本發(fā)明涉及一種無(wú)線電能傳輸模塊及利用其的軌道式無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)，屬于無(wú)線電傳輸領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，無(wú)線電能傳輸已經(jīng)逐步進(jìn)入人們的視野和生活，對(duì)于無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞胶头椒ㄒ驳玫皆絹?lái)越多的關(guān)注和研究。無(wú)線電能傳輸指的是電能從電源到負(fù)載的一種沒(méi)有經(jīng)過(guò)電氣直接接觸的能量傳輸方式。根據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)理，可分為電磁輻射式，電場(chǎng)耦合式，磁場(chǎng)耦合式和超聲波等，但現(xiàn)在研究較多的是電場(chǎng)耦合式和磁場(chǎng)耦合式兩種。

2013年韓國(guó)利用電感式無(wú)線電能傳輸?shù)脑韺?shí)現(xiàn)對(duì)公園軌道觀覽車(chē)車(chē)進(jìn)行充電并發(fā)表文章“Charging up the road”在IEEE上。國(guó)內(nèi)西南交通大學(xué)正在對(duì)無(wú)線式軌道供電進(jìn)行研究，并在近幾年會(huì)有重大成果。2015年密西根大學(xué)的幾位教授在Nature上發(fā)表文章“A Double-sided LCLC-Compensated Capacitive Power Transfer System for Electric Vehicle Charging”證明了電容式無(wú)線傳輸大功率的可能性?，F(xiàn)在的軌道供電利用受電弓從接觸網(wǎng)上取得電能，由于這種形式需要不斷的接觸，容易發(fā)生火災(zāi)等情況，而且國(guó)家最近大力發(fā)展新能源，無(wú)線電能傳輸作為一種新型能源技術(shù)，且安全性能高，操作方便。

軌道供電在實(shí)際生活中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，隨著鐵路的快速發(fā)展已經(jīng)改善了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，方便了人民群眾的出行，但也對(duì)鐵路運(yùn)行安全保障提高了更高的要求?，F(xiàn)有的軌道供電的電能傳輸都是利用有線電氣牽引，而線路的繁雜會(huì)有火災(zāi)隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種無(wú)線電能傳輸模塊及利用其的軌道式無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)，使軌道供電以無(wú)接觸式的方式來(lái)傳輸功率，從而使軌道供電更加方便和安全。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種無(wú)線電能傳輸模塊，包括逆變電路2、補(bǔ)償電路4、整流電路3，所述的逆變電路2將接入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，所述的補(bǔ)償電路4，通過(guò)電感和電容的諧振，將逆變電路2轉(zhuǎn)化后的交流電大功率傳遞給整流電路3，整流電路3將接收到的交流電轉(zhuǎn)化為直流電接入負(fù)載。

由于逆變電路2與補(bǔ)償電路4之間、補(bǔ)償電路4與整流電路3之間通過(guò)無(wú)線電感傳輸電能，無(wú)需實(shí)際的電連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸，安全可靠。

進(jìn)一步地，所述的補(bǔ)償電路4包括電容C₁、電容C₂、電容C₃、電容C₄、電容C_S1、電容C_S2、電感L₁、電感L₂、電感L₃、電感L₄；

電容C_S1、電容C_S2等效為電容C_S,電容C_S與電容C₃串聯(lián)再與電容C₂并聯(lián)后得到等效電容C_a，電容C_S與電容C₂串聯(lián)再與電容C₃并聯(lián)后得到等效電容C_b，電感L₂與電容C_a諧振，同時(shí)通過(guò)電感L₁、電感L₂產(chǎn)生的磁場(chǎng)將逆變電路2中的能量傳遞過(guò)來(lái)，電感L₃與電容C_b諧振，同時(shí)通過(guò)電感L₃、電感L₄產(chǎn)生的磁場(chǎng)將能量傳遞到整流電路3中，電感L₁與電容C₁諧振，電感L₄與電容C₄諧振。

一種軌道式無(wú)線電能傳輸模塊，包括上述的非接觸式供電模塊，所述的補(bǔ)償電路4中的電容C₂、電容C₃、電容C_S1、電容C_S2由供電軌道6、金屬部件7、絕緣外殼8等效形成，且供電軌道6、金屬部件7不接觸，供電軌道6與原軌道等同長(zhǎng)度鋪設(shè)，金屬部件7與供電軌道6上的車(chē)相連并保持相對(duì)靜止，絕緣外殼8鋪設(shè)在供電軌道6外。

具體地，所述的供電軌道6由兩塊形金屬板形成，金屬部件7由兩塊形短金屬板形成，一塊形金屬板與一塊形短金屬板對(duì)應(yīng)設(shè)置，兩塊形短金屬背對(duì)設(shè)置，金屬部件7固定在原軌道的車(chē)身上且與車(chē)身保持相對(duì)靜止，絕緣外殼8設(shè)置在供電軌道6外圍并將供電軌道6與金屬部件7罩在其中，絕緣外殼8接地，兩塊形金屬板上端與絕緣外殼8形成電容C2，左側(cè)形金屬板和形短金屬板各金屬板之間形成電容CS1，右側(cè)形金屬板和形短金屬板各金屬板之間形成電容CS2，兩塊背對(duì)的形短金屬板之間形成電容C3。

進(jìn)一步地，還包括絕緣介質(zhì)9，供電軌道6、金屬部件7之間通過(guò)絕緣介質(zhì)9隔離，使供電軌道6、金屬部件7之間沒(méi)有電氣接觸，更加安全。

進(jìn)一步地，所述的金屬部件7通過(guò)L形金屬固定在原軌道的車(chē)上，使車(chē)身帶著金屬部件7一起動(dòng)，也便于實(shí)現(xiàn)供電軌道6、金屬部件7不相碰觸。

本發(fā)明的工作原理是：基于電場(chǎng)的無(wú)線電能傳輸，逆變電路2將連接的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，補(bǔ)償電路4通過(guò)電感和電容的諧振，將大功率交流電從逆變電路2傳到整流電路3并獲得較大效率，整流電路3將獲得的交流電能轉(zhuǎn)換為主流電能供給負(fù)載直接使用，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)無(wú)線電能傳輸方式，使軌道供電以另一種新型的無(wú)接觸式的方式來(lái)傳輸功率，從而使軌道供電更加方便和安全。

附圖說(shuō)明

圖1為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為系統(tǒng)等效電路圖；

圖3為供電軌道剖視圖；

圖4為供電軌道內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體圖；

圖5為供電軌道整體結(jié)構(gòu)立體圖；

圖中各標(biāo)號(hào)：2-逆變電路，3-整流電路，4-補(bǔ)償電路，6-供電軌道，7-金屬部件，8-絕緣外殼，9-絕緣介質(zhì)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：如圖1-5所示，一種無(wú)線電能傳輸模塊，包括逆變電路2、補(bǔ)償電路4、整流電路3，所述的逆變電路2將接入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，所述的補(bǔ)償電路4，通過(guò)電感和電容的諧振，將逆變電路2轉(zhuǎn)化后的交流電大功率傳遞給整流電路3，整流電路3將接收到的交流電轉(zhuǎn)化為直流電接入負(fù)載。

進(jìn)一步地，所述的補(bǔ)償電路4包括電容C₁、電容C₂、電容C₃、電容C₄、電容C_S1、電容C_S2、電感L₁、電感L₂、電感L₃、電感L₄；

電容C_S1、電容C_S2等效為電容C_S,電容C_S與電容C₃串聯(lián)再與電容C₂并聯(lián)后得到等效電容C_a，電容C_S與電容C₂串聯(lián)再與電容C₃并聯(lián)后得到等效電容C_b，電感L₂與電容C_a諧振，同時(shí)通過(guò)電感L₁、電感L₂產(chǎn)生的磁場(chǎng)將逆變電路2中的能量傳遞過(guò)來(lái)，電感L₃與電容C_b諧振，同時(shí)通過(guò)電感L₃、電感L₄產(chǎn)生的磁場(chǎng)將能量傳遞到整流電路3中，電感L₁與電容C₁諧振，電感L₄與電容C₄諧振。電容C_a、電容C_b的等效計(jì)算公式為：

如圖1所示，所述逆變電路2為現(xiàn)有技術(shù)中的電路，由S₁、S₂、S₃、S₄四個(gè)MOSFET連接形成半橋?qū)⒅绷鬓D(zhuǎn)換為交流輸入電路，所述整流電路3現(xiàn)有技術(shù)中的電路，利用由D₁、D₂、D₃、D₄四個(gè)二極管連接將交流轉(zhuǎn)換為直流然后接入負(fù)載，補(bǔ)償電路4中電容C_S1與C_S2的電流大小一樣，它們是串聯(lián)形式，可以等效為一個(gè)電容C_S。由于U_in為直流電源，通過(guò)逆變電路2可轉(zhuǎn)換為交流電源U_AB，同樣的，通過(guò)整流電路3將交流電源Uab轉(zhuǎn)換為直流電源U_b，U₁₂、U₂₁、U₃₄、U₄₃分別為互感的感應(yīng)電壓源，互感可以用感應(yīng)電壓源來(lái)表示。

圖2是圖1的等效電路圖，其中電感L₁與電容C₁諧振，電感L₄與電容C₄諧振，電感L₁與L₂之間有互感，L₃與L₄之間有互感。采用電路疊加理論，首先我們考慮只有U_AB時(shí)，通過(guò)電路理論分析，此時(shí)電流I₁和I₃為零，電容C_s和C₃串聯(lián)，同時(shí)與C₂并聯(lián)，它們等效為一個(gè)電容并與L₂諧振。同樣的道理，當(dāng)只有U_ab時(shí)，電容C_S和C₂串聯(lián)，同時(shí)與C₃并聯(lián)，它們同樣等效為一個(gè)電容并與L₃諧振。電感L₁、電感L_2、電感L₃、電感L₄利用漆包線纏繞形成，電感L₁與L₂利用螺旋式纏繞方式纏繞在同一個(gè)載體上形成兩個(gè)電感并具有一定互感，電感L₃與L₄也以同樣的方式纏繞。

一種軌道式無(wú)線電能傳輸模塊，包括上述的非接觸式供電模塊，所述的補(bǔ)償電路4中的電容C₂、電容C₃、電容C_S1、電容C_S2由供電軌道6、金屬部件7、絕緣外殼8等效形成，且供電軌道6、金屬部件7不接觸，供電軌道6與原軌道等同長(zhǎng)度鋪設(shè)，金屬部件7與供電軌道6上的車(chē)相連并保持相對(duì)靜止，絕緣外殼8鋪設(shè)在供電軌道6外。

具體地，所述的供電軌道6由兩塊形金屬板形成，金屬部件7由兩塊形短金屬板形成，一塊形金屬板與一塊形短金屬板對(duì)應(yīng)設(shè)置，兩塊形短金屬背對(duì)設(shè)置，金屬部件7固定在原軌道的車(chē)身上且與車(chē)身保持相對(duì)靜止，絕緣外殼8設(shè)置在供電軌道6外圍并將供電軌道6與金屬部件7罩在其中，絕緣外殼8接地，可以屏蔽電場(chǎng)，兩塊形金屬板上端與絕緣外殼8形成電容C2，左側(cè)形金屬板和形短金屬板各金屬板之間形成電容CS1，右側(cè)形金屬板和形短金屬板各金屬板之間形成電容CS2，兩塊背對(duì)的形短金屬板之間形成電容C3。

供電軌道6與行駛軌道等長(zhǎng)度鋪設(shè)，供電軌道6利用絕緣外殼8裹住，里面是一種E型金屬柵形結(jié)構(gòu)，如圖3所示，然后通過(guò)與車(chē)身相連的金屬部件7與供電軌道內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)形成電容，以此形成補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的形式來(lái)傳輸功率。

圖3是供電軌道原理剖視圖，通過(guò)對(duì)補(bǔ)償電路的分析和理解，由于補(bǔ)償電路關(guān)鍵部分由三個(gè)電容組成，電容采用平板電容器形式，利用幾塊金屬板形成電容。其中金屬部件7只有一小塊，而供電軌道6和絕緣外殼8與原軌道同等長(zhǎng)度鋪設(shè)。

進(jìn)一步地，還包括絕緣介質(zhì)9，供電軌道6、金屬部件7之間通過(guò)絕緣介質(zhì)9隔離，使供電軌道6、金屬部件7之間沒(méi)有電氣接觸，更加安全。

進(jìn)一步地，圖4是供電軌道內(nèi)部構(gòu)造立體圖，所述的金屬部件7通過(guò)L形金屬固定在原軌道的車(chē)上，使車(chē)身帶著金屬部件7一起動(dòng)，保證金屬部件7與車(chē)身保持相對(duì)靜止，由于金屬部件7具有一定硬度，通過(guò)L形金屬連接車(chē)身便可以使金屬部件7與供電軌道6不接觸并實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式電能傳輸。

圖5是供電軌道整體構(gòu)造立體圖，絕緣外殼8與供電軌道6同等長(zhǎng)度并與軌道等同長(zhǎng)度鋪設(shè)，由于金屬部件7與供電軌道6的距離保持不變，電容的大小也保持不變，所以在運(yùn)行過(guò)程中可以保證電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于絕緣外殼8的保護(hù)，且絕緣外殼8接地，使其形成回路，屏蔽電場(chǎng)，對(duì)外界沒(méi)有危害和影響。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。