一种高速直线推进和无线电能传输兼用的系统及方法与流程

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种高速直线推进和无线电能传输兼用的系统及方法。


背景技术：

2.高速磁悬浮列车通常采用直线同步电机和磁悬浮技术实现列车与轨道的无接触牵引运行，磁悬浮列车的供电问题成为制约高速磁浮列车的关键难题。目前的供电方式为重新铺设一套无线电能传输用的专用线圈，但是会额外增加系统成本。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种高速直线推进和无线电能传输兼用的系统及方法，能够解决现有的高速磁悬浮列车供电成本高的技术问题。
4.本发明的一方面，提供了一种高速直线推进和无线电能传输兼用的系统，所述系统包括定子线圈、动子磁体、无线电能接收线圈、发射变流装置和接收变流装置；所述定子线圈和所述发射变流装置设置于固定设备上，所述定子线圈和所述发射变流装置连接，所述动子磁体、所述无线电能接收线圈和所述接收变流装置设置于运动设备上，所述无线电能接收线圈和所述接收变流装置连接，所述动子磁体和所述无线电能接收线圈间隔排布设置并与所述定子线圈相对应；
5.所述发射变流装置用于产生低频电流和高频电流，并对低频电流和高频电流进行耦合，输出耦合后的低频电流和高频电流至所述定子线圈；
6.所述定子线圈用于接收耦合后的低频电流和高频电流；
7.所述动子磁体用于根据所述定子线圈上的低频电流通过电磁感应原理产生推进力以推进运动设备运动；
8.所述无线电能接收线圈用于根据所述定子线圈上的低频电流和高频电流感应出低频电压和高频电压；
9.所述接收变流装置用于滤除所述无线电能接收线圈感应出的低频电压，并对所述无线电能接收线圈感应出的高频电压进行处理得到滤波后的直流电压为运动设备供电。
10.优选的，所述发射变流装置包括高频变流器、推进变流器、第一变压器和第二变压器，所述高频变流器用于产生高频电流，所述推进变流器用于产生低频电流，所述第一变压器的输入端与所述高频变流器的输出端相连，所述第二变压器的输入端与所述推进变流器的输出端相连，所述第一变压器的输出端与所述第二变压器的输出端并联连接，所述第一变压器和所述第二变压器用于对低频电流和高频电流进行耦合，并输出耦合后的低频电流和高频电流至所述定子线圈。
11.优选的，所述接收变流装置包括电容补偿选频器、整流器和支撑电容，所述电容补偿选频器的输入端与所述无线电能接收线圈相连，输出端与所述整流器的输入端相连，所述支撑电容的输入端与所述整流器的输出端相连，输出端与运动设备相连，所述电容补偿
选频器用于滤除所述无线电能接收线圈感应出的低频电压，所述整流器用于将所述无线电能接收线圈感应出的高频电压转化为直流电压，所述支撑电容用于对直流电压进行滤波得到滤波后的直流电压。
12.优选的，所述整流器为可控整流器或二极管不控整流器。
13.优选的，所述接收变流装置还包括电压传感器，所述电压传感器与所述支撑电容并联连接，所述电压传感器用于将测量的电压反馈给所述高频变流器进行比例积分调节，以调整所述高频变流器产生高频电流的大小。
14.优选的，所述定子线圈与所述无线电能接收线圈相互平行，且两者的中心线对齐，所述定子线圈的宽度与所述无线电能接收线圈的宽度相同。
15.优选的，所述动子磁体为永磁体、超导磁体或电励磁。
16.优选的，所述无线电能接收线圈中设有磁芯。
17.本发明的另一方面，提供了一种高速直线推进和无线电能传输兼用的方法，所述方法包括：
18.发射变流装置产生低频电流和高频电流，并对低频电流和高频电流进行耦合，输出耦合后的低频电流和高频电流至定子线圈；
19.定子线圈接收耦合后的低频电流和高频电流；
20.动子磁体根据定子线圈上的低频电流通过电磁感应原理产生推进力以推进运动设备运动；
21.无线电能接收线圈根据定子线圈上的低频电流和高频电流感应出低频电压和高频电压；
22.接收变流装置滤除无线电能接收线圈感应出的低频电压，并对无线电能接收线圈感应出的高频电压进行处理得到滤波后的直流电压为运动设备供电；
23.其中，定子线圈和发射变流装置设置于固定设备上，动子磁体、无线电能接收线圈和接收变流装置设置于运动设备上，动子磁体和无线电能接收线圈间隔排布设置并与定子线圈相对应。
24.优选的，该方法还包括：电压传感器测量接收变流装置输出端的电压并反馈至发射变流装置进行比例积分调节，以调整所产生的高频电流的大小。
25.应用本发明的技术方案，在定子线圈中通入满足牵引需求的低频电流并叠加满足无线电能传输的高频电流，同时，在运动设备上设置间隔排布的动子磁体和无线电能接收线圈，通过各自电路选频利用电磁能量，既能满足正常电磁推进的需求，又具有无线电能传输的功能。
附图说明
26.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。
27.图1示出了根据本发明一种实施例的高速直线推进和无线电能传输兼用的系统示意图；
28.图2示出了根据本发明一种实施例的定子线圈、动子磁体和无线电能接收线圈的结构布置图；
29.图3示出了根据本发明一种实施例的发射变流装置的结构示意图；
30.图4示出了根据本发明一种实施例的高频变流器和推进变流器各自的电流；
31.图5示出了根据本发明一种实施例的高频变流器和推进变流器耦合后的电流；
32.图6示出了根据本发明一种实施例的接收变流装置的结构示意图；
33.图7示出了根据本发明一种实施例的通过电容补偿选频器选频后的电压；
34.图8示出了根据本发明一种实施例的高速直线推进和无线电能传输兼用的方法的流程图。
35.附图标记说明
36.10、定子线圈；
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20、动子磁体；
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30、无线电能接收线圈；
37.40、发射变流装置；
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41、高频变流器；
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42、推进变流器；
38.43、第一变压器；
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44、第二变压器；
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50、接收变流装置；
39.51、电容补偿选频器；
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52、整流器；
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53、支撑电容；
40.54、电压传感器；
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55、电流传感器。
具体实施方式
41.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。
42.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。
43.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。
44.图1示出了根据本发明一种实施例的高速直线推进和无线电能传输兼用的系统示意图。如图1所示，本发明提供了一种高速直线推进和无线电能传输兼用的系统，所述系统包括定子线圈10、动子磁体20、无线电能接收线圈30、发射变流装置40和接收变流装置50；所述定子线圈10和所述发射变流装置40设置于固定设备上，所述定子线圈10和所述发射变
流装置40连接，所述动子磁体20、所述无线电能接收线圈30和所述接收变流装置50设置于运动设备上，所述无线电能接收线圈30和所述接收变流装置50连接，所述动子磁体20和所述无线电能接收线圈30间隔排布设置并与所述定子线圈10相对应；
45.所述发射变流装置40用于产生低频电流和高频电流，并对低频电流和高频电流进行耦合，输出耦合后的低频电流和高频电流至所述定子线圈10；
46.所述定子线圈10用于接收耦合后的低频电流和高频电流；
47.所述动子磁体20用于根据所述定子线圈10上的低频电流通过电磁感应原理产生推进力以推进运动设备运动；
48.所述无线电能接收线圈30用于根据所述定子线圈10上的低频电流和高频电流感应出低频电压和高频电压；
49.所述接收变流装置50用于滤除所述无线电能接收线圈30感应出的低频电压，并对所述无线电能接收线圈30感应出的高频电压进行处理得到滤波后的直流电压为运动设备供电。
50.其中，所述动子磁体20和所述无线电能接收线圈30的间隔排布形式可以有多种。举例来说，若用a代表动子磁体20，用b代表无线电能接收线圈30，则间隔排布形式可以是：ababab
…
、aabbaabb
…
、aaabbbaaabbb
…
、abbabb
…
或baabaa
…
等。
51.本发明在定子线圈10中通入满足牵引需求的低频电流并叠加满足无线电能传输的高频电流，同时，在运动设备上设置间隔排布的动子磁体20和无线电能接收线圈30，通过各自电路选频利用电磁能量，既能满足正常电磁推进的需求，又具有无线电能传输的功能。
52.图2示出了根据本发明一种实施例的定子线圈、动子磁体和无线电能接收线圈的结构布置图。如图2所示，动子磁体20和无线电能接收线圈30采用aabbaabb
…
的形式，在本实施例中，1个动子磁体20和1个无线电能接收线圈对应3个定子线圈，也就是说，1个动子磁体20的长度与1个无线电能接收线圈30的长度之和等于3个定子线圈的长度。图2中的结构布置图仅作为本发明的一个具体实施例，并不用于限制本发明，在本发明中，动子磁体、无线电能接收线圈和定子线圈均可以根据需求设计为任意长度。在实际应用中，可以根据需求设计任意长度和任意数量的动子磁体、无线电能接收线圈和定子线圈。其中，上述的长度方向为运动设备运动的方向。
53.图3示出了根据本发明一种实施例的发射变流装置的结构示意图。如图3所示，所述发射变流装置40包括高频变流器41、推进变流器42、第一变压器43和第二变压器44，所述高频变流器41用于产生高频电流，所述推进变流器42用于产生低频电流，所述第一变压器43的输入端与所述高频变流器41的输出端相连，所述第二变压器44的输入端与所述推进变流器42的输出端相连，所述第一变压器43的输出端与所述第二变压器44的输出端并联连接，所述第一变压器43和所述第二变压器44用于对低频电流和高频电流进行耦合，并输出耦合后的低频电流和高频电流至所述定子线圈10。
54.其中，推进变流器42和高频变流器41一般为三相系统输出。第一变压器43和第二变压器44各自的变压比根据需求进行匹配设计。高频变流器41和推进变流器42各自产生的电流如图4所示。高频变流器41和推进变流器42耦合后的电流如图5所示。
55.图6示出了根据本发明一种实施例的接收变流装置的结构示意图。如图6所示，所述接收变流装置50包括电容补偿选频器51、整流器52和支撑电容53，所述电容补偿选频器
51的输入端与所述无线电能接收线圈30相连，输出端与所述整流器52的输入端相连，所述支撑电容53的输入端与所述整流器52的输出端相连，输出端与运动设备相连，所述电容补偿选频器51用于滤除所述无线电能接收线圈30感应出的低频电压，所述整流器52用于将所述无线电能接收线圈30感应出的高频电压转化为直流电压，所述支撑电容53用于对直流电压进行滤波得到滤波后的直流电压。
56.其中，所述整流器52可以为可控整流器，以调节输出电压，也可以为二极管不控整流器。通过电容补偿选频器51选频后的电压如图7所示。
57.根据本发明的一种实施例，所述接收变流装置50还包括电压传感器54，所述电压传感器54与所述支撑电容53并联连接，所述电压传感器54用于将测量的电压反馈给所述高频变流器41进行比例积分调节，以调整所述高频变流器41产生高频电流的大小。所述接收变流装置50还包括电流传感器55，所述电流传感器55串联连接在所述无线电能接收线圈30和整流器52之间，用于测量电流。
58.根据本发明的一种实施例，所述定子线圈10与所述无线电能接收线圈30相互平行，且两者的中心线对齐，所述定子线圈10的宽度与所述无线电能接收线圈30的宽度相同，这样可以使定子线圈10和无线电能接收线圈30的电磁耦合面积达到最大，以增强电磁耦合能力，提高传输效率。本实施例仅作为本发明的一种优选实施例，并不用于限定本发明，在所述定子线圈10与所述无线电能接收线圈30不相互平行，或两者的中心线不对齐，或所述定子线圈10的宽度与所述无线电能接收线圈30的宽度不相同的情况下，也均可以实现本发明。
59.上述两者对齐的中心线为沿运动设备运动方向的中心线。所述定子线圈10与所述无线电能接收线圈30均可以为矩形、圆角矩形或者多边形。
60.其中，无线电能接收线圈30可以由多组线圈构成，每一组线圈分别与接收变流装置50连接。
61.根据本发明的一种实施例，所述动子磁体20为永磁体、超导磁体或电励磁。所述动子磁体20可以为矩形、圆角矩形或者多边形。
62.根据本发明的一种实施例，所述无线电能接收线圈30中设有磁芯，例如铁氧体，以增强无线电能接收线圈30电磁耦合能力，提高传输效率。
63.下面给出本发明的一种具体实施例对定子线圈10、动子磁体20和无线电能接收线圈30的结构布置进行详细说明。
64.在本实施例中，固定设备为磁悬浮列车轨道，运动设备为磁悬浮列车。定子线圈10可以安装在磁悬浮列车轨道的左右两侧，也可以安装在磁悬浮列车轨道的底部，动子磁体20和无线电能接收线圈30也相应的安装在磁悬浮列车的左右两侧或者磁悬浮列车的底部，以与定子线圈10的位置对应。
65.图8示出了根据本发明一种实施例的高速直线推进和无线电能传输兼用的方法的流程图。如图8所示，本发明提供了一种高速直线推进和无线电能传输兼用的方法，所述方法包括：
66.s1、发射变流装置产生低频电流和高频电流，并对低频电流和高频电流进行耦合，输出耦合后的低频电流和高频电流至定子线圈；
67.s2、定子线圈接收耦合后的低频电流和高频电流；
68.s3、动子磁体根据定子线圈上的低频电流通过电磁感应原理产生推进力以推进运动设备运动；
69.s4、无线电能接收线圈根据定子线圈上的低频电流和高频电流感应出低频电压和高频电压；
70.s5、接收变流装置滤除无线电能接收线圈感应出的低频电压，并对无线电能接收线圈感应出的高频电压进行处理得到滤波后的直流电压为运动设备供电；
71.其中，定子线圈和发射变流装置设置于固定设备上，动子磁体、无线电能接收线圈和接收变流装置设置于运动设备上，动子磁体和无线电能接收线圈间隔排布设置并与定子线圈相对应。
72.根据本发明的一种实施例，该方法还包括：电压传感器测量接收变流装置输出端的电压并反馈至发射变流装置进行比例积分调节，以调整所产生的高频电流的大小。
73.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。
74.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。
75.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。
76.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。