高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，屬于無(wú)線電能傳輸與轉(zhuǎn)換范疇，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速行駛中的列車進(jìn)行大容量且高效可靠的無(wú)線電能傳輸轉(zhuǎn)換，具有廣闊的市場(chǎng)前景。該裝置針對(duì)高速鐵路行進(jìn)過程中高效穩(wěn)定的獲得大容量電能的問題，采用主發(fā)射線圈與兩組諧振線圈運(yùn)行于協(xié)同工作的狀態(tài)，使高頻電磁能量集中分布于接收線圈附近區(qū)域。同時(shí)，采用電磁屏蔽層以保證電能傳輸時(shí)對(duì)外界的影響最小，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效可靠無(wú)線傳輸。
【專利說(shuō)明】高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]無(wú)線電能傳輸技術(shù)是目前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點(diǎn)研究方向之一，是集基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究為一體的前沿課題，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索的一個(gè)多學(xué)科強(qiáng)交叉的新的研究領(lǐng)域，涵蓋電磁場(chǎng)、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(wú)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(shí)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]本發(fā)明高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，針對(duì)高速列車驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，基于無(wú)線電能傳輸技術(shù)，采用雙線圈磁場(chǎng)疊加原理，配合無(wú)源諧振器使系統(tǒng)工作于協(xié)同工作狀態(tài)，能夠充分發(fā)揮無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電氣特性，可實(shí)現(xiàn)在線圈工作區(qū)域內(nèi)的安全、可靠及高效的向負(fù)載進(jìn)行無(wú)線供電，可以廣泛應(yīng)用于高速列車大容量無(wú)線供電場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0003]無(wú)線電能傳輸技術(shù)大致可分為三種:第一種為感應(yīng)稱合式電能傳輸，它利用松率禹合變壓器原理進(jìn)行傳能，發(fā)射端與接收端一般存在降低回路磁阻的鐵心裝置。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。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(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳送。其中電磁耦合諧振技術(shù)利用非輻射電磁場(chǎng)近場(chǎng)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(kuò)展；另一方面相比電磁福射式傳能，近場(chǎng)區(qū)域能量具有非輻射的特點(diǎn)，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]列車在高速行駛過程中，驅(qū)動(dòng)的電能通過受電弓與導(dǎo)線接觸并發(fā)生摩擦獲得，這種方式本身存在很大的摩擦損耗，還有可能出現(xiàn)火花放電，也不利于列車速度的提高。因此，通過無(wú)線的方式對(duì)高速機(jī)車進(jìn)行供電成為解決上述問題的有效手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)高速鐵路行進(jìn)過程中高效穩(wěn)定的獲得大容量電能的問題，設(shè)計(jì)可用于大容量無(wú)線供電的耦合器，使高頻電磁能量集中分布于接收線圈附近區(qū)域。同時(shí)，通過無(wú)源諧振器起到磁場(chǎng)增強(qiáng)的作用，然后設(shè)計(jì)合理的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)以保證電能傳輸時(shí)對(duì)外界的影響最小，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效可靠無(wú)線傳輸。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，包括有無(wú)線充電電源將高頻電磁功率經(jīng)由通斷控制開關(guān)(2)及自動(dòng)調(diào)諧電路(3)加載到主發(fā)射線圈
(5)上，主發(fā)射線圈(5)產(chǎn)生電路諧振后高頻電磁功率將分布于線圈周圍空間并在線圈中心處產(chǎn)生疊加的強(qiáng)磁場(chǎng)，上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)分別固定于主發(fā)射線圈(5)上方及下方以加強(qiáng)線圈中心處的無(wú)線電能傳輸效果，接收線圈組(8)在上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)之間的空間高速滑過，從而接收到電能并向負(fù)載(9)進(jìn)行供電；上諧振線圈
(6)、下諧振線圈(7)及主發(fā)射線圈(5)被電磁屏蔽層⑷包圍以降低無(wú)線電能傳輸對(duì)外界的影響。
[0007]所述的主發(fā)射線圈(5)由兩組線圈交叉循環(huán)并沿直線鋪展而成，每組線圈由四個(gè)子繞組構(gòu)成，左右兩側(cè)的子繞組流過的電流方向相反以保證線圈中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，子繞組線徑為0.2mm2、匝數(shù)為1000且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈具有平面DNA螺旋交叉結(jié)構(gòu)，循環(huán)周期長(zhǎng)度為100cm，整體排布成直線結(jié)構(gòu)，線圈外圍鋪設(shè)有高導(dǎo)磁鐵氧體對(duì)外圍空間電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。
[0008]所述的上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)采用線徑為0.1mm2、匝數(shù)為1000匝且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈具有平面矩形螺旋漸開型結(jié)構(gòu)，最外層邊長(zhǎng)為30cm，采用耐高壓金屬薄膜電容與線圈進(jìn)行并聯(lián)上諧振線圈(6)固定于主發(fā)射線圈(5)子繞組的下方，下諧振線圈(7)固定于主發(fā)射線圈(5)子繞組的上方，兩線圈中間區(qū)域?yàn)橛行Чぷ鲄^(qū)域。
[0009]所述的接收線圈組⑶采用線徑為0.1mm2、匝數(shù)為1000匝且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈具有平面矩形螺旋漸開型結(jié)構(gòu)，最外層邊長(zhǎng)為30cm ;接收線圈組(8)位于上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)之間的有效工作區(qū)域，其中的所有線圈采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)以減小電感量，并串聯(lián)有耐高壓金屬薄膜電容。
[0010]本發(fā)明的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，針對(duì)高速列車在行駛過程中安全可靠的無(wú)線供電問題，通過主發(fā)射線圈(5)將電磁場(chǎng)能量集中于線圈中部，通過上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)加強(qiáng)磁場(chǎng)疊加效果，通過電磁屏蔽層⑷約束線圈外圍的電磁場(chǎng)，使能量以協(xié)同工作的方式傳送給接收線圈組(8)，從而使負(fù)載(9)以無(wú)線的方式獲得電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛過程中的高速機(jī)車提供可靠穩(wěn)定的電力供應(yīng)，避免了傳統(tǒng)受電弓取電的諸多問題。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖2是主發(fā)射線圈(5)、上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)的橫截面圖；
[0013]圖3是主發(fā)射線圈(5)、上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)的俯視圖；
[0014]圖4是接收線圈組(8)的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]其中:
[0016](I):無(wú)線充電電源；(2):通斷控制開關(guān)；(3):自動(dòng)調(diào)諧電路；(4):電磁屏蔽層；(5):主發(fā)射線圈；(6):上諧振線圈；(7):下諧振線圈；(8):接收線圈；(9):負(fù)載。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，包括有:無(wú)線充電電源(I)，通斷控制開關(guān)(2)，自動(dòng)調(diào)諧電路(3)，電磁屏蔽層(4)，主發(fā)射線圈(5)，上諧振線圈(6)，下諧振線圈(7)，接收線圈組(8)，負(fù)載(9)。
[0019]如圖2所示，所述的主發(fā)射線圈(5)由兩組線圈交叉循環(huán)并沿直線鋪展而成，每組線圈由四個(gè)子繞組構(gòu)成，線圈具有平面DNA螺旋交叉結(jié)構(gòu)，循環(huán)周期長(zhǎng)度為100cm，整體排布成直線結(jié)構(gòu)，線圈外圍鋪設(shè)有高導(dǎo)磁鐵氧體對(duì)外圍空間電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。當(dāng)主發(fā)射線圈(5)上加載有電磁功率時(shí)，左右兩側(cè)的子繞組流過的電流不論在哪一個(gè)循環(huán)組中始終保持相反，根據(jù)右手定則可知線圈中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大。通過電磁屏蔽層(4)對(duì)主發(fā)射線圈(5)線圈周圍的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行屏蔽，并進(jìn)一步的集中了中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)中間區(qū)域?yàn)榻邮站€圈組(8)的有效工作區(qū)域，且兩線圈與主發(fā)射線圈(5)發(fā)生諧振，都參與無(wú)線電能傳輸，為接收線圈組(8)高效可靠的獲取電能奠定了基礎(chǔ)。
[0020]如圖3所示，所述的上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)采用耐高壓金屬薄膜電容與線圈進(jìn)行并聯(lián)上諧振線圈(6)固定于主發(fā)射線圈(5)子繞組的下方，下諧振線圈(7)固定于主發(fā)射線圈(5)子繞組的上方，兩線圈中間區(qū)域?yàn)橛行Чぷ鲄^(qū)域。上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)沿主發(fā)射線圈(5)的循環(huán)組進(jìn)行布設(shè)并與主發(fā)射線圈(5)發(fā)生電磁諧振，當(dāng)接收線圈組(8)沿主發(fā)射線圈(5)的直線方向切割磁感線時(shí)，每一個(gè)諧振線圈都會(huì)起到中繼和增強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，從而使接收線圈組(8)劃過時(shí)在每一個(gè)循環(huán)組中都能夠獲得大容量電磁功率。
[0021]如圖4所示，所述的接收線圈組(8)采，線圈具有平面矩形螺旋漸開型結(jié)構(gòu)，最外層邊長(zhǎng)為30cm。接收線圈組(8)的所有線圈采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)以減小電感量，并串聯(lián)有耐高壓金屬薄膜電容從而與主發(fā)射線圈(5)發(fā)生電磁諧振。接收線圈組(8)位于上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)之間的有效工作區(qū)域，且與上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)沒有滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸。當(dāng)接收線圈組(8)從有效工作區(qū)域中快速駛過時(shí)，電磁能量一部分通過主發(fā)射線圈(5)以電磁感應(yīng)的方式獲得，另一部分通過與上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)發(fā)生諧振以近場(chǎng)諧振的方式獲得，最終運(yùn)行于協(xié)同工作的狀態(tài)。
[0022]本發(fā)明的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，針對(duì)高速鐵路行進(jìn)過程中高效穩(wěn)定的獲得大容量電能的問題，設(shè)計(jì)可用于大容量無(wú)線供電的耦合器，采用主發(fā)射線圈
(5)、上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)協(xié)同工作的方式，使高頻電磁能量集中分布于接收線圈附近區(qū)域。同時(shí)，通過無(wú)源諧振器起到磁場(chǎng)增強(qiáng)的作用，然后設(shè)計(jì)合理的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)以保證電能傳輸時(shí)對(duì)外界的影響最小，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效可靠無(wú)線傳輸。
【權(quán)利要求】
1.高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，其特征在于所述的無(wú)線充電電源將高頻電磁功率經(jīng)由通斷控制開關(guān)(2)及自動(dòng)調(diào)諧電路(3)加載到主發(fā)射線圈(5)上，主發(fā)射線圈(5)產(chǎn)生電路諧振后高頻電磁功率將分布于線圈周圍空間并在線圈中心處產(chǎn)生疊加的強(qiáng)磁場(chǎng)，上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)分別固定于主發(fā)射線圈(5)上方及下方以加強(qiáng)線圈中心處的無(wú)線電能傳輸效果，接收線圈組(8)在上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)之間的空間高速滑過，從而接收到電能并向負(fù)載(9)進(jìn)行供電；上諧振線圈(6)、下諧振線圈(7)及主發(fā)射線圈(5)被電磁屏蔽層⑷包圍以降低無(wú)線電能傳輸對(duì)外界的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，其特征還在于，所述的主發(fā)射線圈(5)由兩組線圈交叉循環(huán)并沿直線鋪展而成，每組線圈由四個(gè)子繞組構(gòu)成，左右兩側(cè)的子繞組流過的電流方向相反以保證線圈中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，子繞組線徑為0.2mm2、匝數(shù)為1000且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈具有平面DNA螺旋交叉結(jié)構(gòu)，循環(huán)周期長(zhǎng)度為100cm，整體排布成直線結(jié)構(gòu)，線圈外圍鋪設(shè)有高導(dǎo)磁鐵氧體對(duì)外圍空間電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，其特征還在于，所述的上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)采用線徑為0.1mm2、匝數(shù)為1000匝且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈具有平面矩形螺旋漸開型結(jié)構(gòu)，最外層邊長(zhǎng)為30cm，采用耐高壓金屬薄膜電容與線圈進(jìn)行并聯(lián)上諧振線圈(6)固定于主發(fā)射線圈(5)子繞組的下方，下諧振線圈(7)固定于主發(fā)射線圈(5)子繞組的上方，兩線圈中間區(qū)域?yàn)橛行Чぷ鲄^(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速機(jī)車用大容量無(wú)線電力傳輸耦合器，其特征還在于，所述的接收線圈組(8)采用線徑為0.1mm2、匝數(shù)為1000匝且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈具有平面矩形螺旋漸開型結(jié)構(gòu)，最外層邊長(zhǎng)為30cm ;接收線圈組(8)位于上諧振線圈(6)與下諧振線圈(7)之間的有效工作區(qū)域，其中的所有線圈采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)以減小電感量，并串聯(lián)有耐高壓金屬薄膜電容。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK103825371SQ201410092507
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】張獻(xiàn), 楊慶新, 章鵬程, 何亞偉, 劉維娜, 倪衛(wèi)濤, 張廣超, 金亮, 薛明 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)