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CN102576601A - 用于无接触能量传输的电感器导体及其在车辆上的应用 - Google Patents

用于无接触能量传输的电感器导体及其在车辆上的应用 Download PDF

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CN102576601A CN2010800420760A CN201080042076A CN102576601A CN 102576601 A CN102576601 A CN 102576601A CN 2010800420760 A CN2010800420760 A CN 2010800420760A CN 201080042076 A CN201080042076 A CN 201080042076A CN 102576601 A CN102576601 A CN 102576601A
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Abstract

本发明涉及一种用于从至少一个第一装置到至少一个第二装置，例如从行车线路的电流供应装置到磁悬浮列车，无接触传输电能的电感器导体(1)。电感器导体(1)具有多个单导体(7)，所述单导体沿着纵向(6)布置。在沿着单导体(7)的纵向(6)的周期性重复的区域(11，12)中将单导体(7)划分为至少两个空间上互相分离的部分(8)并且与未划分的单导体(7)相邻布置，由此形成电容器。此外，本发明还涉及一种用于例如在车辆中使用电感器导体(1)的方法，其中电感器导体(1)作为变压器的初级绕组起作用。

Description

用于无接触能量传输的电感器导体及其在车辆上的应用
技术领域
本发明涉及一种用于从至少一个第一装置到至少一个第二装置无接触传输电能的电感器导体。电感器导体具有多个单导体，所述单导体分别由电绝缘体部分地或完全地包围并且所述单导体沿着纵向布置。此外，本发明还涉及一种使用电感器导体的方法。
背景技术
对于车辆上牵引和/或辅助驱动供电的电能的无接触传输按照电磁相互作用基本原理进行。系统如通常的变压器那样工作。在变压器中初级和次级电路位于一个共同的封闭的铁磁性的铁芯上，在目前实施的无接触供能系统中(例如Vahle CPS、或Inductive Power Supply Transrapid TR 09)初级绕组沿着行车路径实施为长的导体回路并且次级绕组安装在包围(“pick up，拾取”)该导体回路的打开的铁磁性铁芯上。
无接触能量传输要求磁场，该磁场通过在初级部分的导体回路中的电流保障。通过逆变器以尽可能高的频率进行馈入，以便尽可能小地保持电感的体积。为了补偿导体回路的电感，将电容器以有规律的距离与串联振荡电路串联连接。该串联振荡电路被调谐到运行频率，例如20kHz并且在该频率下对于馈入显示纯欧姆负载。
采用的离散实施的电容器由于在外部区域中通常的环境条件、由于其温度依赖性和由于老化而导致振荡电路的失谐。此外，电容器的故障还导致在所涉及的片段中的车载能量传输系统(Bordenergieübertragungssystem)故障。
发明内容
按照本发明的用于从至少一个第一装置无接触传输电能到至少一个第二装置的电感器导体的技术问题是，能够对于电感器导体的纯欧姆特性弃用离散电容器并且能够在降低维护开销的同时提高电感器导体的或在使用电感器导体的条件下构造的无接触能量传输系统的稳健性和由此的可靠性。此外，按照本发明的用于使用电感器导体的方法的技术问题是提供一种对装置无接触供以能量的简单、稳定并低成本的可能性。
关于用于从至少一个第一装置无接触传输电能到至少一个第二装置的电感器导体的所述技术问题通过权利要求1的特征来解决，并且关于用于使用电感器导体的方法的技术问题通过权利要求12的特征来解决。
按照本发明的用于从至少一个第一装置无接触传输电能到至少一个第二装置的电感器导体的和用于使用电感器导体的方法的有利构造从分别对应的从属权利要求中得到。在此可以将主权利要求的特征与从权利要求的特征组合和/或将从属权利要求的特征互相组合。
按照本发明的用于从至少一个第一装置无接触传输电能到至少一个第二装置的电感器导体具有多个单导体。单导体分别由电绝缘体部分地或完全地包围并且沿着纵轴布置。在沿着单导体的纵向的至少一个周期性重复的第一区域中将至少一个单导体划分为至少两个空间上互相分离的部分。该至少两个部分分别机械地经由不导电的绝缘桥互相连接。
通过被划分的部分形成电容，所述电容能够补偿单导体的电感。形成串联振荡电路，该串联振荡电路例如通过选择长度和通过选择在区域中被划分的和未被划分的单导体的距离以及通过其横截面和绝缘材料可以被调谐到运行频率，例如20kHz。电感器导体由此可以表示纯欧姆的负载，而无需将附加的离散电容器嵌入到电感器导体中。由此可以防止在离散电容器例如由于环境影响而老化的情况下发生振荡电路的失谐或可以在时间上延迟这种效应。这样在降低对于电感器导体的维护开销的同时提高电能从至少一个第一装置到至少一个第二装置的无接触传输的稳健性和由此的可靠性。
为了加强这种效果，可以将第一区域中的多个单导体分别被划分为至少两个在空间上互相分离的部分并且多个单导体的分离的部分可以基本上平行于在第一区域中没有被划分的至少一个单导体沿着纵向布置。
在此，基本上平行包括多个单导体互相扭绞或互相交织在一起。
在第一区域中被划分为至少两个空间上互相分离的部分的每个单导体可以与在第一区域中未被划分的单导体相邻布置。在至少一个第一区域中没有被划分的单导体可以在至少一个周期性重复的第二区域中被划分为至少两个空间上互相分离的部分并且在第一区域中被划分为至少两个空间上互相分离的部分的单导体可以在至少一个第二区域中不被划分。在一个区域中的单导体的互相分离的部分可以与至少一个在相同区域中未被划分的单导体结合形成电容器。
形成在分离的部分上的电容和单导体的电感的串联电路，并且该布置允许代替或弃用与电感器导体以有规律的距离电连接的离散的电容器。
互相分离的部分的末端可以倒圆。特别是它们可以具有半球的形状。由此避免或减小在末端上的过压。过压会导致电击穿并且导致在导体部分之间的绝缘损坏。减小或防止过压危险允许在单导体更小绝缘厚度的情况下更高的电压。
单导体可以由铜和/或铝组成或者包含铜和/或铝。这些材料在电流流过的运行状态下产生小的欧姆电阻。电感器导体可以沿着纵向由绝缘体、特别是塑料包围。塑料将电感器导体与环境隔离，以防电击并且保证几何上的长时间固定。这是一种便宜且可简单加工的材料，其持续经受环境影响。
分离的部分可以具有基本上相同的长度a，特别是在10-100m范围内的长度a。绝缘体桥同样可以具有基本上相同的长度b，特别是在1-10cm范围内的长度b。单导体的横截面的面积可以分别相等和/或位于0.75mm2至1.5mm2的范围内。在相应选择参数的情况下将串联振荡电路在运行频率下调谐到电感器导体的纯欧姆特性。在此对于电容的参数来说，距离和位于在一个区域中被划分的和在该区域中未被划分的单导体之间的绝缘材料是重要的。
多个单导体的电感和至少一个电容器的电容可以串联连接。但是通过单个的单导体互相部分绝缘也可以实现其它接线。还可以在接线中将外部的离散电容器附加地引入电感器导体中。这点例如可以对于细调或者在可变运行频率下进行。
电容器导体可以以长的导体回路的形式布置。由此电感器导体在用于应用前面描述的电感器导体的方法中可以作为变压器的初级绕组起作用。由此如果至少一个第二装置具有次级绕组，则能量传输可以按照在至少一个第一和至少一个第二装置之间的变压器原理进行。
作为至少一个第二装置，可以使用车辆。电感器导体可以沿着车辆的行车路径布置。由此可以在沿着行车路径的电感器导体和车辆之间进行无接触的电能传输。
作为至少一个第一装置，可以使用静止的能量供应装置，特别是静止的变流器。
该方法例如可以在磁悬浮列车中使用。在此该方法特别稳健并且成本低，因为节省了沿着行车线路的外部电容器并且由此还可以不受环境影响。通过节省外部的离散电容器防止了用于产生电感器导体的纯欧姆负载的振荡电路的失谐。避免了电容器的故障，并且由此避免了例如Transrapids的车载供电系统的故障。
对于按照本发明的用于使用前面描述的电感器导体的方法，得到前面提到的、与按照本发明的用于无接触传输电能的电感器导体相关的优点。
附图说明
以下借助附图详细解释具有按照从属权利要求的特征的有利扩展的本发明的优选实施方式，但不限制于此。
附图中：
图1示出了由单导体或导体绞合线组成的电感器导体，具有按照现有技术的串联连接的电容器，和
图2示出了图1中的布置的等效电路图，和
图3示出了被划分为两个部分的单导体与按照本发明的电感器导体的未被划分的单导体相结合，和
图4示出了图3中的按照本发明的布置的等效电路图，并且
图5示出了按照本发明的电感器导体，具有交替地在第一和第二区域中被划分的单导体。
具体实施方式
图1示出了具有离散电容器3的按照现有技术的电感器导体1。电容器3周期性地互相以相等距离l布置并且经由导电线互相连接。导电线由作为单导体的多个沿着纵向6布置的导体绞合线2组成。导体绞合线2可以互相平行布置或者互相扭绞，即，基本上互相平行布置。形成导电线的导体绞合线2束的外圆周通常由绝缘体包围。作为绝缘体，可以使用例如塑料的材料。
导体绞合线2在现有技术中在电容器3之间穿过地构造并且可以互相绝缘。作为材料，对于导体绞合线2通常使用铜或铝。绞合线2具有圆形截面，面积在1mm2或更小的范围内。
图2示出了图1的电感器导体1的等效电路图。在离散的电容器3之间的导体绞合线2具有电感4和欧姆电阻5。借助串联连接的电容器3，与电感4组合形成串联振荡电路，并且在交流场应用中可以根据频率f这样选择电容器3，使得感性阻抗4和容性阻抗3互补。容性补偿的电感器导体1具有纯欧姆特性。由此电感器导体1的电损耗最小化为导体阻抗5的欧姆损耗。然而外部影响随着时间导致离散电容器3的老化并且由此导致振荡电路的失谐。因此会出现附加的电损耗。
图3示出了按照本发明的电感器导体1的截面。单导体7被划分为两个部分8，在两个部分8之间具有绝缘体。两个部分8机械地经由绝缘体相连，其中在两个部分8之间的绝缘体形成机械的绝缘体桥9。这在电感器导体1的机械负担的情况下或者在单导体7的扭绞的情况下导致在两个部分8之间的恒定的或基本上恒定的距离。例如在单导体7互相扭绞或交织的情况下，与一个单导体7的这两个部分8平行或基本上平行地布置单导体7，后者在这两个部分8的绝缘体桥9的区域中连续地、即在导体中无中断或间隙地构造。
单导体7和一个单导体7的分离的部分8分别由绝缘体在其圆周上包围，该绝缘体通常由塑料构成并且以在1mm和更小的范围中的厚度或壁厚构成。塑料例如以软管形式构成，其紧邻地包围着铜或铝电缆。电缆通常具有在0.75mm2至1.5mm2范围中的横截面积的圆形横截面。在部分8的末端是倒圆的，例如其可以具有半球形状。由此避免了在末端的过压。部分8的末端通过绝缘体桥9电绝缘地或也可以由塑料层和/或塑料软管完全覆盖。绝缘体(塑料)形成电容器10的电介质。
在图3示出的区域中，部分8和连续的单导体7互相具有距离，该距离取决于围绕单导体7或单导体7的部分8的绝缘体的厚度。距离通常等于围绕单导体7或单导体7的部分8的绝缘体的双倍厚度。该距离比绝缘体桥9的长度小得多。由此单导体7的一个部分8的末端分别与在示出的区域中相邻的连续的单导体7结合作为电容器起作用。
图4示出了在图3中示出的按照本发明的电感器导体1的截面的等效电路图。在图3中示出的单导体部分8的两个末端电容性地经过相邻的连续的单导体7耦合。空间上互相分离的部分8的电容(其机械地经由绝缘体桥9互相连接并且按照间隔地固定)除了别的之外还通过绝缘体材料和通过在在区域中连续的单导体7和分离的单导体7的各一个部分8之间的距离来确定。
图5示出了在电感器导体1中图3所示的单导体7的布置的实施例。在此单导体7的一个部分8的长度a可以位于几十米的范围中。绝缘体桥或两个部分8互相之间的距离的长度b可以位于几厘米的范围中，特别是1cm。电感器导体1由两个周期性地交替的区域11和12构成。
在区域11或12中布置了一系列在区域中连续的单导体7和单导体7的部分8，类似于在图3中示例性示出的连续的单导体7和单导体部分8的对。在接下来的区域12或11中，被划分的单导体7连续地构造，而在区域11或12中连续地构造的单导体7被划分地构造。区域11和12分别交替并且具有相等的长度。由此在区域11或12中所有单导体7被划分地构造，并且分别在另外的区域12或11中未被划分地构造。单导体7的整个系统可以互相扭绞，其中通过绝缘体桥9才实现扭绞并且在扭绞的情况下确保分别在两个部分8之间相同的距离。因为在电感器导体1中所有单导体7在区域11或12中被划分或者具有电绝缘的桥9，所以电感器导体1如具有串联连接的电容器的电感器导体1那样工作。
如图5所示具有优势的是，绝缘体桥9在区域11、12中分别布置在沿着纵向6的位置上。在电感器导体1中在“电容器”之间的有效距离然后分别相应于在区域11中的位置和区域12中的位置之间的距离，实际上电容器由沿着整个长度平行延伸的导体组构成。如图5所示，在周期性的结构情况下该距离相应于a+b和的一半，或者该距离由于a的大得多的值基本上相应于长度a/2。通过空间上分离的部分8与经由在区域11、12中分别连续的单导体7连接的电容10、并且通过单导体7或部分8的电感以及欧姆电阻形成振荡电路的串联电路。在合适选择单导体7的横截面以及材料及其绝缘的情况下，并且通过合适选择部分8的长度和末端以及绝缘体桥9的几何特征，可以这样设置振荡电路，使得取消电容性和电感性分量并且电感器导体1作为整体具有纯欧姆损耗。可以节省离散电容器3并且由此防止由于离散电容器3经过环境影响的老化造成的振荡电路的失谐。
电感器导体1或两个电感器导体1(来和回导体)可以沿着车辆的行车路径以具有沿着行车方向的长度伸展的导体回路的形式布置。在此电感器导体1形成初级线圈，其布置在行车路径的平面中。电感器导体1可以与提供电能的第一装置电连接。这样例如一个或多个电厂、蓄电池、太阳能电池、风力发电设备或其他产生能量的或存储能量的装置经由用于将频率转换到电感器导体1的共振频率的变流器与电感器导体1电连接并且对其提供能量。通过磁场和感应，该能量可以无接触地被传输到第二装置，例如车辆。因此例如如果电感器导体1安装在磁悬浮列车的行车路径中并且磁悬浮列车沿着行车连接运动，则磁悬浮列车可以通过电感器导体1被提供能量，特别是用于驱动和用于控制。在此还可以使用多个电感器导体1，其中导体回路可以“互相交错地”布置。在此可以弃用离散的补偿电容器3，因为单导体7的在一个区域中分离的部分8与相邻的在该区域中连续的单导体7连接的电容10可以补偿单导体7的电感4。作为在没有负载的情况下的电损耗(其中负载例如通过车辆的能量吸收而形成)仅出现电感器导体1的欧姆电阻和在环境中、例如在钢铠装(Stahlamierng)中的涡流损耗。

Claims (16)

1.一种用于从至少一个第一装置到至少一个第二装置无接触传输电能的电感器导体(1)，其中，所述电感器导体(1)具有多个单导体(7)，所述单导体分别由电绝缘体部分地或完全地包围，并且所述单导体沿着纵向(6)布置，其特征在于，在沿着单导体(7)的纵向(6)的至少一个周期性重复的第一区域(11)中，将至少一个单导体(7)划分为至少两个空间上互相分离的部分(8)。
2.根据权利要求1所述的电感器导体(1)，其特征在于，所述至少一个单导体(7)的至少两个部分(8)分别机械地经由不导电的绝缘桥(9)互相连接。
3.根据权利要求1或2所述的电感器导体(1)，其特征在于，在所述第一区域(11)中的多个单导体(7)被分别划分为至少两个在空间上互相分离的部分(8)，并且多个单导体(7)的分离的部分(8)基本上平行于在该第一区域(11)中没有被划分的至少一个单导体(7)沿着纵向(6)布置。
4.根据上述权利要求1至3中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，在所述第一区域(11)中被划分为至少两个空间上互相分离的部分(8)的每个单导体(7)与在该第一区域(11)中未被划分的单导体(7)相邻布置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，在至少一个第一区域(11)中没有被划分的单导体(7)在至少一个周期性重复的第二区域(12)中被划分为至少两个空间上互相分离的部分(8)，并且在所述第一区域(11)中被划分为至少两个空间上互相分离的部分(8)的单导体(7)在所述至少一个第二区域(12)中不被划分。
6.根据权利要求3至4中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，至少一个电容器是通过在一个区域(11，12)中的单导体(7)的互相分离的部分(8)与至少一个在相同区域(11，12)中未被划分的单导体(7)结合而形成的。
7.根据权利要求6所述的电感器导体(1)，其特征在于，多个单导体(7)的电感(4)和至少一个电容器(10)的电容串联。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，互相分离的部分(8)的各个末端被倒圆，特别是具有基本上半球的形状。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，多个单导体(7)被互相扭绞和/或互相交织在一起。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，所述单导体(7)由铜和/或铝组成或者包含铜和/或铝，和/或所述电感器导体(1)沿着纵向(6)在其外圆周上由绝缘体包围。
11.根据权利要求10所述的电感器导体(1)，其特征在于，所述绝缘体包括塑料和/或纤维合成材料，特别是GFK，和/或所述绝缘体围绕所述电感器导体(1)构造为形状稳定的绷带形式。
12.根据上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，所述分离的部分(8)具有基本上相同长度a，特别是在几十米范围内的长度a，和/或所述绝缘体桥(9)具有基本上相同的长度b，特别是在几厘米范围内的长度b，和/或所述单导体(7)的横截面的面积分别是相等的和/或位于0.75mm2至1.5mm2的范围内。
13.根据上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)，其特征在于，所述电感器导体(1)以长的导体回路的形式布置。
14.一种用于使用按照上述权利要求中任一项所述的电感器导体(1)的方法，其特征在于，所述电感器导体(1)作为变压器的初级绕组起作用。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使用车辆、特别是磁悬浮列车作为所述至少一个第二装置，和/或静止的能量供应装置、特别是变流器由所述至少一个第一装置包围。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述电感器导体(1)沿着车辆的行车路径布置，并且在电感器导体(1)和车辆之间进行无接触的电能传输。
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