первичной стороны зависят от нагрузки, и величина тока не постоянна, как в случае (описанном выше) подачи переменного тока постоянной величины.

Источник энергии (или источник питания) может быть (это относится и к другим вариантам выполнения системы) обычным инвертором для получения переменного напряжения из стабилизированного напряжения постоянного тока.

Предпочтительно, чтобы электрическая проводниковая структура была расположена под колеей, например под землей.

В одном варианте осуществления изобретения линии многофазной проводниковой структуры соединены в нейтральной точке звезды, т.е. линии соединены друг с другом в точке соединения, являющейся общей для всех фаз. Подобная конфигурация с нейтральной точкой звезды особенно проста в реализации и гарантирует, что имеющиеся фазы ведут себя симметрично, т.е. что во всех фазах действующее значение тока одинаковое, хотя между фазами, конечно, имеется определенный угол сдвига. Например, в случае трехфазной системы угол сдвига фаз, как обычно, равен 120°. Переменный ток в каждой фазе может быть гармоническим (синусоидальным) или почти гармоническим. Дополнительное преимущество соединения в нейтральной точке звезды заключается в том, что обратный проводник к источнику питания не требуется. Все соединения проводниковой структуры с системой электропитания могут быть выполнены на одном и том же отрезке колеи.

Указанная по меньшей мере одна линия содержит индуктивность, используемую для передачи электрической энергии на транспортное средство или транспортные средства, а также индуктивность рассеяния, которая не участвует в передаче энергии на транспортное средство или транспортные средства, причем индуктивность компенсируется емкостью или емкостями, расположенной(-ыми) в той же линии, в результате чего суммарное полное электрическое сопротивление емкости и индуктивности равно нулю. Такое нулевое полное электрическое сопротивление имеет то преимущество, что реактивная мощность системы сводится к минимуму, и поэтому конструкция компонентов с активной мощностью также минимизируется.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна линия (а предпочтительно - все линии) электрической проводниковой структуры содержала множество участков, каждый из которых проходит вдоль своего отрезка колеи и может включаться и выключаться отдельно от других участков линии. Каждый участок линии обычно содержит множество отрезков, вытянутых поперек направления движения транспортного средства.

Соответственно, предлагаемый в изобретении способ в одном варианте его осуществления предусматривает, что участки линий включают и выключают независимо от других участков линии, в результате чего транспортные средства на отрезках колеи, занятых транспортным средством, снабжаются энергией от электрической проводниковой структуры, а участки линии, расположенные вдоль по меньшей мере некоторых отрезков колеи, которые не заняты транспортным средством, выключены. В результате уменьшаются потери во время работы системы. Кроме того, легче выполняются требования по ЭМС, поскольку исключаются ненужные электромагнитные поля.

Особенно предпочтительно, чтобы отрезки колеи были короче длины транспортного средства, находящегося по колее, в направлении движения, и чтобы система была выполнена с возможностью приведения в действие (и в частности, включения) участков линии (линий) только в том случае, если транспортное средство занимает соответствующий отрезок колеи, на котором находится участок линии (линий). Поскольку включаются только участки линии, находящиеся под колеей (или в некоторых случаях, например в тоннелях - сбоку от колеи), транспортное средство экранирует окружающую среду от электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой. Приводить в действие предпочтительно только те участки, которые полностью заняты транспортным средством, т.е. чтобы - глядя в продольном направлении вдоль пути движения - приводимые в действие участки не выступали за переднюю сторону транспортного средства и не выступали за задний конец транспортного средства.

Процессом переключения можно управлять, используя участки линии, которые выключены. Предпочтительно, чтобы была обеспечена возможность определения занятия соответствующего отрезка колеи транспортным средством, в частности путем обнаружения на участке линии напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства с участком линии и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством. Соответственно, по меньшей мере к одному из участков линии может быть подключен измерительный прибор. Предпочтительно, чтобы несколько участков линии или все участки линии были подключены к измерительному прибору и/или к одному и тому же измерительному прибору. Измерительный прибор или приборы выполнен(-ы) с возможностью определения занятия соответствующего отрезка колеи транспортным средством путем обнаружения на участке линии напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства с участком линии и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством.

Система может быть выполнена таким образом, чтобы включать участок линии, прежде чем приемное устройство транспортного средства, предназначенное для приема передаваемой энергии, войдет на отрезок колеи, на котором находится этот участок линии.

Например, длина участков линии может быть подобрана с таким расчетом, чтобы по меньшей мере два из участков линии перекрывались по длине транспортным средством, находящимся на колее, т.е. чтобы минимальная длина транспортного средства, находящегося по колее, была вдвое больше длины одного участка линии (предпочтительно, чтобы все участки линии(-ий) были одинаковой длины). В результате приемное устройство или приемные устройства транспортного средства, предназначенное(-ые) для приема передаваемой энергии, может/могут быть расположена(-ы) на среднем, в продольном направлении, участке транспортного средства. Кроме того, предпочтителен вариант, в котором включаются только те участки линии, которые полностью перекрыты транспортным средством, находящимся на колее. С другой стороны, то, что транспортное средство входит в область над конкретным участком линии, может определяться (как указано выше), и этот участок линии включается, как только транспортное средство войдет в область над следующим сразу за ним участком линии.

Соответственно, участки линии выключаются, прежде чем транспортное средство покинет область над участком линии. Предпочтительно, чтобы они выключались до того, как они перестанут полностью перекрываться транспортным средством.

Если проводниковая структура содержит более одной линии, обнаружение событий входа транспортного средства на конкретный участок линии и выхода с этого участка может осуществляться с помощью только одной из линий. Другие же линии могут включаться и выключаться соответственно, т.е. проводниковая структура содержит секции, причем все линии на других секциях могут включаться и выключаться вместе.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения рассматриваются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение трехфазной проводниковой структуры, вытянутой вдоль колеи,

на фиг.2 - диаграмма, на которой показаны переменные токи, проходящие через три фазы изображенной на фиг.1 структуры, в зависимости от времени,

на фиг.3 - силовые линии магнитного поля, создаваемого изображенной на фиг.1 проводниковой структурой, в то время как над показанной областью проводниковой структуры расположено приемное устройство транспортного средства, причем направление распространения распределения магнитного поля проходит в плоскости чертежа справа налево или слева направо,

на фиг.4 - еще одна диаграмма, на которой показана область магнитного поля, создаваемого проводниковой структурой, в то время как к приемному устройству в транспортном средстве подключена нагрузка,

на фиг.5 - диаграмма, схематично изображающая движение магнитной волны, создаваемой проводниковой структурой, вдоль колеи и показывающая движение приемного устройства, обусловленное движением транспортного средства по колее,

на фиг.6 - принципиальная электрическая схема изображенной на фиг.1 проводниковой структуры, которая подключена к источнику переменного напряжения посредством электрического устройства, которое преобразует напряжение источника в переменный ток постоянной величины, подаваемый в проводниковую структуру,

на фиг.7 - принципиальная электрическая схема, на которой показано приемное устройство транспортного средства, имеющее катушки для трех различных фаз, причем приемное устройство подключено к преобразователю переменного тока в постоянный,

на фиг.8 - рельсовое транспортное средство, движущееся по колее, вдоль которой тянется проводниковая структура,

на фиг.9а-9в - три следующих друг за другом момента времени в ситуации движения рельсового транспортного средства по колее, снабженной множеством следующих один за другим участков линий проводниковой структуры, причем эти участки линий могут включаться и выключаться для снабжения транспортного средства энергией,

на фиг.10 - система, аналогичная показанной на фиг.8, включая электрическую схему проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, причем проводниковая структура содержит участки линий, которые могут включаться и выключаться,

на фиг.11 - структура, аналогичная показанной на фиг.1 и схематично иллюстрирующая проводниковую структуру между двумя рельсами рельсового пути,

на фиг.12 - волна магнитного поля, которая движется в направлении движения транспортного средства со скоростью v_M,

на фиг.13 - схематическое изображение приемного устройства, имеющего витки или катушки для получения трех фаз переменного тока,

на фиг.14 - вид сбоку приемного устройства со слоем, содержащим витки или катушки, и ферромагнитной плитой поверх этого слоя,

на фиг.15 - вид сверху, на котором схематично показаны катушки или витки, изображенные на фиг.13 и 14, и положение ферромагнитной плиты,

на фиг.16 - альтернативное решение показанного на фиг.15 устройства, в котором ферромагнитная плита полностью перекрывает область катушек или витков,

на фиг.17 - вариант показанного на фиг.16 устройства, в котором вся область, перекрываемая ферромагнитной плитой, используется катушками,

на фиг.18 - схематичное изображение альтернативного решения приемного устройства, в котором каждая фаза витков или катушек содержит две параллельные линии, и для каждой фазы возможное несимметричное поведение параллельных линий устраняется дифференциальным трансформатором тока,

на фиг.19 - схематичный местный вид показанного на фиг.18 устройства, изображающий дифференциальный трансформатор тока и две линии одной фазы,

на фиг.20 - схематичное изображение трех фаз приемного устройства, в котором к индуктивностям каждой фазы последовательно подключена емкость,

на фиг.21 - схематичное изображение приемного устройства, в котором к индуктивностям каждой фазы параллельно подключена емкость,

на фиг.22 - устройство, которое аналогично показанному на фиг.20, однако три фазы в котором не соединены друг с другом в нейтральной точке звезды, а образуют соединение треугольником,

на фиг.23 - устройство, показанное на фиг.20, однако емкости в нем разделены и распределены по каждой фазе,

на фиг.24 - приемное устройство с тремя фазами, причем переменные токи фаз преобразуются в постоянные токи, получаемые в результате этого преобразования, постоянные напряжения складываются между собой, и соответствующее общее напряжение может использоваться для питания любой электрической нагрузки в транспортном средстве,

на фиг.25 - приемное устройство, в котором переменные токи, создаваемые тремя фазами приемного устройства, преобразуются в постоянный ток, и соответствующие постоянные токи складываются с получением общего тока,

на фиг.26 - устройство, содержащее приемное устройство, показанное фиг.25, причем к приемному устройству подключен накопитель энергии, а устройство выполнено с возможностью прерывания процесса зарядки накопителя энергии.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана проводниковая структура, которая может быть расположена под землей вдоль колеи, например, вдоль рельсов рельсового пути (см., например, структуру, показанную на фиг.11). Рельсы могут проходить слева направо на виде, приведенном на фиг.1.

Подразумевается, что фиг.1 является схематическим изображением. Три линии 1, 2, 3 проводниковой структуры содержат отрезки, которые вытянуты поперек направления движения (проходящего слева направо или справа налево). Лишь некоторые из поперечно вытянутых отрезков линий 1, 2, 3 обозначены номерами позиций, а именно, три отрезка 5a, 5b и 5c линии 3, некоторые другие отрезки линии 3, обозначенные номером позиции "5", один отрезок 5x линии 2 и один отрезок 5y линии 1. В наиболее предпочтительном случае структура 12, показанная на фиг.1, проложена под землей и расположена под колеей или в шпалах рельсового пути, так что на фиг.1 приведен вид на структуру 12 сверху. Рельсы могут проходить слева направо, вверху и внизу на фиг.1, т.е. поперечно вытянутые отрезки линий могут располагаться полностью в пределах границ, определяемых рельсами (см. также фиг.11).

Например, как это показано на фиг.6, три линии 1, 2, 3 могут быть подключены к источнику трехфазного переменного тока. В представленный на фиг.1 момент времени по линии 3 течет положительный ток I1.

"Положительный" означает, что ток течет от источника тока в линию. На другом конце структуры три линии 1, 2, 3 соединяются вместе в общей нейтральной точке 4 звезды. Следовательно, по меньшей мере один из других токов, в данном случае ток I2 по линии 2 и ток I3 по линии 1, являются отрицательными. Вообще говоря, действует правило нейтральной точки звезды, означающее, что сумма всех токов, входящих в нейтральную точку звезды и выходящих из нее, в любой момент времени равна нулю. Направления токов, текущих по линиям 1, 2, 3, указаны стрелками.

Отрезки линии 3 и соответствующие отрезки линий 1, 2, которые вытянуты поперек направления движения транспортного средства, предпочтительно имеют одинаковую ширину и параллельны друг другу. На практике предпочтительно, чтобы между поперечно вытянутыми отрезками трех линий не было смещения в направлении ширины. Такое смещение показано на фиг.1 по той причине, чтобы можно было идентифицировать каждый отрезок или каждую линию.

В предпочтительном случае каждая линия проходит вдоль колеи по одинаковому змеевидному пути, причем линии смещены относительно друг друга в направлении движения на одну треть расстояния между следующими один за другим, ближайшими отрезками одной линии, вытянутыми поперек направления движения. Например, в средней части чертежа на фиг.1 расстояние между следующими один за другим отрезками 5 обозначено как Тр, полюсное расстояние. В пределах области между этими следующими один за другим отрезками 5 есть два других отрезка, которые вытянуты поперек направления движения, а именно, отрезок 5x линии 2 и отрезок 5y линии 1. Эта схема расположения следующих один за другим отрезков 5, 5x, 5y повторяется при постоянстве расстояний между этими отрезками в направлении движения.

Соответствующее направление тока, проходящего через отрезки линий, показано в левой части фиг.1. Например, через отрезок 5a ток проходит от первой стороны А структуры 12 к противоположной стороне В структуры. Сторона А является одной стороной колеи (например, правой стороной при взгляде с движущегося транспортного средства в направлении движения), а сторона В является противоположной стороной (например, левой стороной колеи), если структура 12 укрыта в земле под колеей или, в более широком смысле, (по меньшей мере поперечно вытянутые отрезки) проходит в горизонтальной плоскости.

Соответственно, через непосредственно следующий отрезок 5b электрический ток одновременно проходит от стороны В к стороне А. А через далее следующий отрезок 5c линии 3 ток проходит от стороны А к стороне В. Все эти токи имеют одинаковую силу, поскольку они одновременно проходят по одной и той же линии. Иными словами, отрезки, которые вытянуты поперек, соединены между собой отрезками, которые вытянуты в направлении движения.

В результате этого змеевидного расположения линий магнитные поля, возбуждаемые отрезками 5a, 5b, 5c, … линии 3, создают ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, причем эти следующие один за другим магнитные полюсы (полюсы, создаваемые отрезками 5a, 5b, 5c, …) имеют чередующуюся магнитную полярность. Например, полярность магнитного полюса, создаваемого отрезком 5a, может соответствовать в определенный момент времени магнитному диполю, для которого северный магнитный полюс обращен вверх, а южный магнитный полюс обращен вниз. В то же время магнитная полярность магнитного поля, создаваемого отрезком 5b, ориентирована таким образом, что соответствующий магнитный диполь обращен своим южным полюсом вверх, а своим северным полюсом - вниз. Соответствующий магнитный диполь отрезка 5 с ориентирован таким же образом, как для отрезка 5a, и так далее. То же самое касается линий 1 и 2.

Вместе с тем, настоящее изобретение осуществимо и в том случае, если имеется только одна фаза, только две фазы или более трех фаз. Проводниковая структура, имеющая только одну фазу, может быть расположена, как линия 3 на фиг.1, но вместо нейтральной точки 4 звезды конец линии 3 (который находится с правой стороны фиг.1) может быть подключен к источнику энергии (на фиг.1 не показан) посредством соединительной линии (на фиг.1 не показана), которая тянется вдоль колеи. Двухфазная структура может состоять, например, из линий 3 и 2, но расстояние между поперечно вытянутыми отрезками этих двух линий (или в более широком смысле - всех линий) предпочтительно является постоянным (т.е. расстояния от поперечно вытянутого отрезка линии 3 до двух ближайших к нему поперечно вытянутых отрезков линии 2 - в направлении движения и в противоположном направлении - равны друг другу).

Фиг.11 приведена для иллюстрации некоторых размеров проводниковой структуры, например, проводниковой структуры, показанной на фиг.1. На фиг.11 показаны только части трех линий 111, 112, 113, а их соединения друг с другом (например, посредством нейтральной точки 4 звезды, показанной фиг.1) и с источником энергии не показаны.

Змеевидные линии 111, 112, 113 расположены между двумя рельсами 116a, 116b рельсового пути, предназначенного для рельсовых транспортных средств (таких как региональные или местные (городские) поезда, например трамвай). Выражение "между" относится к виду сверху, показанному на фиг.11. Например, линии 111, 112, 113 могут быть расположены ниже уровня рельсов 116.

Каждая из линий 111, 112, 113 содержит линейные отрезки, которые вытянуты поперек направления колеи, т.е. поперек продольного направления рельсов 116. Эти поперечно вытянутые отрезки соединены со следующими за ними поперечно вытянутыми отрезками той же линии посредством продольно вытянутых отрезков, проходящих в продольном направлении рельсов. Поперечно и линейно вытянутые отрезки имеют длину LB, которая предпочтительно составляет по меньшей мере половину расстояния RB между рельсами. Например, расстояние RB может быть 1 м, а длина поперечно вытянутых отрезков может быть равна 50 см или может находиться в диапазоне от 50 до 75 см.

Поперечно вытянутые отрезки и продольно вытянутые отрезки одной линии соединены друг с другом криволинейными отрезками. Кривизна последних соответствует, например, кривизне окружности радиусом 150 мм.

На фиг.11 также схематично показана заштрихованная область 118, перекрываемая катушкой приемного устройства транспортного средства, движущегося по рельсам 116. Ширина катушки равна длинам поперечно вытянутых отрезков линий. Однако на практике предпочтителен вариант, в котором эта ширина меньше длины поперечно вытянутых отрезков. Это допускает смещение положения катушки в направлении, поперечном направлению движения, обозначенное двумя стрелками и линией под заштрихованной областью 118. Такое смещение не повлияет на прием энергии катушкой, если оно не приведет к выходу катушки за пределы границ поперечно вытянутых отрезков.

Как следует из временных диаграмм, приведенных на фиг.2, токи, проходящие через фазы 1, 2, 3, показанные на фиг.1, являются фазными токами обычного трехфазного переменного тока.

Обозначения L1, L2, L3 на фиг.2 показывают, что змеевидные линии 1, 2, 3 образуют индуктивности.

Как показано на фиг.2, пиковое значение токов может находиться в пределах 300 А и соответственно -300 А. Вместе с тем, также возможны большие или меньшие пиковые токи. Пиковый ток 300 А достаточен для снабжения тяговых двигателей трамвая энергией, позволяющей трамваю проходить вдоль колеи расстояние от нескольких сотен метров до нескольких километров, например, в пределах исторического центра города. Кроме того, трамвай может брать энергию от бортового накопителя энергии (аккумулятора), например, от обычного электрохимического батарейного устройства и/или от ионисторного устройства. Накопитель энергии может быть снова полностью заряжен, как только трамвай покинет центр города и подключится к подвесной контактной линии.

Искривленными линиями на фиг.3 являются силовые линии магнитного поля, создаваемого отрезками линий 1, 2, 3, показанных на фиг.1. На фиг.3 представлены ситуации в четыре различных момента времени, соответствующих значениям "0", "30", "60", "90" по временной шкале фиг.2. Временную шкалу фиг.2 также можно интерпретировать как шкалу, представляющую характер изменения токов по гармоническому закону (по синусоиде), что означает, что на фиг.2 показано изменение токов за один полный период, т.е. значения силы тока в начале периода при угле "0" такие же, что и в конце периода при угле "360".

На крайней левой из четырех диаграмм на фиг.3 показаны поперечно вытянутые отрезки линий 1, 2, 3 в поперечном сечении. Позицией "I1" обозначен ток I1, проходящий через поперечно вытянутый отрезок линии 1, и так далее. Эти поперечно вытянутые отрезки проходят перпендикулярно плоскости чертежа на фиг.3, причем плоскостью чертежа фиг.3 является вертикальная секущая плоскость, проходящая через структуру 12 на фиг.1, плоскости чертежей на фиг.1 и фиг.3 перпендикулярны друг другу, а плоскость чертежа на фиг.3 тянется в направлении движения, рассекая отрезки 5 на фиг.1 на две половины. Сверху на фиг.3 электромагнитные катушки 7 схематично показаны в виде плоских участков в прямоугольных рамках. Сверху этих катушек 7, представляющих собой части приемного устройства транспортного средства, которое (приемное устройство) предназначено для приема энергии от структуры 12, расположены ферромагнитные магнитопроводы 8, чтобы собирать вместе и отклонять силовые линии магнитного поля. Эти магнитопроводы 8 выполняют функции сердечника электромагнита.

На фиг.4 показан вид, аналогичный видам, приведенным на фиг.3. Однако эта фигура призвана иллюстрировать гипотетическую ситуацию, когда катушки в транспортном средстве (движущемся по колее) наводят ток в проводниковой структуре колеи. В дополнение к тому, что показано на фиг.3, на фиг.4 также показаны поперечные сечения электрических проводников 41a, 41b в областях 7a, 7b, 7c, 7d катушки 7. В области 7a, 7b в отображенный момент времени проходит ток, направленный вверх из плоскости чертежа на фиг.4. С правой стороны чертежа на фиг.4, где показаны области 7c, 7d катушки 7, ток направлен вниз в плоскость чертежа на фиг.4, как это показано перекрещивающимися штрихами. Электромагнитное поле (представленное силовыми линиями на фиг.4), которое создается катушкой 7, является симметричным относительно линии границы участков 7b и 7d, поскольку величины токов на участках 7a-7d также симметричны относительно этой границы.

На фиг.5 показан еще один разрез вдоль секущей плоскости, которая проходит вертикально и тянется в направлении движения. В верхней половине фиг.5 показаны провода или жгуты проводов линий 1, 3, 2, расположенные на отрезках этих линий 1, 3, 2, вытянутых поперек направления движения. На фиг.5 показано, по меньшей мере частично, в общей сложности семь отрезков структуры 12, вытянутых поперек направления движения. Первый, четвертый и седьмой отрезки в ряду (слева направо) принадлежат линии 1. Поскольку направление тока I1 через отрезок 5b (четвертый отрезок на фиг.5) противоположно направлению тока I1 через отрезки 5a, 5c (первый и седьмой отрезки на фиг.5), и поскольку токи I1, I3, I2 являются переменными токами, создаваемая электромагнитная волна перемещается в направлении движения со скоростью vw. Волна обозначена номером позиции 99, индуктивность структуры I2 - как Lp.

Поперечные сечения, показанные в верхней половине фиг.5, представляют приемное устройство транспортного средства, движущегося в направлении движения и со скоростью vm, а обозначение "2 TP" вверху фиг.5 указывает на то, что на фиг.5 показан участок линии структуры 12, длина которого равна удвоенному расстоянию между тремя следующими один за другим поперечно вытянутыми отрезками линии, в данном случае линии 1.

Система, показанная фиг.6, включает в себя проводниковую структуру 103, 104, 105, которая может быть проводниковой структурой 12, соответствующей фиг.1. Для отображения их электрических свойств на фиг.6 используются символы эквивалентной схемы. В фазах 1, 2, 3 трехфазной системы 103, 104, 105 проходят фазные токи I1, I2, I3. Собственные индуктивности фаз 1, 2, 3 обозначены как Lp1, Lp2, Lp3 и создают электромагнитное поле для передачи энергии на любое транспортное средство, находящееся на колее. Вместе с тем, линии 1, 2, 3 также содержат индуктивности Ls1, Ls2, Ls3 рассеяния, как это показано на фиг.6 в рамке 104. Полное электрическое сопротивление индуктивностей компенсируется емкостями Ck1, Ck2, Ck3 в линиях 1, 2, 3, как показано в рамке 103.

Электрическая энергия, используемая для создания электромагнитных полей в линиях 1, 2, 3, генерируется источником 101 трехфазного напряжения. Фазные источники для отдельных фаз обозначены как V1, V2, V3 в рамке 101. Создаваемые в линиях 1, 2, 3 напряжения обозначены как U1, U2, U3. Источник напряжения соединен с входом стабилизированного источника 102 тока. Выход этого источника 102 соединен с емкостями в рамке 103. На выходе источника 102 генерируются токи I1, I2, I3. Эти токи постоянны во времени, вне зависимости от энергии, передаваемой от линий 1, 2, 3 на любое транспортное средство, находящееся на колее. На входной стороне стабилизированного источника 102 тока этот источник 102 содержит в каждой линии 1, 2, 3 входную индуктивность L1a, L2a, L3a. На выходной стороне источника 102 каждая линия 1, 2, 3 содержит выходную индуктивность L1b, L2b, L3b. Между входной и выходной индуктивностями каждая линия 1, 2, 3 соединена через емкость C1, C2, C3 с общей нейтральной точкой 61 звезды.

На фиг.7 приведена принципиальная электрическая схема устройства, которое может быть расположено в транспортном средстве, движущемся по колее. Устройство содержит трехфазное приемное устройство для приема от колеи электромагнитного поля и получения из него электрической энергии. Приемное устройство содержит для каждой фазы 1a, 2a, 3a одну катушку или группу катушек, причем катушки обозначены как L71, L72, L73 (рамка 201). В показанном варианте осуществления изобретения фазы 1a, 2a, 3a соединены вместе в общей нейтральной точке 71 звезды. Индуктивности рассеяния (отдельно на фиг.7 не показаны) фаз 1a, 2a, 3a компенсируются емкостями C71, C72, C73, как показано в рамке 202.

Выходная сторона приемного устройства 201, 202, где на фиг.7 показаны фазные токи Is1a, Is2a, Is3a, соединена с преобразователем 203 переменного тока в постоянный ток. Сторона постоянного тока преобразователя 203 соединена с линиями 76a, 76b промежуточного контура. Линии 76a, 76b соединены друг с другом через сглаживающую емкость C7d, обозначенную номером позиции "204". Электрическая нагрузка, которая может снабжаться энергией внутри транспортного средства, представлена сопротивлением RL, которое обозначено номером позиции "205" и которое может быть соединено с линиями 76a, 76b промежуточного контура. Обозначение "Ud" указывает на то, что нагрузка RL может вызывать падение напряжения, причем напряжение Ud является, например, напряжением в промежуточном контуре.

На фиг.8 показана колея 83 (в данном случае железнодорожная колея с двумя рельсами), которая занята колейным транспортным средством 81, таким как поезд, относящийся к региональному общественному транспорту, или трамвай.

Изображенная на этом чертеже система включает в себя электрическую проводниковую структуру, предназначенную для создания электромагнитного поля и передачи посредством него энергии на транспортное средство, находящееся на колее. Проводниковая структура 89 изображена схематично. Например, проводниковая структура может быть выполнена, как это показано на фиг.1. Проводниковая структура 89 (это относится и к другим структурам, а не только к примеру, показанному на фиг.8) может быть расположена под землей или над землей. В частности, в случае железных дорог, имеющих два рельса, по которым могут катиться колеса рельсовых транспортных средств, проводниковая структура может быть расположена над землей между рельсами на уровне железнодорожной шпалы или частично над землей, но под железнодорожными шпалами. Если железнодорожные шпалы изготавливаются, например, из бетона, то шпалы или другая конструкция для удержания рельсов могут иметь отверстия и/или полости, через которые проходит(-ят) линия или линии проводниковой структуры. Таким образом, конструкция рельсового пути может использоваться для фиксации желательной змеевидной формы линии(-ий) проводниковой структуры.

Колейное транспортное средство 81 имеет на своей нижней стороне приемное устройство 85 для приема электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой 89. Приемное устройство 85 электрически соединено с бортовой электрической сетью 86, благодаря чему электрическая энергия, индуцируемая в приемном устройстве 85, может распределяться внутри транспортного средства 81. Например, к распределительной сети 86 могут подключаться вспомогательные устройства 90 и силовые агрегаты 80, 84 для приведения в действие тяговых двигателей (не показаны), расположенных в тележках 780a, 780b с колесами 88a, 88b, 88c, 88d. Кроме того, к распределительной сети также может быть подключен накопитель 82 энергии, например электрохимический аккумулятор или система конденсаторов, таких как ионисторы (конденсаторы сверхбольшой емкости). Таким образом, накопитель 82 энергии может заряжаться энергией, получаемой приемным устройством, в частности во время остановок транспортного средства 81 на колее. Когда транспортное средство 81 движется по колее, часть движущей энергии, необходимой для перемещения транспортного средства 81, можно брать из накопителя 82 энергии, и одновременно в сообщение транспортному средству движения свой вклад может вносить энергия, получаемая приемным устройством, т.е. эта энергия может быть частью движущей энергии.

На фиг.9а-9в иллюстрируется концепция проводниковой структуры 112, включающей в себя секции, которые могут включаться и выключаться таким образом, что электромагнитное поле для передачи энергии на транспортное средство или транспортные средства, находящееся(-иеся) на колее, создают только включенные секции. Примеры, приведенные на фиг.9, иллюстрируют пять участков (секций) T1, Т2, Т3, Т4, Т5, расположенных вдоль колеи в виде ряда следующих один за другим участков.

По колее движется транспортное средство 92, такое как трамвай. Под полом транспортного средства 92 предусмотрено два приемных устройства 95a, 95b (т.е. два разных узла) для приема электромагнитного поля, создаваемого участками. Приемные устройства 95a, 95b могут резервировать друг друга таким образом, что для функционирования транспортного средства необходимо только одно из этих устройств. Это повышает безопасность эксплуатации. Вместе с тем, устройства 95a, 95b могут быть и нерезервированными, вырабатывая энергию для энергоснабжения транспортного средства одновременно. Правда, в этом случае может случиться так, что по меньшей мере одно из этих устройств 95 окажется неспособным выдавать электрическую энергию. Вместо двух приемных устройств транспортное средство может содержать большее число приемных устройств.

Следующее описание относится ко всем этим случаям, а также к случаю, когда транспортное средство имеет только одно приемное устройство.

В изображенных на фиг.9 примерах транспортное средство движется слева направо. На фиг.9a транспортное средство 92 занимает колею над участками (секциями) Т2, Т3 и частично занимает колею над участками Т1 и Т4. Приемные устройства 95 или приемное устройство всегда расположены над участками, которые полностью заняты транспортным средством. Это связано с тем, что расстояние от приемных устройств до ближайшего конца транспортного средства в продольном направлении больше длины каждого участка проводниковой структуры 112.

В ситуации, показанной на фиг.9а, участки Т2, Т3 включены, а все остальные участки Т1, Т4, Т5 выключены. На фиг.9б, где транспортное средство 92 полностью занимает колею над участками Т2, Т3 и почти полностью занимает колею над участком Т4, участок Т2 выключен, поскольку приемные устройства 95 или приемное устройство уже покинули/покинуло область над участком Т2, и участок Т4 включится, как только транспортное средство полностью займет область над участком Т4. Это состояние, когда участок Т4 включен, показано на фиг.9в. Участок же ТЗ тем временем был выключен.

На фиг.10 показана система, аналогичная системам, показанным на фиг.9. В действительности, фиг.10 может быть другим видом тех же систем, что показаны на фиг.9. Вместе с тем, на фиг.10 показаны и дополнительные элементы системы. Каждый из следующих один за другим участков 103a, 103b, 103c проводниковой структуры для создания электромагнитного поля подключен к магистрали 108 посредством отдельного переключателя 102a, 102b, 102c, предназначенного для включения и выключения соответствующего участка 103. В случае системы трехфазного переменного тока магистраль 108 может содержать провода или кабели для каждой фазы. Дальний конец магистрали 108 (находящийся с правой стороны фиг.10, но не показанный) может иметь общую для всех трех фаз нейтральную точку звезды. С противоположной стороны магистрали 108 она соединена с источником 101 энергии, таким как устройство, обозначенное рамками 101, 102 на фиг.6.

Магнитная волна, показанная на фиг.12, представляет собой результирующую волну, создаваемую по меньшей мере двумя фазами проводниковой структуры, проходящей вдоль пути движения транспортного средства. Например, представленную на фиг.12 волну может создавать проводниковая структура, показанная на фиг.1. Горизонтальная ось x проходит в направлении движения транспортного средства (или навстречу этому направлению движения). Вертикальной осью на фиг.12 является ось напряженности B(x) магнитного поля. Волна имеет положительные полюсы, обозначенные позицией 1a, и отрицательные полюсы, обозначенные позицией 1b. Волна распространяется со скоростью v_M. Скорость v_M равна двойной длине Тр (обозначена на фиг.1), умноженной на частоту переменного тока или переменное напряжение проводниковой структуры, например проводниковой структуры, показанной на фиг.1. При этом не обязательно, чтобы проводниковая структура содержала нейтральную точку звезды (например, нейтральную точку 4 звезды, показанную на фиг.1). Возможны и другие конфигурации. Например, вместо нейтральной точки 4 звезды, показанной на фиг.1, линии 1, 2, 3 могут быть подключены на обоих противоположных концах к линии электроснабжения. Кроме того, линия электроснабжения может быть линией переменного тока или же линией постоянного тока. В случае линии постоянного тока противоположные концы линий 1, 2, 3 могут быть соединены на обоих концах с линией питания постоянным током через преобразователь постоянного тока в переменный. Например, длина Тр (полюсное расстояние) между отрезками проводниковой структуры, следующими один за другим вдоль пути движения, может находиться в пределах от 0,1 до 1 м, а частота переменного тока или напряжения может находиться в пределах от 1 до 100 кГц, так что скорость v_M распространения волны может быть в районе от 200 м/с до 20 км/с. Таким образом, эта скорость гораздо выше скорости транспортного средства, и в результате различные витки или катушки приемного устройства транспортного средства будут создавать одинаковую выходную мощность, если они имеют одинаковую конструкцию, хотя и расположены в различных, в продольном направлении, местах.

Например, если проводниковая структура, показанная на фиг.1, питается трехфазным переменным током, причем различные фазные токи имеют соответствующий фазовый сдвиг, эту систему переменных токов можно рассматривать как систему соответствующих вращающихся векторов в комплексной плоскости.

Приемное устройство 200, схематично показанное на фиг.13, может использоваться для приема энергии электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой, расположенной вдоль пути движения. Приемное устройство 200 имеет область 308, вытянутую в направлении движения (на фиг.13 - горизонтальное направление), а также проходящую поперек направления движения (на фиг.13 - вертикальное направление). Предпочтительно, чтобы область 308 проходила в горизонтальной плоскости, и чтобы соответствующая проводниковая структура (например, структура, показанная на фиг.1), тянущаяся вдоль пути движения, также проходила в горизонтальной плоскости, находящейся под плоскостью области 308.

В пределах области 308 приемное устройство 200 содержит, согласно показанному на фиг.13 примеру, три фазы, каждая из которых имеет по меньшей мере одну линию 9, 10, 11. Как показано на фиг.13, 15, 16 и 17, каждая фаза может иметь одну линию 9, 10, 11, соединенную с общей нейтральной точкой 122 звезды. Вместе с тем, возможны также альтернативные решения. Например, как показано на фиг.18, каждая фаза может содержать более одной линии. В показанном на фиг.18 примере для каждой фазы имеется две параллельных линии 9, 9a; 10, 10a; 11, 11a. Как показано на фиг.22, иметь общую нейтральную точку соединения фаз звездой необязательно. Вместо этого фазы могут быть соединены треугольником.

Благодаря магнитной связи (т.е. индуктивной связи) между проводниковой структурой, вытянутой вдоль пути движения, и приемным устройством, показанным на фиг.13-26, в фазах приемного устройства наводятся переменные напряжения U1, U2, U3. Магнитная связь условно обозначена буквой М на фиг.13-26.

В отличие от варианта, показанного на фиг.13-26, приемное устройство может иметь только две фазы или более трех фаз.

Как показано на фиг.13, 15 и 16, линии 9, 10, 11 приемного устройства могут проходить в направлении движения, пока не встретятся друг с другом в нейтральной точке 122 звезды, по змеевидному пути. Вместе с тем, как показано на фиг.17, вместо змеевидной конфигурации или в дополнение к ней линии 9, 10, 11 могут образовывать замкнутые петли.

Как показано на фиг.14 при виде сбоку, линии приемного устройства могут проходить в пределах слоя 201, а в плоскости, параллельной плоскости слоя 201, может быть расположено тело 211, выполненное в форме плиты. Как было упомянуто выше, предпочтительно, чтобы плоскости слоя 201 и тела 211 проходили в (почти) горизонтальной плоскости.

На видах сверху, приведенных на фиг.15, 16 и 17, показано, что размер тела 211 может изменяться по сравнению с областью 308, в пределах которой линии 9, 10, 11 приемного устройства образуют петли или витки для приема энергии электромагнитного поля. Предпочтительно, чтобы длина тела 211 в направлении движения (обозначенном на фиг.14 стрелкой v_A, указывающей скорость транспортного средства) была по меньшей мере столь же большой, как и область, в которой линии 9, 10, 11 приемного устройства образуют петли или витки для приема энергии поля. Наиболее предпочтителен вариант, в котором длина тела по существу равна длины этой области.

Кроме того, предпочтителен вариант, в котором ширина этой области по существу равна ширине тела 211, как показано на фиг.16 и 17. Преимущество такой компоновки заключается в том, что лобовые части (головки) петель или витков (две лобовые части обозначены на фиг.17 номерами позиций 231, 232) также перекрываются телом 211, и поэтому тело служит экраном, защищающим внутреннее пространство транспортного средства от электромагнитного поля, создаваемого линиями 9, 10, 11, если тело 211 проходит в горизонтальной плоскости между приемным устройством и внутренним пространством транспортного средства. С другой стороны, как это пояснялось выше при рассмотрении фиг.3, тело 211 собирает вместе силовые линии магнитных полей и таким образом повышает эффективность магнитной связи между проводниковой структурой, расположенной вдоль пути движения транспортного средства, и движущимся приемным устройством транспортного средства.

Также предпочтителен вариант, в котором вся перекрываемая ферромагнитным телом 211 область содержит петли или витки приемного устройства (как показано на фиг.17), т.е. вся эта область может использоваться в качестве области приема магнитного потока электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой, расположенной вдоль пути движения.

Предпочтительно, чтобы каждая из различных фаз приемного устройства содержала отрезки витка или катушки соответствующей линии, которые вытянуты поперек направления движения, причем отрезки различных фаз распределены по длине приемного устройства в направлении движения и образуют ряд отрезков, следующих один за другим в направлении движения так же, как это описано выше для проводниковой структуры, проходящей вдоль пути движения. Это означает, что наводимые электромагнитным полем переменные токи проходят - если рассматривать два соседних отрезка - в противоположных направлениях, тем самым создавая разноименные магнитные полюсы. Следовательно, создаваемые различными фазами магнитные поля компенсируют друг друга, даже в местах, находящихся на коротком расстоянии от витков или катушек приемного устройства. В частности, магнитные поля компенсируют друг друга на коротких расстояниях в любом направлении, поперечном направлению движения (на фиг.13 - в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа и в направлении, проходящем вертикально в плоскости чертежа).

На фиг.18 схематично изображен принцип использования двух параллельных линий для каждой фазы приемного устройства. Тот же принцип применим, если фазы не соединены звездой в нейтральной точке 122. Как показано на фиг.19 для одной из фаз (например, для линий 10, 10a), обе линии пропущены через внутреннее отверстие ферромагнитного кольца 218, но проходят в противоположных направлениях, т.е. линии, которые параллельны в другом месте, в области трансформатора не параллельны, а антипараллельны. Кольцо 218 связывает магнитные поля линий 10, 10a таким образом, что оно компенсирует любое различие между параллельными токами I1a(t) и I1b(t).

На фиг.20 иллюстрируется принцип компенсации индуктивностей фаз приемного устройства. Общую индуктивность каждой фазы можно разделить на основную индуктивность Lh_s и индуктивность рассеяния Ls_s. Основная индуктивность является той частью общей индуктивности, которая имеет магнитную связь с проводниковой структурой, проходящей вдоль пути движения транспортного средства, но не движущейся в направлении движения. Общая индуктивность каждой фазы компенсируется соответствующей емкостью фазы, так что результирующее полное электрическое сопротивление равно нулю. В примере, показанном на фиг.20, индуктивность фазной линии 9a компенсируется емкостью 214, индуктивность фазной линии 101 компенсируется емкостью 215, а индуктивность фазной линии 11a компенсируется емкостью 216. Результирующие напряжения между выводами фазных линий 9a, 10a, 11a и опорным потенциалом 237 обозначены на фиг.20 как U1(t), U2(t), U3(t), чтобы показать, что если неподвижная проводниковая структура питается переменным током, имеющим постоянную амплитуду, то последовательное соединение индуктивностей L и емкостей 214, 215, 216, показанных на фиг.20, создает фазные напряжения, имеющие постоянную амплитуду.

Вместе с тем, как показано на фиг.21, такая же компенсация общей индуктивности каждой фазы может быть достигнута путем соединения фазы с опорным потенциалом 237 через соответствующую емкость 214, 215, 216. Фазные токи, обозначенные на фиг.21 как I1(t), I2(t), I3(t), указывают, что если проводниковая структура на первичной стороне электромагнитного поля питается переменным током, имеющим постоянную амплитуду, то это параллельное соединение индуктивностей и компенсирующих емкостей будет создавать переменные фазные токи постоянной амплитуды. Если же первичная сторона запитана переменным напряжением, имеющим постоянную амплитуду, то выходное напряжение фазных линий 9a, 10a, 11a имеет постоянную амплитуду.

При соединении треугольником, показанном на фиг.22, емкости 214, 215, 216 также последовательно соединены с индуктивностями фазных линий 9a, 10a, 11a.

В зависимости от индуктивности фазных линий 9a, 10a, 11a, а также в зависимости от напряженности принимаемых электромагнитных полей можно наводить высокие напряжения. Для наведенного напряжения может быть задано максимальное значение, например 1 кВ. Если предполагается, что во время работы приемного устройства наведенное напряжение превысит это максимальное значение, компенсирующие емкости 214, 215, 216 разделяют на отдельные (частичные) емкости, и эти отдельные емкости распределяют по ходу фазных линий 9a, 10a, 11a. Например, как показано на фиг.23, компенсирующая емкость может быть разделена на две отдельные емкости 214a, 214b; 215a, 215b; 216a, 216b, причем одна из отдельных емкостей 214a, 215a, 216a расположена у выводов фазных линий 9a, 10a, 11a, а другая отдельная емкость 214b, 215b, 216b расположена в том месте фазной линии 9a, 10a, 11a, которое делит индуктивность L на две половины.

Показанная на фиг.24 цепь также содержит компенсирующие емкости 214, 215, 216, которые последовательно соединены с индуктивностью L фазных линий 9a, 10a, 11a. Эти фазные линии соединены на своих противоположных выводах с мостом, образованным двумя последовательно соединенными друг с другом диодами 20. Выводы фазных линий соединены с отрезком линии моста, соединяющим два диода 20.

Мосты, расположенные на одной стороне (например, у соответствующих выводов) фазных линий, последовательно соединены друг с другом. Кроме того, мосты на противоположном конце каждой фазной линии соединены параллельно друг другу закорачивающими линиями 361, 362, 363, 364, как показано на фиг.24, а параллельно мостам каждой фазной линии включены емкости 217, 218, 219. Эти емкости сглаживают колебания постоянных напряжений на мостах каждой фазы. Как показано на фиг.24, три емкости 217, 218, 219 фактически соединены последовательно друг с другом, и соответствующие напряжения Ud1(t), Ud2(t), Ud3(t), создаваемые тремя фазами, складываются. Общее напряжение обозначено как Ud(t). Несмотря на применение сглаживающих емкостей 217, 218, 219, общее напряжение Ud(t) будет по-прежнему колебаться в зависимости от электрической энергии, вырабатываемой фазными линиями 9a, 10a, 11a, а также в зависимости от электрической нагрузки, подключенной к выводам J, K цепи, показанной на фиг.24. При наличии только двух фазных линий или более чем трех фазных линий показанная на фиг.24 цепь может быть модифицирована соответственно. Например, в случае двух фазных линий можно исключить фазную линию 11a, емкость 219 и соответствующие мосты у противоположных концов фазной линии 11a.

В особом варианте выполнения цепи, показанной на фиг.24, емкости 217, 218, 219 представляют собой накопители энергии, например ионисторы. Энергия, запасаемая в накопителях энергии, может непосредственно использоваться для питания электрических и электронных приборов в транспортном средстве. В частности, с использованием запасенной энергии может приводиться в действие по меньшей мере один тяговый двигатель транспортного средства.

В варианте осуществления выполнения приемного устройства, показанном на фиг.25, фазные линии 9а, 10а, 11а соединены с общей нейтральной точкой 122 звезды. Противоположные выводы 371, 372, 373 фазных линий 9a, 10a, 11a, соединены в каждом случае с выпрямительным мостом, содержащим два диода 20. Эти три моста включены параллельно друг другу, так что полученные выпрямлением постоянные токи складываются между собой. Общий ток Id может использоваться для питания любого электрического или электронного прибора в транспортном средстве. Параллельно мостам включена сглаживающая емкость 219. Как возможный вариант, емкость 219 может быть накопителем энергии, таким устройство на ионисторах.

На фиг.26 изображен модифицированный вариант показанной на фиг.25 цепи. Все части и компоненты, находящиеся справа от прерывистой линии на фиг.26, соответствуют таковым на фиг.25. При этом цепь справа от прерывистой линии может быть заменена любым другим приемным устройством, содержащим по меньшей мере один выпрямитель для выпрямления переменного тока, создаваемого фазными линиями. Ниже поясняется часть цепи, находящаяся слева от прерывистой линии.

Две точки соединения приемного устройства и части цепи, находящейся слева от прерывистой линии, обозначены буквами O, N, причем электрический потенциал в точке N выше электрического потенциала в точке O. Между точками N, O соединения включены последовательно соединенные переключатель 221 и индуктивность 220. Кроме того, точка O через индуктивность 220 и через диод 222 соединена с минусовым выводом J цепи. Точка N напрямую соединена с другим выводом K цепи, а именно плюсовым выводом. Между выводами J, K включен накопитель 223 энергии.

Переключатель 221 приводится в действие устройством 285 управления, подключенным к переключателю 221 посредством управляющей линии 286. Кроме того, устройство 285 управления соединено с измерительным прибором (на фиг.26 не показан), позволяющим измерять напряжение на накопителе 223 энергии или измерять состояние заряда накопителя 223 энергии. Если накопитель 223 энергии заряжен полностью, устройство 285 управления замыкает переключатель 221, в результате чего точки N, O соединения закорачиваются (соединяются накоротко) через индуктивность 220, и приемное устройство не может подводить к накопителю 223 электрическую энергию.

Как только накопитель 223 энергии перестанет быть полностью заряженным (вследствие саморазряда и/или отдачи энергии любому потребителю в транспортном средстве), устройство 285 управления разомкнет переключатель 221, и накопитель 223 энергии снова начнет заряжаться приемным устройством, если витки или катушки приемного устройства принимают электромагнитное поле.

Claims

1. Устройство для снабжения электрической энергией транспортного средства, прежде всего колейного транспортного средства, содержащее приемное устройство (85), выполненное с возможностью приема переменного электромагнитного поля и получения переменного электрического тока за счет электромагнитной индукции, причем приемное устройство (85) содержит несколько витков и/или катушек (9, 10, 11) из электропроводящего материала, где каждый виток или каждая катушка (9, 10, 11) приспособлен(-а) для генерирования отдельной фазы переменного электрического тока, а над витками и/или катушками (9, 10, 11) расположено тело (211), содержащее ферромагнитный материал.

2. Устройство по п.1, в котором витки и/или катушки (9, 10, 11) соединены с преобразователем (20), предназначенным для преобразования переменного тока в постоянный ток.

3. Устройство по п.1, в котором тело (211) имеет форму плиты.

4. Устройство по п.1, в котором отрезки витков и/или катушек (9, 10, 11), вытянутые поперек направления движения транспортного средства и расположенные по существу в общей плоскости, распределены - в указанном направлении движения - вдоль участка длины, имеющего ту же величину, что и проекция области поверхности тела (211) на указанную плоскость, причем витки и/или катушки (9, 10, 11) распределены по всему этому участку длины.

5. Устройство по п.1, в котором отрезки витков и/или катушек (9, 10, 11), вытянутые поперек направления движения транспортного средства и расположенные по существу в общей плоскости, проходят в пределах участка ширины, представляющего собой ширину области, имеющую ту же величину, что и проекция области поверхности тела (211) на указанную плоскость.

6. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна из фаз приемного устройства (85) содержит две линии (9, 9a; 10, 10a; 11, 11a), электрически соединенные параллельно друг другу и подключенные к электрической нагрузке в транспортном средстве через дифференциальный трансформатор (218) тока для исключения возможного дифференциального тока в двух параллельных линиях (9, 9a; 10, 10a; 11, 11a).

7. Устройство по п.1, в котором к каждому из витков и/или к каждой из катушек (9, 10, 11) последовательно подключена емкость (214, 215, 216).

8. Устройство по п.1, в котором к каждому из витков и/или к каждой из катушек (9, 10, 11) параллельно подключена емкость (214, 215, 216).

9. Устройство по п.1, в котором витки и/или катушки (9, 10, 11) соединены с общей нейтральной точкой (122) звезды.

10. Устройство по п.1, в котором для получения постоянного тока каждый из витков и/или каждая из катушек (9, 10, 11) подключен(-а) к преобразователю (20) переменного тока в постоянный, причем преобразователи (20) переменного тока в постоянный соединены таким образом, что напряжения на сторонах постоянного тока преобразователей (20) складываются между собой с получением общего напряжения, используемого для питания электрической энергией потребителя в транспортном средстве.

11. Устройство по п.1, в котором выводы витков и/или катушек (9, 10, 11) соединены, отдельно для каждого витка или каждой катушки, с преобразователем (20), предназначенным для получения постоянного тока, причем преобразователи (20) включены электрически параллельно друг другу, так что постоянные токи, выдаваемые преобразователями (20), складываются между собой для питания электрической энергией потребителя в транспортном средстве.

12. Устройство по предыдущему пункту, в котором между выводами постоянного тока преобразователей (20) включена емкость (219), в частности ионистор или устройство на ионисторах.

13. Устройство по предыдущему пункту, в котором к емкости (223) параллельно подключен переключатель (221), а устройство содержит устройство (285) управления, приспособленное для автоматического замыкания переключателя (221) в случае, если емкость (223) полностью заряжена электрической энергией, с закорачиванием стороны постоянного тока преобразователей (20), и для автоматического размыкания переключателя (221) в случае, если емкость (223) способна получать электрическую энергию от витков и/или катушек (9, 10, 11).

14. Транспортное средство (81), прежде всего рельсовое транспортное средство, содержащее устройство по одному из пп.1-13.

15. Способ снабжения электрической энергией транспортного средства (81), прежде всего колейного транспортного средства, включающий прием переменного электромагнитного поля с помощью приемного устройства (85) транспортного средства (81) и использование этого переменного электромагнитного поля для получения переменного электрического тока за счет электромагнитной индукции, причем для получения переменного электрического тока, имеющего несколько фаз, используют приемное устройство (85) с несколькими витками и/или катушками (9, 10, 11) из электропроводящего материала, причем над витками и/или катушками (9, 10, 11) расположено тело (211), содержащее ферромагнитный материал.