無線傳輸地鐵供電系統的製作方法
2023-05-24 17:59:57
本實用新型涉及電磁諧振無線充電裝置技術領域，尤其涉及一種無線傳輸地鐵供電系統。
背景技術：
近年來提供了很多磁感應列車供電系統例如中國專利公開了基於雙層雙向螺旋線圈的無線電能傳輸系統及方法,專利號:201410243642,該專利公開的內容中發射線圈是一個雙層雙向繞制的螺旋線圈，如圖6所示，該雙層雙向繞制的螺旋線圈是由繞制方向相反並相連的內層線圈和外層線圈組成的，所述內層線圈和外層線圈具有相同的,匝數和匝距，僅線圈半徑不同，所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向。雙向螺旋線圈缺點是體積大，其不足之處在於，該線圈對發射與接收線圈的位置有非常嚴格的要求，兩線圈的中心一旦偏離，會使能量傳輸效率急劇下降。
再如中國專利公開了一種無線供電型高速列車系統,專利號:201510569730.8,該專利公開的內容中供電端接收線圈沿軌道懸空架設於列車之上，受電端線圈安裝於列車頂部；發射線圈沿軌道鋪設施工繁瑣，原來的單根線供電改成線圈供電浪費了大量有色金屬，在高壓強電下線圈密集堆放形成渦流，渦流產生的高溫變化對列車極易造成損害。該專利特別描述了：允許存在幾釐米的工作間隙,由於軌道地面起伏較大，加上列車運行中的起伏晃動，使接收的線圈與發射的線圈之間的工作間隙處於動態變化中，有可能使線圈在運行中與列車頂部發生碰撞或者摩擦，存在不安全隱患。高速運行中供電端和受電端工作間隙的急速變化造成整個供電系統的不穩定，波動的電源會對列車的運行帶來衝擊。
另外,目前的高頻發射模塊採用全橋式隔離的電壓變換器電路，如圖7所示，由於全橋式隔離的電壓變換器電路中兩組開關管交替關斷與導通，由於正負半波控制脈衝寬度難以做到絕對相同，同時開關器件特性難以完全一致，導致開關管極易燒毀，及工作頻率難以提高。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服上述技術的不足，而提供一種無線傳輸地鐵供電系統，實現列車高效節能、穩定、可靠的運行。
本實用新型為實現上述目的，採用以下技術方案：
一種無線傳輸地鐵供電系統，其特徵在於，包括電源、電源控制模塊、高頻發射模塊、三抽頭髮射線圈、諧振線圈組、接收線圈、高頻接收模塊、電源管理模塊、列車蓄電池；所述電源為本裝置提供能量來源；
電源控制模塊用於控制電源是否給高頻發射模塊供電，還具有調節電源電壓穩定等作用；
所述高頻發射模塊選用功率振蕩電路產生高頻交變電流；
所述三抽頭髮射線圈把高頻電流轉換為高頻磁場發射出去；所述三抽頭髮射線圈採用平面螺旋式結構，使得匝與匝之間保持在一個平面上緊密結合；所述三抽頭髮射線圈沿著軌道分段鋪設且垂直於軌道，三抽頭髮射線圈的下部埋於地下，列車從三抽頭線圈內部穿過；
所述諧振線圈組組成能量傳輸中繼通道，諧振線圈組布置在所述三抽頭髮射線圈的兩側；
所述接收線圈把空間高頻交變磁場接受轉換為高頻電流，所述接收線圈同樣採用平面螺旋式結構，接收線圈固定在每節車廂連接處的車框內部；
所述三抽頭髮射線圈、諧振線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率特性；
所述高頻接收模塊把收集的高頻電磁波轉化為電能；
所述電源管理模塊對轉化的電能進行管理供列車蓄電池使用。
優選地，所述高頻發射模塊包括高頻信號發生電路、甲乙類推挽功率放大電路、發射電路；
所述高頻信號發生電路由電容C1-電容C4、三極體Q2、電阻R1-R4、線圈L3組成的電容三點式振蕩信號發生電路；甲乙類推挽功率放大電路由電容C1、電容C6、三極體Q1、R5-R8、MOS管T1、MOS管T2構成；
所述發射電路由電容C7、電容C8、線圈L1、線圈L2組成，所述電容C7的一端分別接甲乙類推挽功率放大電路的MOS管T1和線圈L1的一端，所述電容C7的另一端接線圈L1的另一端、電源、線圈L2的一端、電容C8的一端，所述電容C8的另一端接所述線圈L2的另一端和MOS管T2，所述線圈L1、線圈L2構成了一個帶中心抽頭的所述三抽頭髮射線圈，在半個周期內若輸入高電平信號經MOS管T1門極，則MOS管T1導通，電流Ia流經線圈L1，能量由線圈L1發射出去，MOS管T2經過三極體Q1反向後MOS管T2端為低電平信號，則MOS管T2為高阻斷狀態；在另半個周期內若輸入高電平信號經MOS管T2門極，則MOS管T2導通，電流Ib流經線圈L2，能量由線圈L2發射出去，這時MOS管T1門極電壓為低電平信號，則MOS管T1為高阻斷狀態，電流Ia與Ib輪流出現。
優選地，還包括射頻接收模塊和射頻發射模塊，所述射頻接收模塊安裝在軌道一側，所述射頻發射模塊安裝在列車的車頭和車尾。
本實用新型的有益效果是:與現有技術相比較，1、本裝置發射線圈採用平面螺旋式繞法，使得匝與匝之間保持在一個平面上緊密結合，L＝[(D×D)×(N×N)]/[(18×D)+(40×W)]，N-----是線圈的匝數，D-----是線圈的直徑，W------是線圈從一端到另一端的寬度，L是電感。電感隨著線圈的直徑增加，電感隨著線圈匝數的平方增加，3倍的匝數產生9倍的電感。匝數為二到四匝，到減小寄生電容對其的影響，繞制材料選用材質較純的銅管，因為頻率越高趨膚效應越強烈，在高頻下使用銅管和採用平面螺旋式繞制線圈同等電感阻抗下節約了有色金屬材料，並聯真空電容使頻率可調製為f。使用平面螺旋式繞法，使得線圈之間面與面的傳遞能量，而不是上述文獻中點與點的傳遞能量，進而平面螺旋式可以解決上述對心困難，並解決對心困難引起的能量劇烈波動。
2、發射線圈沿軌道分段鋪設，現採用電磁諧振技術，增加了若干個諧振線圈，諧振線圈繞制材料選用材質較純的銅管，匝數為兩匝，並聯真空電容使頻率調製為f，諧振線圈與外部電源沒有連接，諧振線圈與供電端發射線圈垂直於軌道架設部分埋於地下使負載從線圈內部穿梭。能量通過空間磁場傳遞，能量從發射線圈向兩旁諧振線圈傳遞,電源模塊給發射模塊和發射線圈分別供電，發射模塊作為本裝置的磁場激勵模塊為本裝置控制電路提供方波信號。帶中心抽頭的三抽頭髮射線圈由電源模塊直接供電，並把發射模塊激勵的方波信號通過自身發射出去，利用諧振線圈作為本裝置的電能傳輸中繼，使的在一定傳輸距離下提高效率。
3、採用改進過的甲乙類推挽功率放大器電路，就解決了開關特性難以完全一致導致的開關管極易燒毀的現象，通過改用帶中心抽頭的三抽頭線圈，使開關管的用量減少一半，工作頻率也得到了提高，進而工作效率也隨之提高。在管子型號相同時，乙類推挽放大器的輸出功率可以提高到單管功率放大器的六倍左右。為解決這些問題，本實用新型利用無線電能諧振傳輸技術向地鐵列車提供穩定、可靠的電能，且節約能源。
附圖說明
圖1為本實用新型的系統框圖；
圖2為本實用新型中的高頻發射模塊原理圖；
圖3為本實用新型整體的示意圖；
圖4為本實用新型能量衰減示意圖；
圖5為本實用新型中平面螺旋式線圈示意圖；
圖6為現有技術中螺線管式線圈示意圖；
圖7為現有技術中全橋式隔離電壓變換器電路。
具體實施方式
下面結合附圖及較佳實例詳細說明本實用新型的具體實施方式。如圖1-圖5所示，一種無線傳輸地鐵供電系統，包括電源1、電源控制模塊2、高頻發射模塊3、三抽頭髮射線圈4、諧振線圈組5、接收線圈6、高頻接收模塊7、電源管理模塊8、列車蓄電池(即為負載9)；所述電源為本裝置提供能量來源；
電源控制模塊用於控制電源是否給高頻發射模塊供電，還具有調節電源電壓穩定等作用；
所述高頻發射模塊選用功率振蕩電路產生高頻交變電流；
所述三抽頭髮射線圈把高頻電流轉換為高頻磁場發射出去；所述三抽頭髮射線圈採用平面螺旋式結構，使得匝與匝之間保持在一個平面上緊密結合；所述三抽頭髮射線圈沿著軌道分段鋪設且垂直於軌道，三抽頭髮射線圈的下部埋於地下，列車從三抽頭線圈內部穿過；本裝置發射線圈採用平面螺旋式繞法，使得匝與匝之間保持在一個平面上緊密結合，L＝[(D×D)×(N×N)]/[(18×D)+(40×W)]，N-----是線圈的匝數，D-----是線圈的直徑，W------是線圈從一端到另一端的寬度，L是電感。電感隨著線圈的直徑增加，電感隨著線圈匝數的平方增加，3倍的匝數產生9倍的電感。匝數為二到四匝，到減小寄生電容對其的影響，繞制材料選用材質較純的銅管，因為頻率越高趨膚效應越強烈，在高頻下使用銅管和採用平面螺旋式繞制線圈同等電感阻抗下節約了有色金屬材料，並聯真空電容使頻率可調製為f。使用平面螺旋式繞法，使得線圈之間面與面的傳遞能量，而不是上述文獻中點與點的傳遞能量，進而平面螺旋式可以解決上述對心困難，並解決對心困難引起的能量劇烈波動。
所述諧振線圈組組成能量傳輸中繼通道，諧振線圈組布置在所述三抽頭髮射線圈的兩側；數量不為定值，可以根據實際需要增加諧振線圈的數量；
所述接收線圈把空間高頻交變磁場接受轉換為高頻電流，線圈採用純度較高的銅質材料製成，所述接收線圈同樣採用平面螺旋式結構，接收線圈固定在每節車廂連接處的車框內部；線圈諧振頻率為f，
線圈的諧振頻率的調節方法是根據，通過改變真空電容的大小來改變諧振頻率，使線圈之間諧振頻率都為同一個頻率f。
列車在接近發射線圈到離開發射線圈的過程中，能量傳遞示意圖曲線如圖3所示，a為諧振式能量衰減曲線，b為感應式能量衰減曲線。諧振式無線傳輸系統與感應式無線傳輸系統能量傳輸時間長，能量傳輸效率高。
所述三抽頭髮射線圈、諧振線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率特性；
所述高頻接收模塊把收集的高頻電磁波轉化為電能；所述電源管理模塊對轉化的電能進行管理供列車蓄電池使用。
做為本實用新型的進一步改進，所述高頻發射模塊包括高頻信號發生電路、甲乙類推挽功率放大電路、發射電路；
所述高頻信號發生電路由電容C1-電容C4、三極體Q2、電阻R1-R4、線圈L3組成的電容三點式振蕩信號發生電路；甲乙類推挽功率放大電路由電容C1、電容C6、三極體Q1、R5-R8、MOS管T1、MOS管T2構成；以上兩種電路都為現有電路，具體結構如電路圖所示。
所述發射電路由電容C7、電容C8、線圈L1、線圈L2組成，所述電容C7的一端分別接甲乙類推挽功率放大電路的MOS管T1和線圈L1的一端，所述電容C7的另一端接線圈L1的另一端、電源、線圈L2的一端、電容C8的一端，所述電容C8的另一端接所述線圈L2的另一端和MOS管T2，所述線圈L1、線圈L2構成了一個帶中心抽頭的所述三抽頭髮射線圈，在半個周期內若輸入高電平信號經MOS管T1門極，則MOS管T1導通，電流Ia流經線圈L1，能量由線圈L1發射出去，MOS管T2經過三極體Q1反向後MOS管T2端為低電平信號，則MOS管T2為高阻斷狀態；在另半個周期內若輸入高電平信號經MOS管T2門極，則MOS管T2導通，電流Ib流經線圈L2，能量由線圈L2發射出去，這時MOS管T1門極電壓為低電平信號，則MOS管T1為高阻斷狀態，電流Ia與Ib輪流出現。由於電磁感應得到的仍是一個正負交變的交流信號，正負半周都具有，基本上波形信號不失真輸出，從而達到推挽放大輸出。採用改進過的甲乙類推挽功率放大器電路，就解決了開關特性難以完全一致導致的開關管極易燒毀的現象，通過改用帶中心抽頭的三抽頭線圈，使開關管的用量減少一半，工作頻率也得到了提高，進而工作效率也隨之提高。在管子型號相同時，乙類推挽放大器的輸出功率可以提高到單管功率放大器的六倍左右。為解決這些問題，本實用新型利用無線電能諧振傳輸技術向地鐵列車提供穩定、可靠的電能，且節約能源。
還包括射頻接收模塊10和射頻發射模塊11，所述射頻接收模塊安裝在軌道一側，所述射頻發射模塊安裝在列車的車頭和車尾。射頻接收模塊、射頻發射模塊採用射頻技術，使得線圈在列車通過的時刻分段供電，這樣列車達到哪段線圈，立即開啟此段線圈的輸出同時將關閉前一段線圈的輸出，起到節約電能的作用。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。