适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置的制作方法

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置。


背景技术：

2.随着全球化的脚步加快，人们在选择交通方式时更加侧重于考虑便捷性、可靠性以及舒适性。为此，相较于飞机，磁悬浮列车成为今后最受瞩目的新型出行方式，并获得了广泛应用。2004年，德国transrapid的第一个商业应用(上海磁悬浮列车)将上海30.5km的快速交通网络连接到上海浦东国际机场。日本mlx01是第一辆在山梨试验线上运营的磁悬浮列车，悬浮速度超过500km/h(试验最高速度为550km/h)。
3.然而，磁悬浮列车已有的实现全速域的车载电能传输装置均利用的是接触式供电与非接触式供电互补或者蓄电池与非接触供电互补的形式。其中，接触式供电与非接触式供电互补的形式容易发生磁浮列车在停车区间的意外触电事故；其次，接触式供电的集电靴与受电靴之间磨损剧烈需频繁更换，并且不适用于低真空管道的超高速磁浮列车的运行环境。蓄电池与非接触供电互补的形式尽管不存在意外触电以及真空适应性等问题，但是由于蓄电池承担着列车在低速段以及停车区间的车载供电任务，这无形中增加了车载蓄电池的重量，导致磁浮列车的载重增加，载客能力下降。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置，能够解决上述现有技术中的问题。
5.本发明提供了一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置，其中，该装置包括设置在磁浮列车侧的车载电能接收线圈和车载超导线圈以及设置在地面轨道侧的地面电能发射线圈、地面推进线圈和地面零磁通线圈，所述车载超导线圈设置在磁浮列车上，所述车载电能接收线圈设置在所述车载超导线圈外表面上，所述地面电能发射线圈设置在低速域轨道段上，所述地面零磁通线圈设置在高速域轨道段上，所述地面电能发射线圈和所述地面零磁通线圈外表面上设置所述地面推进线圈。
6.优选地，该装置还包括发电控制器，用于使所述发电控制器侧的等效阻抗与所述车载电能接收线圈侧的等效阻抗共轭。
7.优选地，该装置还包括储能单元，连接在所述发电控制器的输出侧。
8.优选地，每个所述车载超导线圈外表面上设置四个所述车载电能接收线圈。
9.优选地，相邻两个所述车载超导线圈中的一个所述车载超导线圈上的四个所述车载电能接收线圈分别为u相、v相、w相和u相，另一个所述车载超导线圈上的四个所述车载电能接收线圈分别为-u相、-v相、-w相和-u相。
10.优选地，所述车载电能接收线圈和所述地面电能发射线圈为8字型线圈。
11.优选地，所述地面电能发射线圈的尺寸小于所述地面零磁通线圈的尺寸。
12.通过上述技术方案，可以在低速域轨道段通过地面电能发射线圈与车载电能接收线圈对磁浮列车进行供电，可以在高速域轨道段通过地面零磁通线圈与车载电能接收线圈对磁浮列车进行供电。由此，可以实现磁悬浮列车在全速域运行状态下的非接触供电。
附图说明
13.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1示出了根据本发明一种实施例的一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置的结构示意图；
15.图2示出了根据本发明一种实施例的一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置位置设置示意图；
16.图3示出了根据本发明一种实施例的一种地面电能发射线圈结构示意图；
17.图4示出了根据本发明一种实施例的在停车区间车载电能接收线圈的感应电压波形示意图；
18.图5示出了根据本发明一种实施例的车载电能接收线圈的感应电压与运行速度的关系(高速运行区间)示意图。
具体实施方式
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
22.图1示出了根据本发明一种实施例的一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供
电装置的结构示意图。
23.如图1所示，本发明实施例提供了一种适用于磁浮列车(磁悬浮列车)全速域运行的非接触供电装置，其特征在于，该装置包括设置在磁浮列车侧3的车载电能接收线圈1和车载超导线圈2以及设置在地面轨道侧4的地面电能发射线圈5、地面推进线圈7和地面零磁通线圈8，所述车载超导线圈2设置在磁浮列车上，所述车载电能接收线圈1设置在所述车载超导线圈2外表面上，所述地面电能发射线圈5设置在低速域轨道段6上，所述地面零磁通线圈8设置在高速域轨道段9上，所述地面电能发射线圈5和所述地面零磁通线圈8外表面上设置所述地面推进线圈7。
24.其中，低速域轨道段可以包括磁浮列车处于停车状态的停车段(停车区间)和磁浮列车从启动到高速运行之前的低速段(即，在低速段，磁浮列车以相对较低的速度运行，也可以称为低速域运行区间)。
25.通过上述技术方案，可以在低速域轨道段通过地面电能发射线圈与车载电能接收线圈对磁浮列车进行供电，可以在高速域轨道段通过地面零磁通线圈与车载电能接收线圈对磁浮列车进行供电。由此，可以实现磁悬浮列车在全速域运行状态下的非接触供电。
26.也就是，本发明所述的非接触供电装置可以用于实现磁浮列车在停车区间、低速运行区间以及高速运行区间等整个全速域运行区间的非接触供电，无需额外的供电设备进行配合。
27.其中，磁浮列车侧的车载电能接收线圈以及车载超导线圈相对地面侧的地面推进线圈、地面零磁通线圈(高速域)以及面电能发射线圈(低速域)以同步速v
s
进行运动。由于基于电动悬浮制式的磁浮列车的悬浮功能只有当列车运行达到一定速度(126km/h左右)才能实现，在低速域可以通过磁浮列车自带的橡胶轮实现支撑功能。所以在磁悬浮列车的停车区间以及低速域运行区间可以采用地面电能发射线圈。
28.图2示出了根据本发明一种实施例的一种适用于磁浮列车全速域运行的非接触供电装置位置设置示意图。
29.在图2中，以地面电能发射线圈5设置在低速域轨道段6上为例。
30.如图2所示，该装置还包括发电控制器10，用于使所述发电控制器10侧的等效阻抗与所述车载电能接收线圈1侧的等效阻抗共轭。
31.由此，可以保证车载电能接收线圈的最大发电功率与运行速度的平方呈正比关系。
32.根据本发明一种实施例，该装置还包括储能单元11，连接在所述发电控制器10的输出侧。
33.举例来讲，所述储能单元11可以为蓄电池，该蓄电池可以为容量较小的蓄电池。
34.通过在发电控制器10的输出侧设置蓄电池，可以过滤掉电压纹波。
35.由此，可以将磁浮列车的负载12与蓄电池连接，从而实现对所述负载12的非接触供电。
36.如图1所示，可以在地面轨道侧全线铺设地面推进线圈，在磁浮列车低速运行区间铺设低速域地面电能发射线圈，在磁浮列车的高速域运行区间铺设地面零磁通线圈。此外，如图2所示，地面电能发射线圈以及地面零磁通线圈相对地面推进线圈更接近于地面轨道表面。并且，可以在磁浮列车的车身两侧均布置车载超导线圈以及车载电能接收线圈，车载
电能接收线圈相对于车载超导线圈更接近于地面轨道表面。
37.根据本发明一种实施例，每个所述车载超导线圈2外表面上设置四个所述车载电能接收线圈1。
38.根据本发明一种实施例，相邻两个所述车载超导线圈2中的一个所述车载超导线圈2上的四个所述车载电能接收线圈1分别为u相、v相、w相和u相，另一个所述车载超导线圈2上的四个所述车载电能接收线圈1分别为-u相、-v相、-w相和-u相。
39.根据本发明一种实施例，所述车载电能接收线圈1和所述地面电能发射线圈5为8字型线圈。
40.图3示出了根据本发明一种实施例的一种地面电能发射线圈结构示意图。
41.根据本发明一种实施例，如图3所示，由于磁悬浮列车在高速运行区域进行非接触供电是基于地面零磁通线圈(8字型线圈结构)产生的5次空间谐波磁场进行设计的，所以车载电能接收线圈的设计也是基于地面零磁通线圈产生的基波磁场波长的进行设计，车载电能接收线圈单元也设计为8字型线圈。因此，低速域轨道段的地面电能发射线圈的设计也可以依据地面零磁通线圈产生基波磁场波长的进行设计，设计为8字型线圈。在图3中，a、b和c分别代表三相，每个地面电能发射线圈包括上线圈单元5a和下线圈单元5b。
42.在这样的线圈结构布置形式下，载有车载超导线圈以及车载电能接收线圈的磁浮列车在通有三相对称电流的地面推进线圈产生的空间磁场作用下运动。
①
在停车区间时，通过在地面侧的地面电能发射线圈注入适当频率的三相对称电流，车载电能接收线圈在地面电能发射线圈产生的极距为的基波空间磁场作用下产生频率为f
e
感应电压(f
e
为地面电能发射线圈侧的电压频率指令值)，用于满足车载设备的用电需求。
②
在低速域运行区间时，根据列车的运行速度v
s
，可以合理调整地面电能发射线圈的频率以及电压幅值(适当调整地面电能发射线圈的通电频率为)，从而可以保证车载电能接收线圈的发电能力。此时，车载电能接收线圈产生的感应电压频率为f
e
。
③
在高速域运行区间时，无需对地面零磁通线圈进行额外的电流控制，车载超导线圈在地面推进线圈推进电流作用下以速度v
s
运动，地面零磁通线圈在车载超导线圈作用下产生感应电流，该感应电流产生的空间磁场中基波磁场用于保证列车的稳定悬浮，而谐波磁场中占比最大的5次空间谐波磁场相对列车以的相对速度运动，车载电能接收线圈在该谐波磁场作用下产生频率为的感应电压，用于满足列车的车载供电需求。
④
为了保证车载电能接收线圈输出侧直流电压的稳定，可以如上所述在发电控制器输出侧配置较小容量的蓄电池以便于过滤掉电压纹波。
43.根据本发明一种实施例，所述地面电能发射线圈5的尺寸小于所述地面零磁通线圈8的尺寸。
44.从上述实施例可以看出，载有本发明上述实施例所述的非接触供电装置可以实现磁浮列车在停车区间、低速运行区间以及高速运行区间的全速域非接触供电，保证车载用
电设备的安全稳定运行。其中，在停车区间车载电能接收线圈的感应电压波形如图4所示。在高速运行区间，车载电能接收线圈的感应电压与运行速度的关系如图5所示。此外，通过发电控制器进行控制保证控制器侧的等效阻抗与车载电能接收线圈侧等效阻抗共轭，可以保证车载电能接收线圈的最大发电功率与运行速度的平方呈正比关系。
45.并且，本发明所述的非接触供电装置可以有效利用列车停车区间以及低速运行区间原有地面零磁通线圈所占用的空间面积，保证列车在上述两个速度区间的可靠供电，提高地面轨道侧的空间有效利用率，避免地面零磁通线圈不必要的铺设。
46.此外，通过使用本发明所述的非接触供电装置可以有效减小车载蓄电池的容量以及重量，减小车载设备发生安全事故的风险，增加载客量并有效缓解列车牵引系统的压力。同时，可以避免低速域非接触供电装置的投入，避免列车停车区间因接触式供电装置导致的噪音、安全事故以及在低真空管道中极易发生拉弧放电的风险。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
48.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
49.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。