专利名称：用于在没有接触的情况下传送电能的系统和装置的制作方法
用于在没有接触的情况下传送电能的系统和装置本发明总体上涉及用于在没有接触的情况下通过感应传送电能的系统以及包括这样的传送系统的用于给配备电池的电动车辆加载(loading)的装置。更具体地，本发明涉及通过位于地上或地中的初级线圈与通常位于可移动车辆的下部分上的次级线圈之间的空气间隙的感应无接触电功率传输系统。虽然长久以来就已知在初级和次级电路之间没有接触和没有铁磁电路的感应耦合，但是在特定功率水平，例如适合于负载电池操作的公共或私有车辆的水平(IOkW和500KW之间)下发生能量的传送时仍然存在未解决的问题。 未解决的和特定的问题之一涉及由初级线圈和次级线圈之间的电磁耦合产生的磁场辐射。 涉及无接触能量传送系统的现有技术文献没有一个解决了这个特定的问题。然而，除此以外，还存在欧洲的官方指令(directive)，其规定特别是对于在暴露环境中工作或站立的人所容许的辐射磁场的强度的最大值。这也适用于公共运输系统的用户，在该公共运输系统中车辆使用无接触传输的能量来供电。因此，本发明的目的在于通过提供无接触能量传输系统和装置来解决这个问题， 该无接触能量传输系统和装置实现了急剧减少围绕传输区域的磁场，同时在适合于操作公共或私有车辆的功率范围内保持传输效率> 95%。这个目标由具有权利要求1中记载的特征的无接触感应功率传输系统来实现。通过阅读以下参照附图详细描述的优选实施方式，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中
图1和图2是示出电能的无接触传输的示意图；图3是用于计算由在线圈中循环的电流发射的辐射磁场和该电流的图形表示；图4示出根据本发明的系统的电路；图5示出根据本发明的系统的等效电路；图6是示出对于恒定的频率，初级串联电容器Cls对功率因数COSip的影响的曲线.
一入 ，图7是示出频率ff对功率因数COStp的影响的曲线；图8是示出初级串联电容器Cls对传输功率Pu的影响的曲线；图9是示出频率ff对传输功率Pu的影响的曲线；图10是示出为了达到1的功率因数，频率ff对极限电压(limit tension)Ullim ^ 影响的曲线；图11是示出为了达到1的功率因数，初级线圈的匝数Ii1对极限电压Umm的影响的曲线；图12是示出在从0. 3m到的线圈的中间的两个线圈产生的相对总通量密度幅度(amplitude)的曲线；图13是示出从对应于车辆中部的线圈的中间(XX = Im)到车辆外部lm(XX = 3m) 在地面高度(0. 3m)处的两个线圈产生的相对总通量密度幅度的曲线；图14是示出从线圈的中间(XX = Im)到车辆外部Im(xx = 3m)、在距离地面^ii高度处表示的两个线圈产生的相对总通量密度的曲线；
图15示意性示出具有无接触传送系统和加载站的装置的系统部件；以及图16示出向无接触能量传送系统和车辆供电的加载站。在图1和图2中示意性示出了无接触能量传送的原理，其中车辆的车轮1置在地面上。初级线圈2位于地中。然而应注意，初级线圈2也可平放在地面上。次级线圈3由车辆的下部(未示出)承载。这样的无接触能量传送系统基于在空气中或在磁导率为μο 的任何非导电材料中的两个同轴线圈2、3，其放置在相对短的距离(通常从0. Im到0. 3m) 处，并根据待传送的功率提供有从1到200kHz的高频电压。这两个线圈2、3在被供电时支持在周围产生磁场的电流。磁场的确定是基于应用于线圈的两个导体的叠加原理。作为假设，将考虑在垂直于图3的平面的方向上的长线圈。该图可以确定在任何坐标点XX，yy处(在导体外部)由在η匝线圈中循环的电流i产生的磁场。由长线圈产生的坐标点(XX，yy)处的磁场根据以下关系来确定
niΗι=~~其中厂2-Γ
=^xx1 +yy该磁场可分解成2个分量——垂直和水平分量Hvl和Hhl，其中
nini .Hvx=謹以及^= "^sinacos α = XxZr1 sin α = YjZr1
ττ ni XXHvl = ---Γ
2π XX + yy
γ π υ -ni yy^m =---Γ
2π XX + yy类似地，由线圈的右部分产生的磁场是
TT ni l-xxHQ= -^TT““Γ
2π (/ - XX) + yy
r π w ni yyHh2 =— ---j-~F
2π (/ - χχ) + yy在(ΧΧ，yy)处的磁场幅度由下式给出H = ^(Hvl+Hv2)2+(Hhl+Hh2)2以及相应的通量密度是Β = μ 0H这些表达式可应用于铜线圈之外的任何点。使用2个线圈，叠加原理是可应用的。伦兹定律将感应电流定义为产生与起因相反的场。这意味着在次级线圈中感应的瞬时电流大致在初级电流的相反方向上。因此，当这两个电流反相时且如果〃/l = 4， 获得最小磁场，其中Ii1是初级线圈的匝数，而n2是次级线圈的匝数。这些条件取决于线圈内部区域、匝数、所传送的功率、频率和电压，但也取决于电气方案。现在参照图4和图5，其中图4示出电路，而图5示出实现减小围绕传输区域的磁场的等效电路。附图的左侧代表给初级线圈9供电的交流电源4。U1是在初级处的电压， 而I1是在初级线圈中循环的电流，Z1表示初级电路的阻抗，而Cls是与该初级串联安装的电容器。在图5的右侧，次级的等效电路所示为具有表示次级的阻抗的\和表示在次级中循环的电流的12。串联电容器Ck也与次级电路串联安装。作为示例，在初级线圈和次级线圈之间强加了频率、线圈面积、功率和距离，可以通过仔细地度量两个串联电容器Cls和C2s以及初级线圈中和次级线圈中的匝数来找到具有最小磁场的解决方案。如前所述，为了获得最小辐射磁场，目的在于具有在初级线圈和次级线圈9、10中循环的且反相的相同量的电流，其中^Λ 。这仅在初级电压、频率和初级线圈中的匝数以及所传送的功率之间的关系满足时才能实现。这一关系被确定为表示相等的负载次级电阻的值，实现恰好达到所需的功率；其使用以下定义给出如下f =工作频率H1, n2 =初级和次级线圈的匝数L12 =初级和次级之间的互感系数A 12 =初级和次级之间的互磁导率Pu =次级处的有用功率互感系数L12 = I^n2 A 12允许在初级的电流I1和在次级的电流i2反相的极限初级电压Rlim由以下等式给出
权利要求
1.一种无接触感应功率传送系统，用于最小化两个同轴线圈(9、10)的传输区域附近的辐射磁场，所述两个同轴线圈(9、10)包括匝数为Ii1的初级线圈(9)和匝数为 的次级线圈(10)，所述无接触感应功率传送系统的特征在于在传送期间，相同量的电流在所述初级线圈和所述次级线圈中循环，并且所述初级线圈(9)的匝数Ii1乘以在所述初级线圈中循环的电流等于所述次级线圈(10)的匝数112乘以在所述次级线圈中循环的电流，在所述初级线圈和次级线圈中循环的电流是反相的。
2.根据权利要求1所述的无接触感应功率传送系统，其特征在于，包括连接至所述初级线圈(9)和所述次级线圈(10)的用于修改所述初级线圈和所述次级线圈之间的互感系数的装置。
3.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，用于改变所述初级线圈和所述次级线圈之间的互感系数的所述装置包括连接至所述初级线圈的串联电容器Cls和连接至所述次级线圈的串联电容器C2s。
4.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，向所述初级线圈(9)供电的初级电SU1低于由以下公式CZllim = ^lnfn2lKnPu给出的值Ullim，其中H1 =所述初级线圈的匝数A12 =所述初级和所述次级之间的互磁导率f =频率Pu =所述次级处的有用功率
5.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，所述初级线圈(9)安装在地上或地中，而所述次级线圈(10)位于车辆之下。
6.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，其用于以包括在1和200kHz 之间的频率传送IOkW到500kW的范围内的有用功率。
7.一种用于利用根据前述权利要求中的一项所述的功率传送系统向电动车辆(14)供电的装置，其特征在于，还包括中间加载站(6)，所述中间加载站(6)具有一组超级电容器 (7)以及用于向位于地上或地中的初级线圈(9)供电的高频发生器(8)，并且其特征在于， 所述次级线圈(10)位于所述车辆(14)的地板之下，所述车辆(14)也包括至少一组超级电容器(12)。
全文摘要
本发明公开一种用于最小化传输区域附近的辐射磁场的无接触感应功率传送系统。该系统包括匝数为n1的初级线圈(9)和匝数为n2的次级线圈(10)。在操作时，在传送期间相同量的电流在所述初级线圈和所述次级线圈中循环，以及所述初级线圈(9)的匝数n1乘以在所述初级线圈中循环的电流等于所述次级线圈(10)的匝数n2乘以在所述次级线圈中循环的电流，在所述初级线圈和次级线圈中循环的电流是反相的，以便最小化由线圈产生的辐射磁场。本发明还涉及用于通过中间加载站(6)向移动车辆(14)供电的装置。
文档编号H02J5/00GK102326311SQ200980157061
公开日2012年1月18日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者M·朱费尔 申请人:鲁梅希亚股份公司