增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),主要包括電源單元(1)、整流濾波模塊(2)、斬波功率振蕩電路(3)、信號控制模塊(4)、電磁場發(fā)射線圈(5)、電磁場耦合增強線圈(6)、電磁場接收線圈(7)、整流濾波斬波模塊(8)、逆變模塊(9)、機車負載(10)、電磁屏蔽層(11)。本實用新型拓展了電能的傳輸模式,在諧振式無線供電的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了帶磁芯的電磁場耦合增強線圈,提高了能量傳輸?shù)男逝c距離。該設(shè)計施工方便,僅需在現(xiàn)有諧振式無線供電系統(tǒng)上改造即可實現(xiàn),成本較其他無線供電結(jié)構(gòu)相對較低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,安全性高,且市場前景廣闊。
【專利說明】增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]無線電能傳輸技術(shù)是目前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點研究方向之一,它集基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究為一體,是當前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索的一個多學(xué)科、強交叉的新的研究領(lǐng)域和前沿課題,涵蓋電磁場、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、控制技術(shù)、物理學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)等諸多【技術(shù)領(lǐng)域】。采用無線供電方式能夠有效克服電線連接方式存在的各類缺陷,實現(xiàn)電子電器的自由供電,具有重要的應(yīng)用預(yù)期和廣闊的發(fā)展前景。
[0002]本實用新型增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng)涉及一種施工方便,系統(tǒng)便捷、運行穩(wěn)定、安全可靠的無線電能傳輸電磁諧振耦合技術(shù),為地鐵的無線供電提供了技術(shù)模型。避免了現(xiàn)有地鐵供電模式的弊端,消除原有的受電弓與輸電線之間的摩擦,也避免了接觸軌供電方式對工作人員帶來的危險,減少地鐵在運行中的維護費用,同時減少由受電弓帶來的空氣阻力對車體運行效率的影響,且市場前景廣闊。
【背景技術(shù)】
[0003]無線電能傳輸技術(shù)可分為三種:第一種為感應(yīng)稱合式電能傳輸,它利用松稱合變壓器原理進行傳能,發(fā)射端與接收端一般存在降低回路磁阻的鐵芯裝置,適合小功率,短距離的應(yīng)用場合。第二種為電磁耦合諧振式電能傳輸,通過高品質(zhì)因數(shù)的諧振器上電感與分布式電容發(fā)生諧振傳輸能量適合中等距離的能量傳輸。第三種為電磁福射式電能傳輸,在該技術(shù)中電能被轉(zhuǎn)換為微波形式,傳輸距離超過數(shù)千米,可實現(xiàn)電能的遠程傳送。其中電磁率禹合諧振技術(shù)利用非福射電磁場近場區(qū)域完成電能傳輸,一方面較之電磁感應(yīng)式傳能,在傳輸距離上有了很大的擴展;另一方面相比電磁輻射式傳能,近場區(qū)域能量具有非輻射的特點,該技術(shù)有較好的安全性,因此目前得到很大的關(guān)注和研究。
[0004]目前地鐵供電可分為兩種:分別是架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種形式,采用AC25kV或者DC1500V的線路使用接觸網(wǎng)制式,接觸網(wǎng)成本高,尤其是三軌接觸網(wǎng),基本依賴進口,此外該方式需要地鐵列車安裝受電弓,與接觸網(wǎng)發(fā)生接觸獲得電能,但是受電弓的碳板由于磨損嚴重,需要經(jīng)常更換碳板,操作麻煩并且維護費用大,同時該方式受高空異物影響較大,例如生活垃圾、塑料袋砸在車頂上,掛在接觸網(wǎng)上,纏在受電弓上,都會干擾列車的正常運行,導(dǎo)致列車的臨時停車,而目前流行的DC750V接觸軌供電形式在列車開行的鐵軌上通以750V直流電,這會給在車底檢修的工作人員帶來極大危險,此外現(xiàn)有的地鐵軌道不可能完全屏蔽起來,由于失足而墜落月臺的乘客更是有性命之憂,由于意外而觸碰接觸軌導(dǎo)致點擊身亡的乘客在新聞中也有報道。因此如何解決地鐵的后期運行維護以及安全保護問題刻不容緩。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是,提出了一種增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的傳輸效率,避免了傳統(tǒng)地鐵供電方式中受電弓的存在和與供電導(dǎo)線的摩擦,克服了傳統(tǒng)機車供電方式需要定期更換受電弓且供電線路磨損厲害的弊端,同時也避免了接觸軌供電形式為檢修人員以及失足乘客帶來的安全隱患,也減少了地鐵供電因為異物造成的短路導(dǎo)致的臨時停運的概率,為地鐵的無線供電提供了安全穩(wěn)定,具體實在的技術(shù)模型。
[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),設(shè)置有電源單元(I),為供電系統(tǒng)提供輸入功率;整流濾波模塊(2),將電源單元輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電;斬波功率振蕩電路(3),用于將整流濾波模塊輸入的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負載功率要求的交變電流;信號控制模塊(4),控制斬波電路的輸出電壓值以實現(xiàn)輸入功率和輸出功率的平衡;電磁場發(fā)射線路(5),用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場;電磁場耦合增強線圈(6),增強線圈的電壓將比發(fā)射線路(5)的電壓高,增強線圈中的諧振電流將增大,增強線圈中的波形將優(yōu)于發(fā)射線路(5)中的波形,用于增大電磁場耦合范圍,提高系統(tǒng)傳輸效果;電磁場接收線圈(7),接收電磁場發(fā)射線路發(fā)射出的交變磁場;整流濾波斬波模塊(8),將電磁場接收線圈接收到的交流電轉(zhuǎn)換為電壓值恒定的直流電;逆變模塊(9),將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電,為機車(10)提供驅(qū)動功率;電磁屏蔽層(11),將多余的磁場約束在其中,減少渦流損耗的產(chǎn)生。
[0007]所述的整流濾波模塊(2)由橋式整流電路和濾波電路兩部分組成,整流部分利用IGBT組成的大功率橋式電路將交流電變?yōu)橹绷麟?,同時濾波部分串聯(lián)在整流電路域斬波功率振蕩電路之間,用以消除高次諧波,輸出恒定電壓的直流電。
[0008]所述的斬波功率振蕩電路(3)由斬波電路與半橋功率推挽電路組成,其中斬波電路受信號控制電路(4)中單片機控制,以控制其輸出電壓值,半橋功率推挽電路的開關(guān)頻率固定,與發(fā)射線路的諧振頻率一致。
[0009]所述的信號控制電路(4)由功率檢測電路和單片機控制電路組成。功率檢測電路檢測到的功率信號經(jīng)過A / D變換送至單片機控制電路,單片機將與預(yù)存的功率閾值做比較,根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)(3)中斬波電路的輸出電壓指標。
[0010]所述的電磁場發(fā)射線路(5)由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體組成,埋設(shè)在地鐵機車的正下方,其諧振頻率與電源頻率保持一致,以保證較低的反射系數(shù),用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場。
[0011]所述的電磁場耦合增強線圈(6),由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體組成,并通過并聯(lián)電容將其諧振頻率匹配至與電源相等,此外,線圈中心還安裝有磁芯,以增強其磁通量,將空間多數(shù)磁場約束在磁芯中,電磁場發(fā)射線路(5)通過電磁場耦合增強線圈(6)向電磁場接收線圈(7)傳遞磁場,增強線圈的電壓將比發(fā)射線路(5)的電壓高,增強線圈中的諧振電流將增大,增強線圈中的波形將優(yōu)于發(fā)射線路(5)中的波形,用于增大電磁場耦合范圍,提高系統(tǒng)傳輸效果。
[0012]所述的電磁場接收線圈(7)由多匝金屬導(dǎo)體繞制成的線圈組成,安裝在機車的正下方,電磁場耦合增強線圈(6)的正上方,接收線圈在制作時就考慮了電源的頻率,制作出的接收線圈與電源頻率保持一致,以保證接收線圈在運行中保持諧振狀態(tài),以通過諧振耦合的方式實現(xiàn)能量的高效傳遞。
[0013]所述的整流濾波斬波模塊(8)由橋式整流電路、濾波電路、斬波電路組成,其中橋式整流電路將線圈獲得的交流電整流成直流電,濾波電路消除電路中的高次諧波,隨后斬波電路將濾波后的直流電轉(zhuǎn)變成恒定輸出電壓的直流電。[0014]所述的逆變模塊(9)由工頻逆變電路組成,用于將整流濾波斬波模塊(8)中輸出的直流電轉(zhuǎn)變成所需頻率的交流電以提供給后級機車負載。
[0015]本實用新型增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),是采用電源單元(I)、整流濾波模塊(2)、斬波功率振蕩電路(3)、信號控制模塊(4)、電磁場發(fā)射線圈(5)、電磁場耦合增強線圈(6)、電磁場接收線圈(7)、整流濾波斬波模塊(8)、逆變模塊(9)和機車負載(10)組成的供電系統(tǒng),此外該系統(tǒng)還選擇了電磁屏蔽層(11)設(shè)計了電磁屏蔽結(jié)構(gòu),減小了電磁能量在鐵軌以及車底的耗散,減少了電磁波對環(huán)境的影響,提高了系統(tǒng)的能量傳輸效率。系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)地鐵接觸網(wǎng)供電方式中受電弓的存在和與供電導(dǎo)線的高速摩擦,克服了傳統(tǒng)機車供電方式需要定期更換受電弓且供電線路磨損厲害的弊端,同時也避免了接觸軌供電形式為檢修人員以及失足乘客帶來的安全隱患,也減少了地鐵供電因為異物造成的短路導(dǎo)致的臨時停運的概率,同時提高了傳輸?shù)男?,為地鐵的無線供電提供了安全高效,具體實在的技術(shù)模型,也為無線傳能技術(shù)的應(yīng)用提供了樣本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型的整體功能框圖;
[0017]圖2是發(fā)射單元結(jié)構(gòu)示意圖;
[0018]圖3是電磁發(fā)射線路的結(jié)構(gòu)圖;
[0019]圖4是電磁接收線圈的結(jié)構(gòu)圖;
[0020]圖5是帶增強線圈的接收模塊的示意圖。
[0021]其中:
[0022]11:電磁屏蔽層12:電磁場發(fā)射線路[0023]13:并聯(lián)諧振電容14:磁芯
[0024]15:電磁場稱合增強線圈
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng)做出詳細地說明。
[0026]如圖1所示,本實用新型增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),設(shè)置有電源單元
(I),為供電系統(tǒng)提供輸入功率;整流濾波模塊(2),將電源單元輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電;斬波功率振蕩電路(3),用于將整流濾波模塊輸入的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負載功率要求的交變電流;信號控制模塊(4),由功率檢測電路和單片機控制電路組成。功率檢測電路檢測到的功率信號經(jīng)過A / D變換送至單片機控制電路,單片機將與預(yù)存的功率閾值做比較,根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)(3)中斬波電路的輸出電壓指標,控制斬波電路的輸出電壓值以實現(xiàn)輸入功率和輸出功率的平衡,本例中預(yù)設(shè)的斬波輸出電壓值為750V,功率閾值為2560kW,電壓值和功率閾值可依照要求作出調(diào)整;電磁場發(fā)射線路(5),用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場,該線路在架設(shè)之后使用之前測定過固有諧振頻率,并通過并聯(lián)電容與電源單元(I)的中心頻率進行匹配,匹配后的發(fā)射線路(5)諧振頻率與電源單元(I)的中心頻率一致,以保證較低的反射系數(shù);電磁場耦合增強線圈(6),由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體組成,并通過并聯(lián)電容將其諧振頻率匹配至與電源相等,此外,線圈中心還安裝有磁芯,以增強其磁通量,將空間多數(shù)磁場約束在磁芯中,電磁場發(fā)射線路(5)通過電磁場耦合增強線圈(6)向電磁場接收線圈(7)傳遞磁場,增強線圈的電壓將比發(fā)射線路(5)的電壓高,增強線圈中的諧振電流將增大,增強線圈中的波形將優(yōu)于發(fā)射線路(5)中的波形;電磁場接收線圈(7),接收電磁場發(fā)射線路發(fā)射出的交變磁場,該線圈在使用前已經(jīng)與電源單元(I)及發(fā)射線路(5)進行了匹配,匹配方式為根據(jù)線路的自有諧振頻率與電源單元(I)及發(fā)射線路(5)的頻率進行比較,通過并聯(lián)電容,使線圈的自有諧振頻率與電源的中心頻率保持一致,以實現(xiàn)系統(tǒng)的諧振式供電,此外,列車底部所有的接收線圈串聯(lián)后接入整流濾波斬波模塊(8);整流濾波斬波模塊(8),將電磁場接收線圈接收到的交流電轉(zhuǎn)換為電壓值恒定的直流電;逆變模塊(9),將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電,為機車(10)提供驅(qū)動功率。
[0027]如圖2所示,所述的電磁場發(fā)射線路(12)被埋放在地里。導(dǎo)線的兩端分別接在斬波功率振蕩電路(3)的兩端,圖中箭頭所示方向為某一時刻電流在導(dǎo)體中的流向,這樣的連接方式會使相鄰兩導(dǎo)體間的磁場方向相同,強度疊加而增強,本設(shè)計就是利用了導(dǎo)線間疊加的磁場進行能量傳遞。發(fā)射導(dǎo)線的長度可以根據(jù)施工要求進行調(diào)整,但接線原理仍需與本設(shè)計一致,本例選定距離為10km。
[0028]如圖3所示,所述的電磁場發(fā)射線路(12)被埋在列車的正下方,本例中電磁場發(fā)射線路選用半徑10_的利茲銅線,兩根導(dǎo)線被對稱埋在鐵軌中心的兩側(cè),因本設(shè)計中選用車型的轉(zhuǎn)向架軸距為2500mm,設(shè)計兩根導(dǎo)線分別布置在距離中心軸線向左與向右的900mm處,且兩根導(dǎo)線處于同一水平面,與地鐵軌道所在平面平行,導(dǎo)線中心距離地面15mm,其導(dǎo)線布置的深度及所選導(dǎo)體的材料與型號可根據(jù)實際需要進行調(diào)整,這種布置方式成熟、可靠,受外界影響較小,幾乎不需要維護,僅需在現(xiàn)有地鐵供電結(jié)構(gòu)上進行改造即可實現(xiàn),成本較其他形式的發(fā)射線路低。發(fā)射線圈的周圍安裝有用作電磁屏蔽的屏蔽體,如果不安裝屏蔽體,發(fā)射線圈發(fā)射的磁場將會部分作用于鐵軌上,導(dǎo)致鐵軌中產(chǎn)生渦流,一方面使系統(tǒng)的耗能增加,效率降低,另一方面鐵軌中的渦流將會產(chǎn)生熱量,對運行安全以及鐵軌壽命造成影響,本例中使用牌號為PC95的鐵氧體制成屏蔽體,安置在發(fā)射線路(12)的底面以及外側(cè)面,上表面沒有屏蔽體,上表面使用ABS工程塑料板覆蓋,該塑料板可拆卸,在實際施工中,屏蔽體所用材料及外型尺寸可進行調(diào)整,但結(jié)構(gòu)需與該設(shè)計保持一致,以保證屏蔽效果O
[0029]如圖4所示,所述的電磁場接收線圈(7)由金屬導(dǎo)體繞制而成,本例使用半徑4_的銅線從中心開始向呈逆時針方向繞制45圈,夕卜直徑為1550mm,內(nèi)直徑為IOmm,徑向節(jié)距為17_,所繞制接收線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)以及導(dǎo)體的材料與半徑均可依照具體情況進行調(diào)整。
[0030]如圖5所示,所述的帶增強線圈的接收模塊的示意圖,車廂底部線圈外圍部分安裝了牌號為PC95的電磁屏蔽層(11),因為列車和鐵軌多使用金屬材料,金屬在交變電磁場的作用下會產(chǎn)生渦流,增大系統(tǒng)的損耗,降低機車的效率,且渦流會導(dǎo)致金屬的發(fā)熱,以致運行中可能會有危險性,本例中選用鐵氧體材料不僅絕緣而且具有高導(dǎo)磁性,可將額外的磁場約束在其中,減少渦流損耗的產(chǎn)生。本例中選用的鐵氧體屏蔽層的厚度為3mm,緊密的貼合在車底的表面,將車底全部覆蓋,線圈安置在鐵氧體的外面,所選的屏蔽材料及厚度可依據(jù)施工要求作出調(diào)整。帶電磁屏蔽的車底如圖所示,電磁場接收線圈(7)鋪設(shè)在機車底部,因為該無線供電系統(tǒng)屬于松耦合系統(tǒng),為保證充足的能量供應(yīng),本實用新型要求各節(jié)車廂底部至少安裝一個電磁場接收線圈(7),本例中各節(jié)車廂底部均有一個接收線圈,且全車的線圈串聯(lián)之后接入整流濾波斬波模塊(8)。所述的電磁場耦合增強線圈(6),由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體組成,并通過并聯(lián)電容將其諧振頻率匹配至與電源相等,此外,線圈中心還安裝有磁芯,以增強其磁通量,將空間多數(shù)磁場約束在磁芯所在軸線上,電磁場發(fā)射線路(5)通過電磁場耦合增強線圈(6)向電磁場接收線圈(7)傳遞磁場,增強線圈的電壓將比發(fā)射線路(5)的電壓高,增強線圈中的諧振電流將增大,增強線圈中的波形將優(yōu)于發(fā)射線路(5)中的波形,用于增大電磁場耦合范圍,提高系統(tǒng)傳輸效果,本例使用半徑6mm的銅管繞制了 3阻的螺線管線圈(15),螺線管線圈的主半徑800mm,軸向節(jié)距8mm,線圈中心裝有磁芯
(14),磁芯(14)選用牌號PC44的鐵氧體燒制而成,磁性結(jié)構(gòu)為圓柱體結(jié)構(gòu),半徑400mm,軸向高度30_,磁芯中心與螺線管中心重合,固定在線圈中心位置。帶增強線圈的接收模塊中各單元的布置方式從上到下依次是電磁屏蔽層(11)、電磁場接收線圈(7)和電磁場耦合增強線圈出), 各單元相互之間沒有電連接。
【權(quán)利要求】
1.增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),其特征在于設(shè)置有電磁場耦合增強線圈(6),用以約束空間電磁場,以提高電磁場發(fā)射線路(5)和電磁場接收線圈(7)之間的耦合效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),其特征還在于,所述的電磁場耦合增強線圈(6)由帶有絕緣外套的金屬導(dǎo)體繞制而成,其諧振頻率通過并聯(lián)電容與電源輸出頻率保持一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),其特征還在于,電磁場耦合增強線圈(6)軸心安裝有磁芯(14),用以約束空間磁場,增大線圈中磁通量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強型電磁諧振式地鐵無線供電系統(tǒng),其特征還在于,所述的電磁場耦合增強線圈·(6)安裝在電磁場接收線圈(7)下底面,且彼此之間沒有電氣連接。
【文檔編號】H02J17/00GK203562848SQ201320724597
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】章鵬程, 張獻, 楊慶新, 金亮, 李陽, 趙倩宇 申請人:天津工業(yè)大學(xué)