一种跨座式单轨铁路无线供电系统

摘要

本发明公开了一种跨座式单轨铁路无线供电系统，主要包括电网、高频逆变装置、双侧分布分段式发射装置、双侧分布分段式接收装置、整流变换装置、机车负载。本发明采用磁耦合谐振式无线电能传输技术，根据电力机车的实时位置，通过开关控制切换控制相应分段内的双侧分布分段式发射装置接入电路，双侧分布分段式接收装置与发射装置耦合传输电能，再经过整流变换单元，进而为机车运行提供动力。采用无线供电的方式有利于规避有接触供电安全性差的弊端，并且采用定位切换分段供电的方式有利于降低无线传输电能时的损耗，提高效率。采用双侧收发的技术可以依托单轨铁路的实际条件最大限度的增大传输功率。

权利要求

1.一种跨座式单轨铁路无线供电系统，其特征是：包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置和机车负载；

将轨道桥梁分成若干长度相同的分段；

所述无线电发射装置包括矩形螺旋发射线圈，所述矩形螺旋发射线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述发射线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在每个分段内轨道桥梁的左右两侧，每个分段内发射线圈相互对称且水平高度相同，每个分段内左右两侧的发射装置采用串联的连接方式；每个分段内的无线电发射装置连接到一个独立的开关并通过高频逆变装置连接到电网；

在轨道桥梁的每个分段内设有位置检测装置；所述位置检测装置与所述的独立的开关相连接；

所述无线电接收装置包括矩形螺旋接收线圈，所述矩形螺旋接收线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述接收线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在列车车厢底部左右两侧，每节车厢底部左右两侧的无线电接收装置相互对称且水平高度相同，每节车厢底部左右两侧的接收装置采用串联的方式连接；所述无线电接收装置通过整流变换 装置连接到机车负载。

2.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的发射线圈长度为列车长度的10至20倍。

3.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的接收线圈长度与每节车厢长度相同。

4.根据权利要求2或3所述的一种跨座式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的发射线圈和接收线圈的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。

5.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的无线电接收装置安装的数量少于或等于列车车厢的数量。

说明书

一种跨座式单轨铁路无线供电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无线电能传输在轨道交通上的工程应用系统。特别是涉及一种跨座式单轨铁路无线供电系统。

背景技术

[0002] 我国城市的现有的交通系统存在诸多问题，比如突出的有三个方面：高峰时段堵塞和拥挤严重，交通结构单一，对环境的影响较大。要根本解决交通问题，就必须调整现有的交通结构，发展各种轨道交通。作为中等运量的轨道交通，单轨铁路是符合我国城市需求的交通形式。

[0003] 近年来无线电能传输技术取得快速发展，从小功率的电子产品家用电器的无线充电到大功率的电动汽车无线充电，无线电能传输技术都有着出色的表现，它作为一种能量传输的方法，有效地弥补了传统有接触式电能传输的弊端。直到2007年美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授及其团队以电磁场谐振理论为基础在两米开外点亮一个60W 的灯泡，提出了电磁谐振耦合式无线电能传输理论，该技术弥补了感应耦合式WPT技术在传输距离和设备应用灵活性的弊端，引领了国内外学者对谐振耦合式WPT技术的研究热潮。由于磁耦合谐振式无线电能传输技术的不断发展，对于无线电能传输的距离等性能参数有着很大的改变。

[0004] 无线电能传输技术自问世以来主要经过了微波传输、激光传输、感应耦合传输等早期研究阶段，到后来的磁耦合谐振等多种方式并存的快速发展阶段，发展到今天已经进入产品应用和市场推广阶段。随着技术的不断突破，无线电能传输技术不断给人类的生活带来便利。

[0005] 目前单轨铁路主要采用有接触的轨道供电方式，这种供电方式由于供电导轨裸露在空气中，存在很大的安全隐患，对人民的生命财产安全产生威胁。此外由于供电导轨裸露在外部，易遭受到人为破坏或自然腐蚀。因此如何有效地解决供电可靠性与安全性的问题不容忽视。这类有接触的供电方式弊端在于：由于滑动摩擦，受电弓或者集电刷等部件磨损严重，需要定期更换，维护成本较高。有接触供电方式不可避免的出现电线裸露等情况，存在安全隐患。在恶劣天气下，如冰雪灾害下，架空式接触网线路或者输电轨道附冰，难以保证可靠的供电，此外在电力机车高速运行的情况下，架空式接触网线缆会出现打弧、离线等危险情况。本发明采用无线非接触的方式为单轨铁路供电，从根本上避免以上问题，从而显著提高受流质量，实现电能的高效传输与利用，而且比传统的滑动有接触供电方式更加安全可靠。

发明内容

[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种跨座式单轨铁路无线供电系统，采用无线供电的方式规避了现有技术中接触供电安全性差的弊端，采用定位切换分段供电的方式有利于降低无线传输电能时的损耗，提高效率，解决了现有技术中的不足。

[0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种跨座式单轨铁路无线供电系统包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置和机车负载。

[0008] 首先，将轨道桥梁按照一定的间隔分成若干长度相同的分段。

[0009] 所述无线电发射装置包括矩形螺旋发射线圈，所述矩形螺旋发射线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述发射线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在每个分段内轨道桥梁的左右两侧，每个分段内发射线圈相互对称且水平高度相同，每个分段内左右两侧的发射装置采用串联的连接方式；每个分段内的无线电发射装置连接到一个独立的开关并通过高频逆变装置连接到电网；

[0010] 在轨道桥梁的每个分段内设有位置检测装置；所述位置检测装置与所述的独立的开关相连接；每个分段均安装有一个长矩形的能量发射线圈，每个此类发射线圈均由单独的开关控制是否接入电路，当电力机车离开前一个长矩形发射线圈的范围，进入下一个长矩形发射线圈范围，此时需要将前一个长矩形线圈断开，将下一个长矩形线圈接入电路。

[0011] 所述无线电接收装置包括矩形螺旋接收线圈，所述矩形螺旋接收线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述接收线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在列车车厢底部左右两侧，每节车厢底部左右两侧的无线电接收装置相互对称且水平高度相同，每节车厢底部左右两侧的接收装置采用串联的方式连接；所述无线电接收装置通过整流变换 装置连接到机车负载。

[0012] 在无线电能传输系统中，最常用的线圈形状为圆形线圈和矩形线圈等，实际生活总，车厢底部最大的有效形状为长矩形，因此为了最大限度的利用该空间，本发明选择矩形线圈，可以最大限度的利用该空间。

[0013] 与传统的单发射与单接收线圈相比，本发明采用双侧收发的方式，充分利用现有的单轨铁路系统底部有限空间，因此每时刻均存在两个发射线圈和两个接收线圈，采用该结构有效增强收发端的互感耦合，从而有效增大能量传输的功率。

[0014] 如果左右两侧的发射线圈和接收线圈不串联，则在接收端需要两组整流装置，对应于每个独立的接收线圈，本发明将左右两侧的发射线圈和接收线圈串联到一起，仅需要一组整流转置即可实现对接收到的高频电流整流，有效降低成本。此外，双侧均安装接收线圈可以充分利用有线的车厢底部空间，增大收发装置耦合系数，从而增大能量传输功率。

[0015] 进一步的，综合考虑列车运行速度、切换控制的响应速度、能量传输过程中在各分段上的损耗以及分段数量对应的建设成本等因素，所述的发射线圈长度为列车长度的10 至20倍。

[0016] 进一步的，所述的接收线圈长度与每节车厢长度相同。由于受到车厢长度的限制，在实施中不能超过车厢的长度，为了最大限度利用车厢底部空间，接收线圈长度需要尽可能大，因此近似等于每节车厢长度。

[0017] 进一步的，所述的发射线圈和接收线圈的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。发射装置和接收装置均可以通过调整补偿电容的大小,保证发射装置和接收装置的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。

[0018] 进一步的，所述的无线电接收装置安装的数量少于或等于列车车厢的数量。

[0019] 有益效果：本发明提供的一种跨座式单轨铁路无线供电系统，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术，采用无线电发射装置和无线电接收装置，发射装置和接收装置均竖直放置，通过收发装置的耦合作用，将电能无线传递到电力机车上，为电力机车的运行提供动力。本发明采用无线供电的方式为跨座式单轨铁路供电，不仅有效地避免了有接触导轨式供电的弊端，提高的跨座式单轨铁路供电的可靠性和安全性，而且采用本发明涉及到的特殊结构的无线电发射装置和无线电接收装置进一步提高了能量传输的效率和功率，并且分段切换的方式还降低了双侧发射线圈的损耗。

附图说明

[0020] 图1为本发明一种跨座式单轨铁路无线供电系统原理示意图；

[0021] 图2为本发明具体实施的能量传输装置安装示意图；

[0022] 图3为本发明发射装置和接收装置简化电路图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0024] 本发明设计了一种跨座式单轨铁路无线供电系统，包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置、机车负载。根据列车的位置，将相应的无线电发射装置接入电路。由电源给能量发射装置供电，与位于机车正对的接收装置耦合，拾取到来自分布式发射线圈的能量，在接收装置中重新产生交流电流，经过整流变换装置中的电力电子装置，产生适合于机车使用的电能，为负载提供动力。

[0025] 如图2所示，双侧分段分布式发射装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的长矩形螺旋发射线圈，每个长矩形螺旋发射线圈长度根据运行列车的长度而定，长度约为运行列车长度的10至20倍，双侧分段分布式发射装置安装在单轨铁路轨道梁两侧，分别对称左右竖直安装，整条轨道均安装所述分段分布的发射装置。

[0026] 双侧分段分布式接收装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的矩形螺旋接收线圈，每个矩形螺旋接收线圈长度根据每节车厢的长度确定，长度略短于每节车厢的长度。双侧分段分布式接收线圈分别竖直安装在每节车厢与轨道梁跨接部分的左右内侧。双侧分段分布式接收装置的安装数量不超过列车车厢数量。

[0027] 通过调节接收端补偿电容调节能量接收装置的谐振频率。调节发射装置和接收装置处于同一谐振频率，电能通过磁场耦合的方式进行能量传输。

[0028] 如图3所示，双侧分段分布式发射装置各分段内的对称位置左右两个发射装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量发射端回路中包含两个串联连接的能量发射线圈。双侧分段分布式接收装置各分段内的对称位置左右两个接收装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量接收端回路中包含两个串联连接的能量接收线圈。其中Uin为高频逆变装置产生的电压，Lp1、Lp2、Ls1及Ls2分别为能量发射端和能量接收端各线圈的电感，Cp和Cs分别为能量发射端和能量接收端的总谐振补偿电容，Rp和Rs分别为能量发射端和能量接收端的线圈总电阻，M1及M2分别为左右两组能量收发装置的互感，RL为负载等效电阻。

[0029] 一种跨座式单轨铁路无线供电系统包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置和机车负载。

[0030] 首先，将轨道桥梁按照一定的间隔分成若干长度相同的分段。

[0031] 所述无线电发射装置包括矩形螺旋发射线圈，所述矩形螺旋发射线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述发射线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在每个分段内轨道桥梁的左右两侧，每个分段内发射线圈相互对称且水平高度相同，每个分段内左右两侧的发射线圈采用串联的连接方式；每个分段内的无线电发射装置连接到一个独立的开关并通过高频逆变装置连接到电网；

[0032] 在轨道桥梁的每个分段内设有位置检测装置；所述位置检测装置与所述的独立的开关相连接；每个分段均安装有一个长矩形的能量发射线圈，每个此类发射线圈均由单独的开关控制是否接入电路，当电力机车离开前一个长矩形发射线圈的范围，进入下一个长矩形发射线圈范围，此时需要将前一个长矩形线圈断开，将下一个长矩形线圈接入电路。

[0033] 所述无线电接收装置包括矩形螺旋接收线圈，所述矩形螺旋接收线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述接收线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在列车车厢底部左右两侧，每节车厢底部左右两侧的无线电接收装置相互对称且水平高度相同，每节车厢底部左右两侧的接收线圈采用串联的方式连接；所述无线电接收装置通过整流变换 装置连接到机车负载。

[0034] 在无线电能传输系统中，最常用的线圈形状为圆形线圈和矩形线圈等，实际生活总，车厢底部最大的有效形状为长矩形，因此为了最大限度的利用该空间，本发明选择矩形线圈，可以最大限度的利用该空间。

[0035] 与传统的单发射与单接收线圈相比，本发明采用双侧收发的方式，充分利用现有的单轨铁路系统底部有限空间，因此每时刻均存在两个发射线圈和两个接收线圈，采用该结构有效增强收发端的互感耦合，从而有效增大能量传输的功率。

[0036] 如果左右两侧的发射线圈和接收线圈不串联，则在接收端需要两组整流装置，对应于每个独立的接收线圈，本发明将左右两侧的发射线圈和接收线圈串联到一起，仅需要一组整流转置即可实现对接收到的高频电流整流，有效降低成本。此外，双侧均安装接收线圈可以充分利用有线的车厢底部空间，增大收发装置耦合系数，从而增大能量传输功率。

[0037] 综合考虑列车运行速度、切换控制的响应速度、能量传输过程中在各分段上的损耗以及分段数量对应的建设成本等因素，所述的发射线圈长度为列车长度的10至20倍。

[0038] 所述的接收线圈长度与每节车厢长度相同。由于受到车厢长度的限制，在实施中不能超过车厢的长度，为了最大限度利用车厢底部空间，接收线圈长度需要尽可能大，因此近似等于每节车厢长度。

[0039] 所述的发射线圈和接收线圈的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。发射装置和接收装置均可以通过调整补偿电容的大小,保证发射装置和接收装置的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。

[0040] 所述的无线电接收装置安装的数量少于或等于列车车厢的数量。

[0041] 本发明所述的一种跨座式单轨铁路无线供电系统包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置、机车负载。

[0042] 在本发明中，双侧分段分布式发射装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的长矩形螺旋发射线圈，每个长矩形螺旋发射线圈长度根据运行列车的长度而定，长度约为运行列车长度的10至20倍，双侧分段分布式发射装置安装在单轨铁路轨道梁两侧，分别对称左右竖直安装，整条轨道均安装所述分段分布的发射装置。

[0043] 在本发明中，所述的双侧分段分布式接收装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的矩形螺旋接收线圈，每个矩形螺旋接收线圈长度根据每节车厢的长度确定，长度略短于每节车厢的长度。双侧分段分布式接收线圈分别竖直安装在每节车厢与轨道梁跨接部分的左右内侧。双侧分段分布式接收装置的安装数量不超过列车车厢数量。

[0044] 在本发明中，由高频逆变装置给能量发射装置供电，与位于机车正对的接收装置耦合，拾取到来自分布式发射线圈的能量，在接收装置中重新产生交流电流，经过整流变换装置中的电力电子装置，产生适合于机车使用的电能，为负载提供动力。

[0045] 在本发明中，所述的双侧分段分布式发射装置和双侧分段分布式接收装置采用相同宽度的矩形螺旋线圈，且安装的水平高度相同。

[0046] 在本发明中，所述的双侧分段分布式发射装置各分段内的对称位置左右两个发射装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量发射端回路中包含两个串联连接的能量发射线圈。

[0047] 在本发明中，所述的双侧分段分布式接收装置各分段内的对称位置左右两个接收装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量接收端回路中包含两个串联连接的能量接收线圈。

[0048] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。