ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
TRANSMISSION OF ELECTRIC POWER TO VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе и способу для передачи электрической энергии на транспортное средство, прежде всего на колейное транспортное средство, такое как легкое рельсовое транспортное средство (например, трамвай).
Уровень техники
Транспортным средствам, в частности колейным транспортным средствам, такие как обычные рельсовые транспортные средства, монорельсовые транспортные средства, троллейбусы и транспортные средства, направляемые по колее другими средствами, например другими механическими, магнитными, электронными и/или оптическими средствами, требуется электрическая энергия, необходимая для приведения их в движение по колее и для работы вспомогательных систем, не создающих тяги транспортного средства. Такими вспомогательными системами являются, например, системы освещения, система отопления и/или кондиционирования воздуха, системы вентиляции и информирования пассажиров. Вместе с тем, следует особо отметить, что настоящее изобретение относится к передаче электрической энергии на транспортное средство, которое не обязательно (но предпочтительно) является колейным транспортным средством. Вообще говоря, транспортное средство может быть, например, транспортным средством, имеющим электрический тяговый двигатель. Транспортное средство также может быть транспортным средством, имеющим гибридную систему привода, например систему, которая может приводиться в действие электрической энергией или другим видом энергии, например энергией из электрохимического источника или энергией топлива (например, природного газа или бензина).
Колейные транспортные средства, в частности транспортные средства для общественного пассажирского транспорта, обычно имеют токоприемник для обеспечения механического и электрического контакта с проходящим вдоль колеи контактным проводником, таким как контактный рельс или подвесная контактная линия (контактный провод). По меньшей мере один тяговый двигатель на борту транспортных средств питается электрической энергией от внешней колеи или линии и вырабатывает механическую энергию движения.
Трамваи и другие поезда местного сообщения или региональные поезда обычно работают в пределах города от подвесных контактных линий. Однако в городах, особенно в их исторических частях, применение подвесных контактных линий является нежелательным. С другой стороны, контактные рельсы в земле или рядом с поверхностью земли создают проблемы в отношении безопасности.
В публикации WO 95/30556 А2 описана система энергоснабжения колесного транспортного средства с электроприводом. Полностью электрифицированное транспортное средство имеет один или несколько бортовых элементов или устройств накопления энергии, которые могут быстро заряжаться энергией, получаемой из электрического тока, например сети электромеханических батарей. Элементы накопления энергии могут заряжаться во время работы транспортного средства. Зарядка осуществляется посредством сети элементов передачи энергии, например катушек, встроенных в дорожное полотно. Для повышения безопасности пассажиров индуктивно нагревающиеся катушки расположены в зонах посадки/высадки пассажиров.
Размещение катушек в заданных местах по длине дорожного полотна имеет тот недостаток, что хранение энергии на борту транспортного средства требует использования аккумулятора большой емкости. Кроме того, если транспортное средство во время не доехало до ближайшей катушки, запас энергии на транспортном средстве для создания тяги или других целей может закончиться. Поэтому, по меньшей мере для некоторых применений, передачу энергии на транспортное средство предпочтительно осуществлять вдоль пути движения, т.е. вдоль колеи, непрерывно.
На индуктивную передачу энергии с колеи на транспортное средство, т.е. на создание электромагнитных полей, накладываются ограничения в отношении ЭМС (электромагнитной совместимости). С одной стороны, электромагнитные поля могут вызывать помехи работе других технических устройств. С другой стороны, люди и животные не должны подвергаться постоянному воздействию электромагнитных полей. По крайней мере, необходимо соблюдать соответствующие предельные значения напряженности поля.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка системы и способа для передачи электрической энергии на транспортное средство, прежде всего на колейное транспортное средство, которые обеспечили бы непрерывную передачу электрической энергии во время движения и способствовали бы соблюдению соответствующих ограничений по ЭМС.
В соответствии с идеей, положенной в основу настоящего изобретения, энергия передается от электрической проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, на транспортное средство, движущееся по этой колее, в отсутствие электрического контакта между транспортным средством и проводниковой структурой. Через проводниковую структуру пропускают переменный ток, который возбуждает соответствующее электромагнитное поле, и это электромагнитное поле используется для передачи электрической энергии на транспортное средство.
Предпочтительно, чтобы проводниковая структура была расположена в колее и/или под колеей, в частности под поверхностью земли, по которой движется транспортное средство. Вместе с тем, изобретение также применимо к случаю, когда по меньшей мере часть проводниковой структуры расположена сбоку от колеи, например, если колея находится в сельской местности или в туннеле.
Частота переменного тока, проходящего по проводниковой структуре, может находиться в диапазоне 5-100 кГц, в частности в диапазоне 10-30 кГц, предпочтительно может составлять около 20 кГц.
Принцип передачи энергии посредством электромагнитных полей имеет то преимущество, что проводниковую структуру можно электрически изолировать от контакта с ней. Например, провода или линии проводниковой структуры могут прокладываться под землей. Пешеход не сможет случайно коснуться подземной линии. Кроме того, решается проблема изнашивания и поломок токоприемников, применяемых для обеспечения контакта со стандартными подвесными контактными линиями или контактными рельсами,
Как это в основном раскрыто в публикации WO 95/30556 А2, транспортное средство, которое движется по колее, может содержать по меньшей мере одну катушку, и в этой катушке электромагнитное поле создает переменное электрическое напряжение, которое может использоваться для работы любой электрической нагрузки в транспортном средстве, такой как тяговый двигатель, или может использоваться для зарядки аккумуляторной системы, такой как обычные батареи и/или суперконденсаторы (ионисторы).
В частности, предлагается система для передачи электрической энергии на колейное транспортное средство, в частности на легкое рельсовое (например, узкоколейное или монорельсовое) транспортное средство, такое как трамвай, содержащая электрическую проводниковую структуру для создания электромагнитного поля и для передачи посредством него энергии на транспортное средство, причем:
- электрическая проводниковая структура содержит по меньшей мере одну линию для пропускания одной фазы переменного тока,
- линия тянется вдоль колеи,
- линия расположена таким образом, что в любой момент времени при прохождении по ней переменного электрического тока она создает ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, имеющих чередующуюся магнитную полярность,
- ряд следующих один за другим магнитных полюсов тянется в направлении движения транспортного средства, определяемом колеей.
В качестве варианта, предлагаемая в изобретении система может характеризоваться следующими признаками:
- система содержит электрическую проводниковую структуру,
- электрическая проводниковая структура содержит по меньшей мере одну линию для пропускания одной фазы переменного тока,
- линия тянется вдоль колеи,
- линия имеет множество отрезков, вытянутых поперек направления движения транспортного средства, определяемого колеей,
- отрезки одной линии расположены в ряд вдоль колеи таким образом, что в любой момент времени при прохождении по линии переменного электрического тока этот переменный ток проходит через следующие один за другим в ряду отрезки в попеременно противоположных направлениях.
Соответствующий способ передачи энергии на транспортное средство характеризуется следующими признаками:
- с помощью электрической проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, создают электромагнитное поле, передавая посредством него энергию на транспортное средство,
- электромагнитное поле создают путем пропускания по меньшей мере фазного тока одной фазы переменного тока по линии электрической проводниковой структуры,
- фазный ток пропускают по линии вдоль колеи таким образом, что в любой момент времени при прохождении фазного тока по линии он проходит поперек направления движения транспортного средства по множеству отрезков линии, причем через первую группу этих отрезков он проходит в первом направлении, а через вторую группу этих отрезков - в противоположном направлении, и отрезки первой группы и второй группы чередуются в направлении движения транспортного средства.
Электрическая проводниковая структура содержит по меньшей мере одну из линий, упомянутых выше. В предпочтительном случае она содержит по меньшей мере две из этих линий, причем каждая линия приспособлена для пропускания одной фазы многофазного переменного тока. На практике предпочтительно, чтобы электрическая проводниковая структура содержала три линии, и чтобы каждая линия была приспособлена для пропускания одной из трех фаз трехфазного переменного тока. Вместе с тем, также возможен вариант, в котором имеется более трех фаз, питающих соответствующее число линий. Магнитные полюсы, создаваемые линиями и/или отрезками различных линий, в любой момент времени располагаются в повторяющейся последовательности, проходящей в направлении движения транспортного средства, причем повторяющаяся последовательность соответствует последовательности фаз. Например, в случае трехфазного переменного тока, имеющего фазы U, V, W, за отрезком, пропускающим фазу U, следует отрезок, пропускающий фазу V, за которым, в свою очередь, следует отрезок, пропускающий фазу W, и эта последовательность фаз U, V, W повторяется несколько раз в направлении колеи, т.е. в направлении движения транспортного средства. Соответствующий пример рассматривается ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
По меньшей мере одна линия в любой момент времени при прохождении по ней переменного электрического тока создает ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, имеющих чередующуюся магнитную полярность. Иными словами: в данный момент времени переменный ток в линии создает - в направлении движения - магнитное поле, вектор которого ориентирован в первом направлении в первой области линии, за которой следует вторая область линии, где вектор магнитного поля ориентирован в направлении, противоположном первому направлению, за которой следует еще одна область линии, где вектор магнитного поля снова ориентирован в первом направлении, и так далее. Однако не всегда первое направление и направление вектора магнитного поля в следующей области линии ориентированы точно в противоположном направлении. Одной причиной этого может быть то, что линия расположена не строго правильным, упорядоченным, повторяющимся образом. Другой причиной могут быть несимметричные факторы влияния других линий проводниковой структуры. Еще одной причиной могут быть внешние электромагнитные поля. Также на результирующее электромагнитное поле влияет транспортное средство, движущееся по колее.
При этом принцип чередующихся магнитных полюсов, создаваемых в любой момент времени одной линией проводниковой структуры, имеет то преимущество, что результирующее электромагнитное поле имеет по бокам проводниковой структуры очень малую напряженность, быстро убывающую с увеличением расстояния до проводниковой структуры. Иными словами, противоположно направленные магнитные поля в областях линии накладываются друг на друга по бокам линии и компенсируют друг друга. Поскольку по обе стороны от колеи желательно иметь очень малую напряженность электромагнитного поля, предпочтителен вариант, в котором по меньшей мере одна линия электрической проводниковой структуры расположена в колее и/или под колеей, причем отрезки линии, которые вытянуты поперек направления движения, проходят в горизонтальной плоскости. В этом контексте понятие "горизонтальная" также охватывает тот случай, когда колея может изгибаться и быть слегка наклоненной. Таким образом, соответствующая "горизонтальная" плоскость отрезков линии также может быть слегка наклонена. Поэтому слово "горизонтальная" относится к стандартному случаю, когда колея проходит в горизонтальной плоскости. То же самое применимо к случаю, в котором колея проходит с уклоном в гору или под гору. Небольшие процентные значения уклона колеи пренебрежимо малы для компенсации магнитных полей по бокам от колеи.
Поскольку напряженность поля по бокам от колеи очень низка, передача энергии на транспортное средство может осуществляться при высокой мощности, и в то же время легко выполняются ограничения по ЭМС (например, предельное значение 5 мкТл для напряженности бокового магнитного поля).
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна линия электрической проводниковой структуры змеевидно проходит вдоль колеи, т.е. за каждым отрезком линии, вытянутым в направлении движения, следует отрезок, который вытянут поперек направления движения, за которым, в свою очередь, снова следует отрезок, вытянутый в направлении движения. В случае многофазной системы предпочтительно, чтобы таким образом были расположены все линии проводниковой структуры. Линия может быть реализована кабелем.
Понятие "змеевидно" охватывает линии, имеющие искривленную конфигурацию и/или имеющие прямые отрезки с резко изогнутыми (в виде изломов) зонами перехода к соседним отрезкам. Прямые отрезки предпочтительны, поскольку они создают более однородные поля.
В частности, переменный ток в указанной по меньшей мере одной линии проводниковой структуры порождает электромагнитную волну, которая движется в направлении движения транспортного средства или в противоположном ему направлении со скоростью, пропорциональной расстоянию между следующими друг за другом магнитными полюсами линии и пропорциональной частоте переменного тока. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере некоторые из отрезков, вытянутых поперек направления движения, а предпочтительно - все эти отрезки были вытянуты на расстояние по ширине, превышающее ширину приемного устройства транспортного средства, находящегося на колее, для приема передаваемой энергии. Например, ширина отрезков может быть больше максимальной ширины транспортных средств, которые могут занимать колею.
Одно преимущество этого варианта осуществления изобретения заключается в том, что переменный ток, протекающий через отрезки линии, создает магнитное поле практически однородной напряженности в той области, где может быть расположено приемное устройство.
Еще один вариант осуществления предлагаемых в изобретении системы или способа гарантирует, что напряженность переменного магнитного поля является постоянной во времени. Для достижения этой цели по меньшей мере одна линия подключена к стабилизированному источнику переменного тока, который выполнен с возможностью питания линии переменным током, среднее значение которого является постоянным (или почти постоянным) вне зависимости от мощности, передаваемой от электрической проводниковой структуры на транспортное средство или на транспортные средства, находящееся(-иеся) на колее.
В предпочтительном варианте выполнения стабилизированного источника переменного тока он содержит электрическое устройство, преобразующее переменное напряжение в переменный ток. Это электрическое устройство может содержать, в каждой линии, входную индуктивность на входной стороне стабилизированного источника тока и выходную индуктивность на выходной стороне стабилизированного источника тока, причем входная сторона соединена с источником напряжения, выходная сторона соединена с расположенными вдоль колеи отрезками линии, каждая линия имеет точку соединения входной и выходной сторон, и каждая точка соединения соединена через емкость с одной общей нейтральной точкой звезды.
Если в данный момент времени источник питания первичной стороны (который питает проводниковую структуру) снабжает энергией только одно транспортное средство, переменное напряжение постоянной величины может прикладываться к электрической проводниковой структуре колейной стороны попеременно. Ввиду наличия только одного транспортного средства исключаются любые взаимные помехи распределения нагрузки. В этом случае переменный ток через проводниковую структуру (вызываемый подачей переменного напряжения постоянной величины) зависит от мощности нагрузки. Поэтому электрические потери электрической проводниковой структуры первичной стороны зависят от нагрузки, и величина тока не постоянна, как в случае (описанном выше) подачи переменного тока постоянной величины.
Источник энергии (или источник питания) может быть (это относится и к другим вариантам выполнения системы) обычным инвертором для получения переменного напряжения из стабилизированного напряжения постоянного тока.
Предпочтительно, чтобы электрическая проводниковая структура была расположена под колеей, например под землей,
В предпочтительном варианте осуществления изобретения линии многофазной проводниковой структуры соединены в нейтральной точке звезды, т.е. линии соединены друг с другом в точке соединения, являющейся общей для всех фаз. Подобная конфигурация с нейтральной точкой звезды особенно проста в реализации и гарантирует, что имеющиеся фазы ведут себя симметрично, т.е. что во всех фазах действующее значение тока одинаковое, хотя между фазами, конечно, имеется определенный угол сдвига. Например, в случае трехфазной системы угол сдвига фаз, как обычно, равен 120°. Переменный ток в каждой фазе может быть гармоническим (синусоидальным) или почти гармоническим. Дополнительное преимущество соединения в нейтральной точке звезды заключается в том, что обратный проводник к источнику питания не требуется. Все соединения проводниковой структуры с системой электропитания могут быть выполнены на одном и том же отрезке колеи.
Указанная по меньшей мере одна линия содержит индуктивность, используемую для передачи электрической энергии на транспортное средство или транспортные средства, а также индуктивность рассеяния, которая не участвует в передаче энергии на транспортное средство или транспортные средства, причем индуктивность рассеяния компенсируется емкостью, расположенной в той же линии, в результате чего суммарное полное электрическое сопротивление емкости и индуктивности рассеяния равно нулю. Такое нулевое полное электрическое сопротивление имеет то преимущество, что реактивная мощность системы сводится к минимуму, и поэтому конструкция компонентов с активной мощностью также минимизируется.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна линия (а предпочтительно - все линии) электрической проводниковой структуры содержала множество участков, каждый из которых проходит вдоль своего отрезка колеи и может включаться и выключаться отдельно от других участков линии. Каждый участок линии обычно содержит множество отрезков, вытянутых поперек направления движения.
Соответственно, предлагаемый в изобретении способ в одном варианте его осуществления предусматривает, что участки линий включают и выключают независимо от других участков линии, в результате чего транспортные средства на отрезках колеи, занятых транспортным средством, снабжаются энергией от электрической проводниковой структуры, а участки линии, расположенные вдоль по меньшей мере некоторых отрезков колеи, которые не заняты транспортным средством, выключены. В результате уменьшаются потери во время работы системы. Кроме того, легче выполняются требования по ЭМС, поскольку исключаются ненужные электромагнитные поля.
Особенно предпочтительно, чтобы отрезки колеи были короче длины транспортного средства, находящегося по колее, в направлении движения, и чтобы система была выполнена с возможностью приведения в действие (и в частности, включения) участков линии (линий) только в том случае, если транспортное средство занимает соответствующий отрезок колеи, на котором находится участок линии (линий). Поскольку включаются только участки линии, находящиеся под колеей (или в некоторых случаях, например в тоннелях - сбоку от колеи), транспортное средство экранирует окружающую среду от электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой. Приводить в действие предпочтительно только те участки, которые полностью, заняты транспортным средством, т.е. чтобы - глядя в продольном направлении вдоль пути движения - приводимые в действие участки не выступали за переднюю сторону транспортного средства и не выступали за задний конец транспортного средства.
Процессом переключения можно управлять, используя участки линии, которые выключены. Предпочтительно, чтобы была обеспечена возможность определения занятия соответствующего отрезка колеи транспортным средством, в частности путем обнаружения на участке линии напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства с участком линии и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством. Соответственно, по меньшей мере к одному из участков линии может быть подключен измерительный прибор. Предпочтительно, чтобы несколько участков линии или все участки линии были подключены к измерительному прибору и/или к одному и тому же измерительному прибору. Измерительный прибор или приборы выполнен(-ы) с возможностью определения занятия соответствующего отрезка колеи транспортным средством путем обнаружения на участке линии напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства с участком линии и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством.
Система может быть выполнена таким образом, чтобы включать участок линии, прежде чем приемное устройство транспортного средства, предназначенное для приема передаваемой энергии, войдет на отрезок колеи, на котором находится этот участок линии.
Например, длина участков линии может быть подобрана с таким расчетом, чтобы по меньшей мере два из участков линии перекрывались по длине транспортным средством, находящимся на колее, т.е. чтобы минимальная длина транспортного средства, находящегося по колее, была вдвое больше длины одного участка линии (предпочтительно, чтобы все участки линии(-ий) были одинаковой длины). В результате приемное устройство или приемные устройства транспортного средства, предназначенное(-ые) для приема передаваемой энергии, может/могут быть расположена(-ы) на среднем, в продольном направлении, участке транспортного средства. Кроме того, предпочтителен вариант, в котором включаются только те участки линии, которые полностью перекрыты транспортным средством, находящимся на колее. С другой стороны, то, что транспортное средство входит в область над конкретным участком линии может определяться (как указано выше), и этот участок линии включается, как только транспортное средство войдет в область над следующим сразу за ним участком линии.
Соответственно, участки линии выключаются, прежде чем транспортное средство покинет область над участком линии. Предпочтительно, чтобы они выключались до того, как они перестанут полностью перекрываться транспортным средством.
Если проводниковая структура содержит более одной линии, обнаружение событий входа транспортного средства на конкретный участок линии и выхода с этого участка может осуществляться с помощью только одной из линий. Другие же линии могут включаться и выключаться соответственно, т.е. проводниковая структура содержит секции, причем все линии на других секциях могут включаться и выключаться вместе.
Принципы и подробности в отношении приема энергии внутри транспортного средства рассматриваются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом некоторые особенности таковы: приемное устройство транспортного средства может содержать катушку из проводника или проводников, или оно может содержать несколько катушек. Преимущество нескольких катушек многофазного приемного устройства заключается в том, что оно легче и означает меньшие затраты на сглаживание колебаний принимаемых токов или напряжений.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна катушка располагалась над проводниковой структурой первичной стороны лишь в нескольких сантиметрах от нее, поскольку магнитная связь между первичной и вторичной катушками уменьшается с увеличением расстояния. Например, по меньшей мере одна катушка расположена над землей не более чем в 10 см от нее, предпочтительно не более чем в 5 см и наиболее предпочтительно - в 2-3 см над землей. В частности, это относится к случаю, если проводниковая структура расположена под землей. Линия или линии проводниковой структуры может/могут быть расположена(-ы) на глубине не более 20 см под поверхностью земли, предпочтительно не более 10 см.
Предпочтительно, чтобы приемное устройство, принимающее передаваемую энергию, было подвижным в вертикальном направлении, что позволяет устанавливать его в положение над землей вблизи нее и поднимать приемное устройство в более высокое положение, когда оно не используется.
Предпочтительно, чтобы приемное устройство содержало несколько катушек, размещенных в различных местах в направлении движения. Например, расстояние между катушками может быть равно расстоянию вдоль колеи между отрезками различных фаз проводниковой структуры, причем эти отрезки являются отрезками, которые вытянуты поперек направления движения. Вместе с тем, различные катушки транспортного средства необязательно располагать на одном и том же расстоянии друг от друга, как в случае расстояние между отрезками.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления настоящего изобретения рассматриваются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичное изображение трехфазной проводниковой структуры, вытянутой вдоль колеи,
на фиг.2 - диаграмма, на которой показаны переменные токи, проходящие через три фазы изображенной на фиг.1 структуры, в зависимости от времени,
на фиг.3 - силовые линии магнитного поля, создаваемого изображенной на фиг.1 проводниковой структурой, в то время как над показанной областью проводниковой структуры расположено приемное устройство транспортного средства, причем направление распространения распределения магнитного поля проходит в плоскости чертежа справа налево или слева направо,
на фиг.4 - еще одна диаграмма, на которой показана область магнитного поля, создаваемого проводниковой структурой, в то время как к приемному устройству в транспортном средстве подключена нагрузка,
на фиг.5 - диаграмма, схематично изображающая движение магнитной волны, создаваемой проводниковой структурой, вдоль колеи и показывающая движение приемного устройства, обусловленное движением транспортного средства по колее,
на фиг.6 - принципиальная электрическая схема изображенной на фиг.1 проводниковой структуры, которая подключена к источнику переменного напряжения посредством электрического устройства, которое преобразует напряжение источника в переменный ток постоянной величины, подаваемый в проводниковую структуру,
на фиг.7 - принципиальная электрическая схема, на которой показано приемное устройство транспортного средства, имеющее катушки для трех различных фаз, причем приемное устройство подключено к преобразователю переменного тока в постоянный,
на фиг.8 - рельсовое транспортное средство, движущееся по колее, вдоль которой тянется проводниковая структура,
на фиг.9 - три следующих друг за другом момента времени в ситуации движения рельсового транспортного средства по колее, снабженной множеством следующих один за другим участков линий проводниковой структуры, причем эти участки линий могут включаться и выключаться для снабжения транспортного средства энергией,
на фиг.10 - система, аналогичная показанной на фиг.8, включая электрическую схему проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, причем проводниковая структура содержит участки линий, которые могут включаться и выключаться, и
на фиг.11 - структура, аналогичная показанной на фиг.1 и схематично иллюстрирующая проводниковую структуру между двумя рельсами рельсового пути.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана проводниковая структура, которая может быть расположена под землей вдоль колеи, например вдоль рельсов рельсового пути (см., например, структуру, показанную на фиг.11). В последнем случае на виде, приведенном на фиг, 1, рельсы проходят слева направо.
Подразумевается, что фиг.1 является схематическим видом. Три линии 1, 2, 3 проводниковой структуры содержат отрезки, которые вытянуты поперек направления движения (слева направо или справа налево). Лишь некоторые из поперечно вытянутых отрезков линий 1, 2, 3 обозначены номерами позиций, а именно три отрезка 5а, 5b и 5с линии 3, некоторые другие отрезки линии 3, обозначенные номером позиции "5", один отрезок 5x линии 2 и один отрезок 5y линии 1. В наиболее предпочтительном случае структура 12, показанная на фиг.1, проложена под землей и расположена под колеей, так на фиг.1 показан вид сверху на структуру 12. Рельсы могут проходить слева направо, вверху и внизу на фиг.1, т.е. поперечно вытянутые отрезки линий могут располагаться полностью в пределах границ, определяемых рельсами (см. также фиг.11).
Например, как это показано на фиг.6, три линии 1, 2, 3 могут быть подключены к источнику трехфазного переменного тока. В представленный на фиг.1 момент времени по линии 3 течет положительный ток I1. "Положительный" означает, что ток течет от источника тока в линию. На другом конце структуры три линии 1, 2, 3 соединяются вместе в общей нейтральной точке 4 звезды. Следовательно, по меньшей мере один из других токов, в данном случае ток I2 по линии 2 и ток I3 по линии 1, являются отрицательными. Вообще говоря, действует правило нейтральной точки звезды, означающее, что сумма всех токов, входящих в нейтральную точку звезды и выходящих из нее, в любой момент времени равна нулю. Направления токов, текущих по линиям 1, 2, 3, указаны стрелками,
Отрезки линии 3 и соответствующие отрезки линий 1, 2, которые вытянуты поперек направления движения транспортного средства, предпочтительно имеют одинаковую ширину и параллельны друг другу. На практике предпочтительно, чтобы между поперечно вытянутыми отрезками трех линий не было смещения в направлении ширины. Такое смещение показано на фиг.1 по той причине, чтобы можно было идентифицировать каждый отрезок или каждую линию.
В предпочтительном случае каждая линия проходит вдоль колеи по одинаковому змеевидному пути, причем линии смещены относительно друг друга в направлении движения на одну треть расстояния между следующими один за другим, ближайшими отрезками одной линии, вытянутыми поперек направления движения. Например, в средней части чертежа на фиг.1 расстояние между следующими один за другим отрезками 5 обозначено как Тр. В пределах области между этими следующими один за другим отрезками 5 есть два других отрезка, вытянутых поперек направления движения, а именно отрезок 5x линии 2 и отрезок 5y линии 1, Эта схема расположения следующих один за другим отрезков 5, 5x, 5y повторяется при постоянстве расстояний между этими отрезками в направлении движения.
Соответствующее направление тока, проходящего через отрезки линий, показано в левой части фиг.1. Например, через отрезок 5а ток проходит от первой стороны А структуры 12 к противоположной стороне В структуры. Сторона А является одной стороной колеи (например, правой стороной при взгляде с движущегося транспортного средства в направлении движения), а сторона В является противоположной стороной (например, левой стороной колеи), если структура 12 укрыта в земле под колеей или, вообще говоря, проходит в горизонтальной плоскости.
Соответственно, через непосредственно следующий отрезок 5b электрический ток одновременно проходит от стороны В к стороне А. А через далее следующий отрезок 5 с линии 3 ток проходит от стороны А к стороне В. Все эти токи имеют одинаковую силу, поскольку они одновременно проходят по одной и той же линии. Иными словами: отрезки, которые вытянуты поперек, соединены между собой отрезками, которые вытянуты в направлении движения.
В результате этого змеевидного расположения линий магнитные поля, возбуждаемые отрезками 5а, 5b, 5с,… (линии 3, создают ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, причем эти следующие один за другим магнитные полюсы (полюсы, создаваемые отрезком 5а, 5b, 5 с, …) имеют чередующуюся магнитную полярность. Например, полярность магнитного полюса, создаваемого отрезком 5а, может соответствовать в определенный момент времени магнитному диполю, для которого северный магнитный полюс обращен вверх и южный магнитный полюс обращен вниз. В то же время, магнитная полярность магнитного поля, создаваемого отрезком 5b, ориентирована таким образом, что соответствующий магнитный диполь обращен своим южным полюсом вверх, а своим северным полюсом - вниз. Соответствующий магнитный диполь отрезка 5с ориентирован таким же образом, как для отрезка 5а и так далее. То же самое касается линий 1 и 2.
Вместе с тем, настоящее изобретение осуществимо и в том случае, если имеется только одна фаза, только две фазы или более трех фаз. Проводниковая структура, имеющая только одну фазу, может быть расположена, как линия 3 на фиг.1, но вместо нейтральной точки 4 звезды конец линии 3 (который находится с правой стороны фиг.1) может быть подключен к источнику энергии (на фиг.1 не показан) посредством соединительной линии (на фиг.1 не показана), которая тянется вдоль колеи. Двухфазная структура может состоять, например, из линий 3 и 2, но расстояние между поперечно вытянутыми отрезками этих двух линий (или вообще говоря: всех линий) предпочтительно является постоянным (т.е. расстояния от поперечно вытянутого отрезка линии 3 до двух ближайших к нему поперечно вытянутых отрезков линии 2 - в направлении движения и в противоположном направлении - равны друг другу).
Фиг.11 приведена для иллюстрации некоторых размеров проводниковой структуры, например проводниковой структуры, показанной на фиг.1. На фиг.11 показаны только части трех линий 111, 112, 113, а их соединения друг с другом (например, посредством нейтральной точки 4 звезды, показанной фиг.1) и с источником энергии не показаны.
Змеевидные линии 111, 112, 113 расположены между двумя рельсами 116а, 116b рельсового пути, предназначенного для рельсовых транспортных средств (таких как региональные или местные (городские) поезда, например трамвай). Выражение "между" относится к виду сверху, показанному на фиг.11. Например, линии 111, 112, 113 могут быть расположены ниже уровня рельсов 116.
Каждая из линий 111, 112, 113 содержит линейные отрезки, которые вытянуты поперек направления колеи, т.е. поперек продольного направления рельсов 116. Эти поперечно вытянутые отрезки соединены со следующими за ними поперечно вытянутыми отрезками той же линии посредством продольно вытянутых отрезков, проходящих в продольном направлении рельсов. Поперечно и линейно вытянутые отрезки имеют длину LB, которая предпочтительно составляет по меньшей мере половину расстояния RB между рельсами. Например, расстояние RB может быть 1 м, а длина поперечно вытянутых отрезков может быть равна 50 см или может находиться в диапазоне от 50 до 75 см.
Поперечно вытянутые отрезки и продольно вытянутые отрезки одной линии соединены друг с другом криволинейными отрезками. Кривизна последних соответствует, например, кривизне окружности радиусом 150 мм.
Фиг.11 также схематично показан заштрихованный участок 118, который закрыт катушкой приемного устройства транспортного средства, движущегося по рельсам 116. Ширина катушки равна длинам поперечно вытянутых отрезков линий. Однако на практике предпочтителен вариант, в котором эта ширина меньше длины поперечно вытянутых отрезков. Это допускает смещение положения катушки в направлении, поперечном направлению движения, обозначенное двумя стрелками и линией под заштрихованным участком 118. Такое смещение не повлияет на прием энергии катушкой, если оно не приведет к выходу катушки за пределы границ поперечно вытянутых отрезков.
Как следует из временных диаграмм, приведенных на фиг.2, токи, проходящие через фазы 1, 2, 3, показанные на фиг.1, являются фазными токам обычного трехфазного переменного тока. Обозначения L1, L2, L3 на фиг.2 показывают, что змеевидные линии 1, 2, 3 образуют индуктивности.
Как показано на фиг.2, пиковое значение токов может находиться в пределах 300 А и соответственно -300 А. Вместе с тем, также возможны большие или меньшие пиковые токи. Пиковый ток 300 А достаточен для снабжения тяговых двигателей трамвая энергией, позволяющей трамваю проходить вдоль колеи расстояние от нескольких сотен метров до нескольких километров, например, в пределах исторического центра города. Кроме того, трамвай может брать энергию от бортового накопителя энергии (аккумулятора), например, от обычного электрохимического батарейного устройства и/или от ионисторного устройства. Накопитель энергии может быть снова полностью заряжен, как только трамвай покинет центр города и подключится к подвесной контактной линии.
Искривленными линиями на фиг.3 являются силовые линии магнитного поля, создаваемого отрезками линий 1, 2, 3, показанных на фиг.1. На фиг.3 представлены ситуации в четыре различных момента времени, соответствующих значениям "0", "30", "60", "90" по временной шкале фиг.2. Временную шкалу фиг.2 также можно интерпретировать как шкалу, представляющую характер изменения токов по гармоническому закону (по синусоиде), т.е. на фиг.2 показано изменение токов за один полный период, т.е. значения силы тока в начале периода при угле "0" такие же, что и в конце периода при угле "360".
На крайней левой из четырех диаграмм на фиг.3 показаны поперечно вытянутые отрезки линий 1, 2, 3 в поперечном сечении. Позицией "I1" обозначен ток I1, проходящий через поперечно вытянутый отрезок линии 1, и так далее. Эти поперечно вытянутые отрезки проходят перпендикулярно плоскости чертежа на фиг.3, причем плоскостью чертежа фиг.3 является вертикальная секущая плоскость, проходящая через структуру 12 на фиг.1, плоскости чертежей на фиг.1 и 3 перпендикулярны друг другу, а плоскость чертежа на фиг.3 тянется в направлении движения, рассекая отрезки 5 на фиг.1 на две половины. Сверху на фиг.3 электромагнитные катушки 7 схематично показаны в виде плоских участков в прямоугольных рамках. Сверху этих катушек 7, представляющих собой части приемного устройства транспортного средства, которое (приемное устройство) предназначено для приема энергии от структуры 12, расположены ферромагнитные магнитопроводы 8, чтобы собирать вместе и отклонять силовые линии магнитного поля. Эти магнитопроводы 8 выполняют функции сердечника электромагнита.
На фиг.4 показан вид, аналогичный видам, приведенным на фиг.3. Однако эта фигура призвана иллюстрировать гипотетическую ситуацию, когда катушки в транспортном средстве (движущемся по колее) наводят ток в проводниковой структуре колеи. В дополнение к тому, что показано на фиг.3, на фиг.4 также показаны поперечные сечения электрических проводников 41а, 41b в областях 7а, 7b, 7с, 7d катушки 7. В области 7а, 7b в отображенный момент времени проходит ток, направленный вверх из плоскости чертежа на фиг.4. С правой стороны чертежа на фиг.4, где показаны области 7с, 7d катушки 7, ток направлен вниз в плоскость чертежа на фиг.4, как это показано перекрещивающимися штрихами. Электромагнитное поле (представленное силовыми линиями на фиг.4), которое создается катушкой 7, является симметричным относительно линии границы участков 7b и 7d, поскольку величины токов на участках 7a-7d также симметричны относительно этой границы.
На фиг.5 показан еще один разрез вдоль секущей плоскости, которая проходит вертикально и тянется в направлении движения. В верхней половине фиг.5 показаны провода или жгуты проводов линий 1, 3, 2, расположенные на отрезках этих линий 1, 3, 2, вытянутых поперек направления движения. На фиг.5 показано, по меньшей мере частично, в общей сложности семь отрезков структуры 12, вытянутых поперек направления движения. Первый, четвертый и седьмой отрезки в ряду (слева направо) принадлежат линии 1. Поскольку направление тока I1 через отрезок 5b (четвертый отрезок на фиг.5) противоположно направлению тока I1 через отрезки 5а, 5с (первый и седьмой отрезки на фиг.5), и поскольку токи I1, I3, I2 являются переменными токами, создаваемая электромагнитная волна перемещается в направлении движения со скоростью vw. Волна обозначена номером позиции 9, индуктивность структуры 12 - как Lp.
Поперечные сечения, показанные в верхней половине фиг.5, представляют приемное устройство транспортного средства, движущегося в направлении движения и со скоростью vm, а обозначение "2 ТР" вверху фиг.5 указывает на то, что на фиг.5 показан участок линии структуры 12, длина которого равна удвоенному расстоянию между тремя следующими один за другим поперечно вытянутыми отрезками линии, в данном случае линии 1.
Система, показанная на фиг.6, включает в себя проводниковую структуру 103, 104, 105, которая может быть проводниковой структурой 12, соответствующей фиг.1, Для отображения их электрических свойств на фиг.6 используются символы эквивалентной схемы. В фазах 1, 2, 3 трехфазной системы 103, 104, 105 проходят фазные токи I1, I2, I3. Собственные индуктивности фаз 1, 2, 3 обозначены как Lp1, Lp2, Lp3 и создают электромагнитное поле для передачи энергии на любое транспортное средство, находящееся на колее. Вместе с тем, линии 1, 2, 3 также содержат индуктивности Ls1, Ls2, Ls3 рассеяния, как это показано на фиг.6 в рамке 104. Полное электрическое сопротивление этих нежелательных индуктивностей рассеяния компенсируется емкостями Ck1, Ck2, Ck3 в линиях 1, 2, 3, как показано в рамке 103.
Электрическая энергия, используемая для создания электромагнитных полей в линиях 1, 2, 3, генерируется источником 101 трехфазного напряжения. Фазные источники для отдельных фаз обозначены как V1, V2, V3 в рамке 101. Создаваемые в линиях 1, 2, 3 напряжения обозначены как U1, U2, U3. Источник напряжения соединен с входом стабилизированного источника 102 тока. Выход этого источника 102 соединен с емкостями в рамке 103. На выходе источника 102 генерируются токи I1, I2, I3. Эти токи постоянны во времени, вне зависимости от энергии, передаваемой от линий 1, 2, 3 на любое транспортное средство, находящееся на колее. На входной стороне стабилизированного источника 102 тока этот источник 102 содержит в каждой линии 1, 2, 3 входную индуктивность L1a, L2a, L3a. На выходной стороне источника 102 каждая линия 1, 2, 3 содержит выходную индуктивность L1b, L2b, L3b. Между входной и выходной индуктивностями каждая линия 1, 2, 3 соединена через емкость С1, С2, С3 с общей нейтральной точкой 61 звезды.
На фиг.7 приведена принципиальная электрическая схема системы, которая может быть расположена в транспортном средстве, движущемся по колее. Система содержит трехфазное приемное устройство для приема электромагнитного поля от колеи и его перевода в электрическую энергию. Приемное устройство содержит для каждой фазы 1а, 2а, 3а одну катушку или блок катушек, причем катушки обозначены как L71, L72, L73 (рамка 201). В показанном варианте осуществления изобретения фазы 1а, 2а, 3а соединены вместе в общей нейтральной точке звезды 71. Индуктивности рассеяния (отдельно на фиг.7 не показаны) фаз 1а, 2а, 3а компенсируются емкостями С71, С72, С73, как показано в рамке 202.
Выходная сторона приемного устройства 201, 202, где на фиг.7 показаны фазные токи Is1a, Is2a, Is3a, соединена с преобразователем 203 переменного тока в постоянный ток. Сторона постоянного тока преобразователя 203 соединена с линиями 76а, 76b промежуточного контура. Линии 76а, 76b соединены друг с другом через сглаживающую емкость C7d, обозначенную номером позиции "204". Электрическая нагрузка, которая может снабжаться энергией внутри транспортного средства, представлена сопротивлением RL, которое обозначено номером позиции "205" и которое может быть соединено с линиями 76а, 76b промежуточного контура. Обозначение "Ud" указывает на то, что нагрузка RL может вызывать падение напряжения, причем напряжение Ud является, например, напряжением в промежуточном контуре.
На фиг.8 показана колея 83 (в данном случае железнодорожная колея с двумя рельсами), которая занята коленным транспортным средством 81, таким как поезд, относящийся к региональному общественному транспорту, или трамвай.
Изображенная на этом чертеже система включает в себя электрическую проводниковую структуру, предназначенную для создания электромагнитного поля и передачи посредством него энергии на транспортное средство, находящееся на колее. Проводниковая структура 89 изображена схематично. Например, проводниковая структура может быть выполнена, как это показано на фиг.1. Проводниковая структура 89 (это относится и к другим структурам, а не только к примеру, показанному на фиг.8) может быть расположена под землей или над землей. В частности, в случае железных дорог, имеющих два рельса, по которым могут катиться колеса рельсовых транспортных средств, проводниковая структура может быть расположена над землей между рельсами на уровне железнодорожной шпалы или частично над землей, но под железнодорожными шпалами. Если железнодорожные шпалы изготавливаются, например, из бетона, то шпалы или другая конструкция для удержания рельсов могут иметь отверстия и/или полости, через которые проходит(-ят) линия или линии проводниковой структуры. Таким образом, конструкция рельсового пути может использоваться для фиксации желательной змеевидной формы линии(-ий) проводниковой структуры.
Колейное транспортное средство 81 имеет на своей нижней стороне приемное устройство 85 для приема электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой 89. Приемное устройство 85 электрически соединено с бортовой электрической сетью 86, благодаря чему электрическая энергия, индуцируемая в приемном устройстве 85, может распределяться внутри транспортного средства 81. Например, к распределительной сети 86 могут подключаться вспомогательные устройства 90 и силовые агрегаты 80, 84 для приведения в действие тяговых двигателей (не показаны), расположенных в тележках 780а, 780b с колесами 88а, 88b, 88с, 88d. Кроме того, к распределительной сети также может быть подключен накопитель 82 энергии, например электрохимический аккумулятор или система конденсаторов, таких как суперконденсаторы (ионисторы). Таким образом, накопитель 82 энергии может заряжаться энергией, получаемой приемным устройством, в частности во время остановок транспортного средства 81 на колее. Когда транспортное средство 81 движется по колее, часть движущей энергии, необходимой для перемещения транспортного средства 81, можно брать из накопителя 82 энергии, и одновременно в сообщение транспортному средству движения свой вклад может вносить энергия, получаемая приемным устройством, т.е. эта энергия может быть частью движущей энергии.
На фиг.9 иллюстрируется концепция проводниковой структуры 112, включающей в себя секции, которые могут включаться и выключаться таким образом, что электромагнитное поле для передачи энергии на транспортное средство или транспортные средства, находящееся(-иеся) на колее, создают только включенные секции. В приведенном на фиг.9 примере имеется пять таких секций, или участков Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, расположенных вдоль колеи в виде ряда следующих один за другим участков.
По колее движется транспортное средство 92, такое как трамвай. Под полом транспортного средства 92 предусмотрено два приемных устройства 95а, 95b для приема электромагнитного поля, создаваемого участками проводниковой структуры. Приемные устройства 95а, 95b могут резервировать друг друга таким образом, что для функционирования транспортного средства необходимо только одно из этих устройств. Это повышает безопасность эксплуатации. Вместе с тем, устройства 95а, 95b могут быть и нерезервированными, вырабатывая энергию для энергоснабжения транспортного средства одновременно. Правда, в этом случае может случиться так, что по меньшей мере одно из этих устройств 95 окажется неспособным выдавать электрическую энергию. Вместо двух приемных устройств транспортное средство может содержать большее число приемных устройств.
Следующее описание относится ко всем этим случаям, а также к случаю, когда транспортное средство имеет только одно приемное устройство.
В изображенном на фиг.9 примере транспортное средство движется слева направо. В верхней части фиг.9 транспортное средство 92 занимает колею над участками (секциями) Т2, Т3 и частично занимает колею над участками Т1 и Т4. Приемные устройства 95 или приемное устройство всегда расположены над участками, которые полностью заняты транспортным средством. Это связано с тем, что расстояние от приемных устройств до ближайшего конца транспортного средства в продольном направлении больше длины каждого участка проводниковой структуры 112.
В ситуации, показанной на верхнем виде фиг.9, участки Т2, Т3 включены, а все остальные участки Т1, Т4, Т5 выключены. На среднем виде фиг.9, где транспортное средство 92 полностью занимает колею над участками Т2, Т3 и почти полностью занимает колею над участком Т4, участок Т2 выключен, поскольку приемные устройства 95 или приемное устройство уже покинули/покинуло область над участком Т2, и участок Т4 включится, как только транспортное средство полностью займет область над участком Т4. Это состояние, когда участок Т4 включен, показано на нижнем виде фиг.9. Участок же Т3 тем временем был выключен.
На фиг.10 показана система, аналогичная показанной на фиг.9. В действительности, это может быть другим видом той же системы, что показана на фиг.9. Вместе с тем, на фиг.10 показаны и дополнительные элементы системы. Каждый из следующих один за другим участков 103а, 103b, 103с проводниковой структуры для создания электромагнитного поля подключен к магистрали 108 посредством отдельного переключателя 102а, 102b, 102с, предназначенного для включения и выключения участка 103. В случае системы трехфазного переменного тока магистраль 108 может содержать провода или кабели для каждой фазы. Дальний конец магистрали 108 (находящийся с правой стороны фиг.10, но не показанный) может иметь общую для всех трех фаз нейтральную точку звезды. С противоположной стороны магистрали 108 она соединена с источником 101 энергии, таким как устройство, обозначенное рамками 101, 102 на фиг.6.