一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，主要包括帶有增強線圈磁芯(13)的電磁場耦合增強線圈(14)和帶有接收線圈磁芯(15)的電磁場接收線圈(11)。本發(fā)明優(yōu)化了現(xiàn)有無線傳能線圈的結構，在諧振式無線供電的結構基礎上設計了帶磁芯的電磁場耦合增強線圈以及帶磁芯的接收線圈，提高了能量傳輸?shù)男逝c距離。該設計施工方便，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構相對較低，結構穩(wěn)定可靠，安全性高，且市場前景廣闊。
【專利說明】一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計
【技術領域】
[0001]無線電能傳輸技術是目前電氣工程領域最活躍的熱點研究方向之一，它集基礎研究與應用研究為一體，是當前國內(nèi)外學術界和工業(yè)界探索的一個多學科、強交叉的新的研究領域和前沿課題，涵蓋電磁場、電力電子技術、電力系統(tǒng)、控制技術、物理學、材料學、信息技術等諸多【技術領域】。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，具有重要的應用預期和廣闊的發(fā)展前景。
[0002]本發(fā)明一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計涉及一種施工方便，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，為鐵路的無線供電提供了技術模型。避免了現(xiàn)有鐵路供電模式的弊端，消除原有的受電弓與輸電線之間的摩擦，減少鐵路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】
[0003]無線電能傳輸技術可分為三種:第一種為感應稱合式電能傳輸，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，該技術有較好的安全性，因此目前得到很大的關注和研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是，提出了一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，提高了系統(tǒng)的傳輸效率，避免了傳統(tǒng)鐵路供電方式中受電弓的存在和與供電導線的摩擦，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嚴重的弊端，為鐵路的無線供電提供了安全穩(wěn)定，具體實在的技術模型。
[0005]本發(fā)明所采用的技術方案是:一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，設置有電源單元(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；電磁場接收線圈(6)，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(7)，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(8)，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(9)提供驅(qū)動功率；系統(tǒng)還使用了電磁耦合增強線圈(14)，提高系統(tǒng)的發(fā)射效率。[0006]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。
[0007]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頻率固定，與發(fā)射線路的諧振頻率一致。
[0008]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，單片機將與預存的功率閾值做比較，根據(jù)比較結果調(diào)節(jié)(3)中斬波電路的輸出電壓指標。
[0009]所述的電磁場發(fā)射線路(5)由外加絕緣層的金屬導體組成，埋設在鐵路機車的正下方，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。
[0010]所述的電磁場耦合增強線圈(14)，由外加絕緣層的金屬導體組成，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(13)，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(14)向電磁場接收線圈(6)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)傳輸效率。
[0011]所述的電磁場接收線圈(6)由多匝金屬導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(14)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。
[0012]所述的整流濾波斬波模塊(7)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。
[0013]所述的逆變模塊⑶由工頻逆變電路組成，用于將整流濾波斬波模塊(7)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。
[0014]本發(fā)明一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，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)、電磁場接收線圈(6)、整流濾波斬波模塊(7)、逆變模塊(8)和機車負載(9)組成的供電系統(tǒng)，系統(tǒng)還使用了電磁場耦合增強線圈(14)，增強了系統(tǒng)的耦合效果。系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)鐵路接觸網(wǎng)供電方式中受電弓的存在和與供電導線的高速摩擦，克服了傳統(tǒng)機車供電方式需要定期更換受電弓碳板且供電線路磨損厲害的弊端，同時提高了無線供電在該系統(tǒng)中的傳輸效率，為鐵路的無線供電提供了安全高效，具體實在的技術模型，也為無線傳能技術的應用提供了樣本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是無線供電系統(tǒng)的整體功能框圖；
[0016]圖2是發(fā)射單元結構示意圖；
[0017]圖3是帶增強線圈的能量傳輸模塊的示意圖；[0018]圖4是電磁接收線圈的結構圖。
[0019]其中:
[0020]10:電磁場發(fā)射線路 11:電磁場接收線圈
[0021]12:并聯(lián)諧振電容13:增強線圈磁芯
[0022]14:電磁場耦合增強線圈15:接收線圈磁芯
[0023]16:車底絕緣材料
【具體實施方式】
[0024]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計做出詳細地說明。
[0025]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，單片機將與預存的功率閾值做比較，根據(jù)比較結果調(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，本例中預設的斬波輸出電壓值為25kV，功率閾值為21560kW，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，該線路在架設之后使用之前測定過固有諧振頻率，并通過串聯(lián)或者并聯(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
(14)，由外加絕緣層的金屬導體組成，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(13)，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；接收線圈(6)，接收電磁場耦合增強線圈(14)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，通過串聯(lián)或者并聯(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，列車頂部所有的接收線圈串聯(lián)后接入整流濾波斬波模塊(7);整流濾波斬波模塊(7)，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(8)，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(9)提供驅(qū)動功率。
[0026]如圖2所示，導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體中的流向，這樣的連接方式會使相鄰兩導體間的磁場方向相同，磁場強度增強，本設計就是利用了導線間疊加的磁場進行能量傳遞。發(fā)射導線的長度可以根據(jù)施工要求進行調(diào)整，但接線原理仍與本設計一致，本例選定距離為10km。
[0027]如圖3所示，所述的電磁場發(fā)射線路(10)位于機車的正上方。兩根導線被對稱架設在列車中心的兩側的正上方，因參考車型CRH380A的車身高度為3700mm，設計發(fā)射導線高度為導線軸心距離鐵路鋼軌最高處4000mm，兩根發(fā)射導線中最中間一根導線位于鐵軌中心的位置，其余兩根發(fā)射導線分別布置在距離中心導線軸線向左與向右的IlOOmm處，且兩根發(fā)射導線處于同一水平面，與鐵路軌道所在平面平行，發(fā)射導線與車頂?shù)母叨炔顬?00_，圖中箭頭所示方向為某一時刻電流在導體中的流向，這樣的連接方式會使相鄰兩導體間的磁場強度疊加，本設計就是利用了導線間疊加的磁場進行能量傳遞，其導線布置的高度及所選導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)有鐵路供電結構上進行改造即可實現(xiàn)，成本較其他形式的發(fā)射線路低。本例中電磁場發(fā)射線路選用半徑IOmm的利茲銅線，導線布置的間隔及所選導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)有鐵路供電結構上進行改造即可實現(xiàn)，成本較其他形式的發(fā)射線路低。
[0028]如圖3所示，所述的電磁場耦合增強線圈(14)由外加絕緣層的金屬導體組成，并通過并聯(lián)電容(12)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(13)，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(14)向電磁場接收線圈(6)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匝的螺線管線圈，螺線管線圈的主半徑800mm,軸向節(jié)距8mm,線圈中心裝有磁芯(13),磁芯(13)選用牌號PC44的鐵氧體燒制而成,磁性結構為圓柱體結構,半徑400mm,軸向高度30mm,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場發(fā)射線路(14)、電磁場耦合增強線圈(14)和電磁場接收線圈(11)，各單元相互之間沒有電連接，電磁場耦合增強線圈(14)和電磁場接收線圈(11)的軸心重合，電磁場耦合增強線圈(14)的最低點所在平面距離磁芯(15)上表面距離為3mm，該距離可進行調(diào)整，但電磁場耦合增強線圈(14)不應與發(fā)射線路(5)發(fā)生接觸。
[0029]如圖4所示，所述的電磁場接收線圈(11)由金屬導體繞制而成，本例使用半徑4mm的銅線從中心開始向呈逆時針方向繞制45圈,夕卜直徑為1682mm,內(nèi)直徑為160mm,徑向節(jié)距為17_，所繞制接收線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)以及導體的材料與半徑均可依照具體情況進行調(diào)整，線圈中心安裝有一塊直徑150mm,厚度為3_的圓形磁芯(15),本例中使用牌號為PC44的鐵氧體制成磁芯(15)，磁芯的尺寸與材料可根據(jù)需要作出調(diào)整，電磁場接收線圈
(11)鋪設在機車頂部，因現(xiàn)代鐵路機車多為分布式動力機車，即各節(jié)車廂均有動力驅(qū)動，因此機車在啟動時需要的功率很大，本發(fā)明要求各節(jié)車廂上部至少安裝一個電磁場接收線圈
(11)，本例中各節(jié)車廂上部均有兩個接收線圈，且全車的線圈串聯(lián)之后接入整流濾波斬波模塊(7)。線圈下方所在車頂材料全部選用絕緣材料(16)，如果車頂選用金屬材料，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，且有危險性，本例中選用碳素纖維這種新型材料不僅絕緣而且強度較高，耐腐蝕。
【權利要求】
1.一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，其特征在于設置有帶有增強線圈磁芯(13)的電磁場耦合增強線圈(14)，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(6)之間的耦合效果，帶有接收線圈磁芯(15)的電磁場接收線圈(11)，用于提高接收效率。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，其特征還在于，所述的電磁場耦合增強線圈(14)在其軸線方向設置有增強線圈磁芯(13)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，其特征還在于，電磁場接收線圈(11)中心安裝有磁芯(15)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，其特征還在于，電磁場接收線圈(11)與電磁場耦合增強線圈(14)被安裝在同一軸心方向上，沒有直接電氣連接，電磁場耦合增強線圈(14)不與電磁場發(fā)射線路(5)發(fā)生接觸。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種用于鐵路機車無線供電的接收線圈設計，其特征還在于，所述的電磁場接收線圈(11)的下方所在列車頂部使用絕緣材料(16)。
【文檔編號】H01F38/14GK103559994SQ201310589866
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18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