Система электропитания транспортных средств макета
POWER SUPPLY SYSTEM FOR THE VEHICLES OF A SCALE MODEL

Изобретение относится к системам бесконтактного питания транспортных средств, в частности на интерактивных макетах, дорог, улиц, городов...
Известно устройство электропитания электротранспортного средства, см. патент РФ № 2297928, от 27.04.2007. Данное устройство включает источник электрической энергии, к которому присоединен преобразователь частоты, однопроводниковую линию для каждой полосы движения и токоприемники электротранспортных средств. При этом устройство выполнено в виде резонансной электрической системы с резонансной частотой 0,1-100 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-500 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между электроизолированной от земли однопроводниковой линией, установленной в дорожном покрытии или земле в непосредственной близости от поверхности, и токоприемником, установленным под днищем транспортного средства, устройство содержит два резонансных контура, один передающий и один приемный, настроенных на одинаковую частоту f0=0,1-100 кГц, вход передающего контура присоединен к преобразователю частоты, а выход через резонансный повышающий трансформатор и однопроводниковую линию через воздушный зазор - к токоприемнику, токоприемник выполнен в виде тонкого изолированного листа из проводящего материала и установлен на транспортном средстве параллельно однопроводниковой линии, вход второго приемного резонансного контура присоединен к токоприемнику через резонансный понижающий трансформатор, а выход через выпрямитель, аккумулятор и блок управления - к электродвигателю электротранспортного средства. Недостатком данного устройства является нагрев пластины, ввиду чего получается невысокая эффективность системы, и низкий КПД. Еще один недостаток – высокое напряжение питания до 500КВ, в близости от транспортного средства, и возможного контакта с человеком, что может оказаться очень опасным.
В качестве ближайшего аналога можно принять устройство, реализующее бесконтактный способ питания электротранспортных средств, см. патент РФ №2505427 от 27.01.2014. Данное устройство содержит источник электрической энергии, регулируемый по напряжению и частоте преобразователь, соединенный через резонансный конденсатор с низковольтной обмоткой высокочастотного резонансного трансформатора, высоковольтная обмотка которого высокопотенциальным выводом соединена с высоковольтной линией, по которой осуществляется передача электрической энергии от источника к потребителю, а низкопотенциальным выводом высоковольтная обмотка связана с землей. Высоковольтная линия электропередачи соединена с передающей обмоткой, размещенной в электроизоляционном слое, установленном в дорожном покрытии, а другой вывод передающей обмотки соединен с землей, при этом параллельно передающей обмотке подключен резонансный конденсатор. Первая приемная спиральная обмотка, установленная в колесе через резонансный конденсатор и выпрямитель, подключена к накопителю, к которому через второй выпрямитель и резонансный конденсатор подключена вторая приемная спиральная обмотка, расположенная в колесе. Третья приемная прямоугольная обмотка, установленная на изолированной плите и закрепленная на днище кузова транспортного средства, через резонансный конденсатор и выпрямитель подключена также к накопителю энергии, который через силовой блок питания и управления электротранспортным средством соединен с электроприводом электротранспортного средства. Недостатком данного решения является сложность системы и высокая стоимость, ввиду наличия большого количества кабелей питающего контура по всей ширине полосы движения. Приемная катушка располагается в колесе, что конструктивно сильно отличается от нашего, очень сложно и дорого в изготовлении.
Задачей предлагаемого технического решения является создание системы электропитания транспортных средств макета, позволяющего значительно снизить стоимость системы, путем меньшего расхода электроэнергии, а также кабелей, ввиду поперечного расположения приемной катушки над питающем ее проводом.
Технический результат – повышение экономичности системы и КПД.
Технический результат достигается тем, что система электропитания транспортных средств макета, включает: источник питания, генератор частоты, усилитель электрической мощности, передающую систему в виде резонансного контура индуктора и, по меньшей мере одну приемную систему, в виде резонансного контура приемника, устанавливаемую на транспортное средство. При этом резонансный контур индуктора выполнен в виде гибкого провода, уложенного вдоль диэлектрической неметаллической поверхности дороги макета и подключается к конденсаторному блоку, а приемная система, устанавливаемая на транспортное средство, перемещаемого вдоль поверхности дороги макета, выполнена в виде резонансного контура приемника и состоит из поперечно расположенной приемной катушки, намотанной на плоский сердечник из магнитомягкого материала, способного создать достаточно большой магнитный поток на заданной частоте, при этом выводы катушки подключаются к конденсаторному блоку.
Резонансный контур индуктора питает при помощи магнитного поля, по меньшей мере, одно транспортное средство, расположенное над или под поверхностью дороги макета.
Резонанс резонансного контура индуктора настраивается подбором емкости конденсаторного блока в зависимости от общей длины провода индуктора.
Резонанс резонансного контура приемника настраивается подбором емкости конденсаторного блока в зависимости от числа витков катушки.
Транспортное средство питается от резонансного контура приемника посредством преобразователя питания, выполненного из выпрямителя, сглаживающих емкостей и фильтров, и стабилизатора напряжения.
Заявленное изобретение поясняется иллюстрациями фиг.1-5.
На фиг.1 показан общая схема предлагаемой системы.
На фиг.2 показана наглядная схема работы предлагаемой системы.
На фиг.3 показана электрическая схема предлагаемой системы.
На фиг.4 показана диаграмма усилителя электрической мощности.
На фиг.5 показана диаграмма незатухающих колебаний в резонансном контуре.
На фигурах обозначены:
1. Источник питания,
2. Генератор частоты,
3. Усилитель электрической мощности,
4. Резонансный контур индуктора,
5. Резонансный контур приемника,
6. Преобразователь питания потребителя,
7. Потребитель (транспортное средство)
8. Емкость индуктора
9. Электромагнитное поле
10. Емкость приемника
11. Питающий провод индуктора
12. Катушка приемника
Конструктивно устройство включает в себя источник питания постоянного тока 1, генератор регулируемой частоты 2, усилитель электрической мощности 300 Ватт 3, резонансный контур индуктора 4 в качестве модели автомобильной дороги длинной 10 метров, резонансный контур приемника 5 (помещен в потребители - модели автомобилей в уменьшенном масштабе).
Функционально работа предлагаемой системы заключается в создании переменного магнитного поля определенной частоты вдоль поверхности, настроенной в резонанс с частотой собственных колебаний магнитного поля приемника. Посредством этого в приемнике возникает резонансный ток, который преобразуется для питания потребителя.  Резонансные контуры являются колебательными контурами LC, настроенными на одну частоту, на которой реактивное сопротивление индуктивности равно реактивному сопротивлению ёмкости. Чтобы скомпенсировать потери энергии контура, необходим усилитель электрической мощности, работающий на аналогичной частоте (фиг.4). При подключении генератора частоты к резонансному контуру индуктора, в резонансном контуре возникают незатухающие колебания (фиг.5). В это время в индукторе протекает ток, прямо пропорциональный амплитуде колебаний. Протекающий в индукторе ток, создает магнитное поле вокруг проводников индуктора, которое и передает энергию потребителям. Упрощенная электрическая схема рабочей модели приведена на фиг.3.
Описание конкретного примера работы предлагаемой системы:
Предлагаемая система реализована в виде макета городской улицы. В макете посередине предполагаемых дорог, вдоль запитываемой диэлектрической неметаллической поверхности, встраивался резонансный контур индуктора 4, выполненный  из гибкого провода ПУВ толщиной 2,5 мм2,  длинной около 10м, с изоляцией из поливинилхлоридного пластика 11,  который подключен к блоку конденсаторов 8. На данный провод подается питание от усилителя 3.  Усилитель, работая совместно с генератором 2, представляет собой преобразователь частоты от внешнего питания 36В. Внешнее питание берется от обычного сетевого блока питания или от любого другого источника постоянного тока на 36В, мощностью не менее 300Вт.  Генератор частоты 2 имеет возможность  регулировки выходной частоты и скважности сигналов, в данном случае настроен на частоту 32КГц со скважностью сигналов 25% (этот параметр настраивается на мощность передающего контура, обычно не более 50%), связанный с ним усилитель 3 повышает мощность сигнала до 300Вт на той же исходной частоте 32КГц. Резонансная частота между усилителем 3 и индуктором 4 настраивается подбором емкости конденсаторного блока в зависимости от общей длинны провода индуктора. Измерив индуктивность провода, по формуле  C=1/(4π²F²L) находим емкость конденсаторов, где F - резонансная частота 32*103Гц, L - индуктивность (в нашем случае около 4*10-6 Гн с учетом прокладки проводов в обе стороны на расстоянии 5 см), C – получившаяся ёмкость (6,2 мкФ).
Ток, протекая по проводу 11 резонансного контура индуктора 4 при встречных направлениях токов в проводниках, формирует вокруг них электромагнитное поле 9 с сонаправленными векторами магнитной индукции по оси поперек сечения проводов. Полученное электромагнитное поле преобразуется резонансным контуром приемника 5 в энергию необходимую для движения транспортного средства. Контур приемника состоит из поперечно расположенной на транспортном средстве – потребителе 7 (под транспортным средством – потребителем понимается модель автомобиля или иного средства, перемещаемого по дороге) приемной катушки 12, выводы которой подключаются к конденсаторному блоку 10,  преобразователя питания потребителя 6. Приемная катушка намотана на плоский сердечник из магнитомягкого материала, рекомендован к применению феррит Epcos N87. Резонанс настраивается подбором емкости конденсаторного блока в зависимости от числа витков катушки по той же формуле, что и для емкостей индуктора. В частности, применяется катушка, намотанная 30 витками провода ЛЭШО 60х0,07мм на ферритовый сердечник 25х14х10мм, с подключенной емкостью около 600нФ. Преобразователь питания потребителя 6 подключен к резонансному контуру приемника и выполняется из выпрямителя, сглаживающих емкостей и фильтров, стабилизатора напряжения. Рекомендованы к использованию емкости Murata не менее 10 мкФ с температурным коэффициентом емкости X7R и лучше, проходные стабилизаторы LM1117 или более мощные (в зависимости от потребляемой мощности и напряжения потребителя), быстродействующие диоды Шоттки с возможно более низким падением напряжения (например MBR0540). В данном случае при стабилизированном напряжении 5В потребителю возможно передать до 1 Вт мощности. При увеличении расстояния катушки приемника 12 от питающего провода индуктора 11, мощность приема будет уменьшаться. Это зависит в основном от потребляемой мощности, качества настройки резонанса, качества феррита.