本發(fā)明涉及感應(yīng)電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種軌道交通列車非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)線圈。

背景技術(shù)：

感應(yīng)電能傳輸技術(shù)通過能量發(fā)射線圈與能量拾取線圈之間的高頻磁場耦合，以非接觸的方式將電能從能量發(fā)射裝置傳輸至能量拾取裝置。感應(yīng)電能傳輸技術(shù)與傳統(tǒng)依靠導(dǎo)體直接物理接觸取電的方式相比，其優(yōu)勢在于：由于線圈并不直接裸露在空氣中，所以電能傳輸過程不受污垢、冰、積水以及其他化學(xué)物質(zhì)的影響，有效地提高了供電安全性和可靠性，有著良好的應(yīng)用前景。

感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程為：工頻交流電經(jīng)過整流器整流成直流電，直流電輸入到高頻逆變器裝置后變換成高頻的交流電；高頻的交流電在能量發(fā)射線圈上激發(fā)高頻磁場；與能量發(fā)射線圈并不直接接觸的能量拾取線圈通過高頻磁場近場耦合感應(yīng)出同頻交變電壓，經(jīng)過次級電路的電能變換裝置變換成負載所需的電能形式供給負載，實現(xiàn)能量的非接觸式傳輸。

近年來，越來越多的研究將感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用到軌道交通中，然而針對軌道列車運行過程的動態(tài)供電問題亟待解決，包括能量發(fā)射線圈互感問題、拾取電壓波動問題。由于列車運行線路長，實際工程上考慮將能量發(fā)射線圈分成多段，因LCL補償拓撲具有能量發(fā)射線圈恒流作用，即便在空載的情況下也能保證一個很小的損耗，故各個分段均采用LCL補償拓撲。多段能量發(fā)射線圈經(jīng)電容電感補償后接同一高頻逆變器，然而多個分段的能量發(fā)射線圈之間存在相互耦合的關(guān)系，將導(dǎo)致系統(tǒng)無法配諧振，無法處于軟開關(guān)的最佳工況；列車在運行過程中處于不同位置時，安裝在列車底部的能量拾取線圈與鋪設(shè)在軌道上的能量發(fā)射線圈的耦合系數(shù)處于動態(tài)變化，能量拾取線圈與各個分段的能量發(fā)射線圈的耦合之和處于變化，將導(dǎo)致能量拾取電壓的波動。

非接觸式動態(tài)供電技術(shù)中，已有的拾取電壓波動解決方法是在能量發(fā)射線圈與能量接收線圈都是同一極性的前提下，通過設(shè)置能量接收線圈的長度，使得能量拾取線圈在各個位置與能量發(fā)射線圈之間的耦合之和幾乎相等。但其仍然存在問題：同一極性的各個分段的能量發(fā)射線圈之間存在耦合關(guān)系，不利于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，同時系統(tǒng)處于不諧振的工況下，影響系統(tǒng)效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種軌道交通列車的非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計，該線圈結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)列車在運行過程中處于不同位置時，安裝在列車底部的能量拾取線圈與鋪設(shè)在軌道上的各個分段的能量發(fā)射線圈的耦合系數(shù)之和基本處于穩(wěn)定，保證能量拾取電壓的穩(wěn)定。技術(shù)方案如下：

一種軌道交通列車非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)線圈，包括沿軌道鋪設(shè)的能量發(fā)射線圈和安裝于列車底部的能量拾取線圈，能量發(fā)射線圈包括多段長寬相等，并依次相間鋪設(shè)的發(fā)射側(cè)單極性線圈與發(fā)射側(cè)雙極性線圈，且發(fā)射側(cè)雙極性線圈產(chǎn)生的主磁場方向與列車前進方向垂直，各能量發(fā)射線圈所在的補償濾波回路均并聯(lián)至高頻交流電源H；能量拾取線圈包括長寬與能量發(fā)射線圈相等的一個拾取側(cè)單極性線圈與一個拾取側(cè)雙極性線圈，拾取側(cè)單極性線圈串聯(lián)補償電容Cs后并聯(lián)至整流器K1的輸入端，拾取側(cè)雙極性線圈串聯(lián)補償電容Cd后并聯(lián)至整流器K2的輸入端，整流器K1和整流器K2的輸出端串聯(lián)后接電動機G。

進一步的，所述拾取側(cè)單極性線圈正對于發(fā)射側(cè)單極性線圈時，兩線圈的互感值與拾取側(cè)雙極性線圈正對于發(fā)射側(cè)雙極性線圈時，兩線圈的互感值相等。

更進一步的，所述補償濾波回路的連接方式為：高頻交流電源H依次連接濾波電感Lfn和濾波電容Cfn形成回路；同時濾波電容Cfn的上端與補償電容Cn的上端相連，補償電容Cn的下端與能量發(fā)射線圈Ln的上端相連，能量發(fā)射線圈Ln的下端與濾波電容Cfn的下端相連構(gòu)成回路。

更進一步的，各補償濾波回路中的濾波電感Lfn的電感值均相等，濾波電容Cfn的電容值均相等，且濾波電感Lfn的電感值與能量發(fā)射線圈Ln的電感值及補償電容Cn的電容值的關(guān)系由下式確定：

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明通過將單極性線圈與雙極性線圈依次相間沿軌道鋪設(shè)，巧妙地使得相鄰能量發(fā)射線圈之間解耦，不存在相互影響，不影響系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計以及諧振狀態(tài)；而距離較遠的極性相同的能量發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)較小，可以忽略不計；

2)本發(fā)明能量拾取線圈由一個單極性線圈與一個雙極性線圈組成，兩個線圈之間相互解耦，互不影響；拾取側(cè)單極性線圈耦合發(fā)射側(cè)單極性線圈，與發(fā)射側(cè)雙極性線圈解耦；拾取側(cè)雙極性線圈耦合發(fā)射側(cè)雙極性線圈，與發(fā)射側(cè)單極性線圈解耦；

3)本發(fā)明巧妙地使能量拾取線圈沿列車運行方向運動時，兩個能量拾取線圈與能量發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)保持平穩(wěn)，也就是能量拾取線圈拾取到的感應(yīng)電動勢之和較為平穩(wěn)，換言之，電動機的供電電壓較為平穩(wěn)；

4)本發(fā)明系統(tǒng)仍工作在諧振狀態(tài)，從而減少了系統(tǒng)的無功功率輸出，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的單極性線圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例的雙極性線圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例的非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)正視圖。

圖5是本發(fā)明實施例的非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖6是本發(fā)明實施例的非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)效果做進一步詳細說明。一種軌道交通列車非接觸式動態(tài)供電系統(tǒng)線圈，包括沿軌道鋪設(shè)的能量發(fā)射線圈和安裝于列車底部的能量拾取線圈，能量發(fā)射線圈包括多段長寬相等，并依次相間鋪設(shè)的發(fā)射側(cè)單極性線圈與發(fā)射側(cè)雙極性線圈，且發(fā)射側(cè)雙極性線圈產(chǎn)生的主磁場方向與列車前進方向垂直，各能量發(fā)射線圈所在的補償濾波回路均并聯(lián)至高頻交流電源H；能量拾取線圈包括長寬與能量發(fā)射線圈相等的一個拾取側(cè)單極性線圈與一個拾取側(cè)雙極性線圈，拾取側(cè)單極性線圈串聯(lián)補償電容Cs后并聯(lián)至整流器K1的輸入端，拾取側(cè)雙極性線圈串聯(lián)補償電容Cd后并聯(lián)至整流器K2的輸入端，整流器K1和整流器K2的輸出端串聯(lián)后接電動機G。其中，單極性線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙極性線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖3所示的實施例：能量發(fā)射線圈包括單極性線圈L1、L3、L5與雙極性線圈L2、L4、L6，單極性線圈L1、L3、L5與雙極性線圈L2、L4、L6依次相間緊靠沿軌道鋪設(shè)，如圖4-6所示，各個能量發(fā)射線圈通過濾波電感Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5、Lf6、濾波電容Cf1、Cf2、Cf3、Cf4、Cf5、Cf6、補償電容C1、C2、C3、C4、C5、C6連接后并聯(lián)至一個大容量高頻交流電源H。其中鋪設(shè)雙極性線圈L2、L4、L6的方向應(yīng)選擇其產(chǎn)生的主磁場方向與列車前進方向垂直。

所述的能量拾取線圈與能量發(fā)射線圈沒有垂直于列車前進方向上的偏移，包括一個單極性線圈Ls與一個雙極性線圈Ld，其中單極性線圈Ls與雙極性線圈Ld的長寬相等，且與能量發(fā)射線圈的單極性線圈L1、L3、L5、雙極性線圈L2、L4、L6的長寬相等；其中單極性線圈Ls與雙極性線圈Ld完全重疊，如圖4-6所示，單極性線圈Ls串聯(lián)補償電容Cs后并聯(lián)至整流器K1的輸入端，雙極性線圈Ld串聯(lián)補償電容Cd后并聯(lián)至整流器K2的輸入端，整流器K1的輸出端與整流器K2的輸出端串聯(lián)后接電動機G。

能量拾取線圈的單極性線圈Ls的匝數(shù)為能量發(fā)射線圈的單極性線圈L1、L3、L5的匝數(shù)為當(dāng)能量拾取線圈的單極性線圈Ls正對于能量發(fā)射線圈的單極性線圈L1或L3或L5時，兩線圈互感值為能量拾取線圈的雙極性線圈Ld的匝數(shù)為能量發(fā)射線圈的雙極性線圈L2、L4、L6的匝數(shù)為當(dāng)能量拾取線圈的雙極性線圈Ld正對于能量發(fā)射線圈的雙極性線圈L2或L4或L6時，兩線圈互感值也為

大容量高頻交流電源H在單極性線圈L1、L3、L5與雙極性線圈L2、L4、L6上產(chǎn)生相同的恒定電流。

濾波電感Lf1、濾波電容Cf1、補償電容C1、能量發(fā)射線圈L1與大容量高頻交流電源H的連接方式是：大容量高頻交流電源H的依次通過濾波電感Lf1、濾波電容Cf1形成回路；濾波電容Cf1的上端與補償電容C1的上端相連，補償電容C1的下端與能量發(fā)射線圈L1的上端相連，能量發(fā)射線圈L1的下端與濾波電容Cf1的下端相連構(gòu)成回路。

同理，濾波電感Lf2、濾波電容Cf2、補償電容C2、能量發(fā)射線圈L2與大容量高頻交流電源H的連接方式是：大容量高頻交流電源H的依次通過濾波電感Lf2、濾波電容Cf2形成回路；濾波電容Cf2的上端與補償電容C2的上端相連，補償電容C2的下端與能量發(fā)射線圈L2的上端相連，能量發(fā)射線圈L2的下端與濾波電容Cf2的下端相連構(gòu)成回路。

同理，濾波電感Lf3、濾波電容Cf3、補償電容C3、能量發(fā)射線圈L3與大容量高頻交流電源H的連接方式是：大容量高頻交流電源H的依次通過濾波電感Lf3、濾波電容Cf3形成回路；濾波電容Cf3的上端與補償電容C3的上端相連，補償電容C3的下端與能量發(fā)射線圈L3的上端相連，能量發(fā)射線圈L3的下端與濾波電容Cf3的下端相連構(gòu)成回路。

同理，濾波電感Lf4、濾波電容Cf4、補償電容C4、能量發(fā)射線圈L4與大容量高頻交流電源H的連接方式是：大容量高頻交流電源H的依次通過濾波電感Lf4、濾波電容Cf4形成回路；濾波電容Cf4的上端與補償電容C4的上端相連，補償電容C4的下端與能量發(fā)射線圈L4的上端相連，能量發(fā)射線圈L4的下端與濾波電容Cf4的下端相連構(gòu)成回路。

同理，濾波電感Lf5、濾波電容Cf5、補償電容C5、能量發(fā)射線圈L5與大容量高頻交流電源H的連接方式是：大容量高頻交流電源H的依次通過濾波電感Lf5、濾波電容Cf5形成回路；濾波電容Cf5的上端與補償電容C5的上端相連，補償電容C5的下端與能量發(fā)射線圈L5的上端相連，能量發(fā)射線圈L5的下端與濾波電容Cf5的下端相連構(gòu)成回路。

同理，濾波電感Lf6、濾波電容Cf6、補償電容C6、能量發(fā)射線圈L6與大容量高頻交流電源H的連接方式是：大容量高頻交流電源H的依次通過濾波電感Lf6、濾波電容Cf6形成回路；濾波電容Cf6的上端與補償電容C6的上端相連，補償電容C6的下端與能量發(fā)射線圈L6的上端相連，能量發(fā)射線圈L6的下端與濾波電容Cf6的下端相連構(gòu)成回路。

上述各電容為無極性電容。

所述的濾波電感Lf1的電感值濾波電感Lf2的電感值濾波電感Lf3的電感值濾波電感Lf4的電感值濾波電感Lf5的電感值濾波電感Lf6的電感值的關(guān)系滿足式1：

所述的濾波電感Lf1的電感值與濾波電容Cf1的電容值濾波電容Cf2的電容值濾波電容Cf3的電容值濾波電容Cf4的電容值濾波電容Cf5的電容值濾波電容Cf6的電容值的關(guān)系由式2)確定：

所述的濾波電感Lf1的電感值補償電容C1的電容值能量發(fā)射線圈L1的電感值補償電容C2的電容值能量發(fā)射線圈L2的電感值補償電容C3的電容值能量發(fā)射線圈L3的電感值補償電容C4的電容值能量發(fā)射線圈L4的電感值補償電容C5的電容值能量發(fā)射線圈L5的電感值補償電容C6的電容值與能量發(fā)射線圈L6的電感值的關(guān)系由式3)確定：

其中，并聯(lián)同一大容量高頻交流電源H的能量發(fā)射線圈為任意多數(shù)段。

本發(fā)明的工作過程和原理是：

由于沿軌道鋪設(shè)的單極性線圈在雙極性線圈中產(chǎn)生的磁通總量為零，雙極性線圈在單極性線圈中產(chǎn)生的磁通總量也為零，所以單極性線圈與雙極性線圈之間是解耦關(guān)系，不存在相互耦合，換言之，單極性線圈與雙極性線圈不會影響系統(tǒng)的諧振參數(shù)設(shè)計；而沿軌道鋪設(shè)的單極性線圈與單極性線圈之間由于相隔距離遠，線圈之間的互感很小，可以忽略，不影響系統(tǒng)的諧振參數(shù)設(shè)計；同理，沿軌道鋪設(shè)的雙極性線圈與雙極性線圈之間互感很小，也不影響系統(tǒng)的諧振參數(shù)設(shè)計。

安裝于列車底部的能量拾取線圈是由一個單極性線圈和一個雙極性線圈組成，相互之間是解耦的，能量拾取線圈拾取的總電壓為單極性線圈與雙極性線圈拾取的電壓之和。能量拾取線圈中的單極性線圈與軌道上的能量發(fā)射線圈中的單極性線圈之間存在耦合關(guān)系，進而耦合高頻電磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，將能量從單極性發(fā)射線圈傳遞到單極性拾取線圈；能量拾取線圈中的單極性線圈與軌道上的能量發(fā)射線圈中的雙極性線圈之間不存在耦合關(guān)系，換言之，能量拾取線圈中的單極性線圈與軌道上的能量發(fā)射線圈中的雙極性線圈之間不傳遞能量。能量拾取線圈中的雙極性線圈與軌道上的能量發(fā)射線圈中的雙極性線圈之間存在耦合關(guān)系，進而耦合高頻電磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，將能量從雙極性發(fā)射線圈傳遞到雙極性拾取線圈；能量拾取線圈中的雙極性線圈與軌道上的能量發(fā)射線圈中的單極性線圈之間不存在耦合關(guān)系，換言之，能量拾取線圈中的雙極性線圈與軌道上的能量發(fā)射線圈中的單極性線圈之間不傳遞能量。

在列車運行到不同位置時，能量拾取線圈中的單極性線圈與能量發(fā)射線圈中的單極性線圈、能量拾取線圈中的雙極性線圈與能量發(fā)射線圈中的雙極性線圈的耦合系數(shù)是一個周期變化過程，然而兩個耦合系數(shù)之和的變化較為平穩(wěn)，也就是，能量拾取線圈拾取到的感應(yīng)電動勢之和較為平穩(wěn)，換言之，電動機的供電電壓較為平穩(wěn)。此時對于系統(tǒng)來說，系統(tǒng)仍工作在諧振狀態(tài)，從而減少了系統(tǒng)的無功功率輸出，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)。