ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА, ВЫПОЛНЕННОГО ДЛЯ ПРИЕМА ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
PROVIDING VEHICLE WITH ELECTRIC ENERGY USING RECEIVING DEVICE ADAPTED TO RECEIVE ALTERNATING ELECTROMAGNETIC FIELD

Изобретение относится к структуре для обеспечения транспортного средства электрической энергией, причем структура содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством магнитной индукции. Приемное устройство содержит по меньшей мере одну фазовую линию, и предпочтительно несколько фазовых линий, причем каждая фазовая линия выполнена для передачи иного из нескольких фазовых токов переменного электрического тока. В дополнение, изобретение относится к транспортному средству, содержащему структуру. Кроме того, изобретение относится к системе для передачи энергии к транспортному средству, причем система содержит структуру, включая приемное устройство, и проводниковую структуру первичной стороны, выполненную для создания переменного электромагнитного поля, которое должно приниматься приемным устройством на вторичной стороне. Изобретение также относится к способу изготовления структуры и способу эксплуатации транспортного средства посредством приемного устройства, которое принимает переменное электромагнитное поле и вырабатывает переменный электрический ток посредством магнитной индукции.
Термины «первичная сторона» и «вторичная сторона» используются в соответствии с терминологией, которая используется для трансформаторов. Фактически, электрические детали системы для передачи электрической энергии от полосы движения транспортного средства или от пункта остановки транспортного средства к транспортному средству посредством индукции образуют разновидность трансформатора. Следовательно, отличием по сравнению с обычным трансформатором является тот факт, что транспортное средство, и, таким образом, вторичная сторона, может двигаться.
WO 2010/031595 А2 раскрывает структуру для обеспечения транспортного средства, прежде всего, привязанного к полосе движения транспортного средства, причем структура содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Приемное устройство содержит несколько обмоток и/или катушек из электропроводящего материала, причем каждая обмотка и/или катушка выполнена для выработки отдельной фазы переменного электрического тока.
Настоящее изобретение может быть применено к любому загородному транспортному средству, прежде всего, привязанным к полосе движения транспортным средствам (например, трамваю), а также к дорожным автомобилям, таким как личные (пассажирские) автомобили или общественные транспортные средства (например, автобусы). Предпочтительно, проводниковая структура первичной стороны, которая создает переменное электромагнитное поле, встроено в полосу движения или дорогу транспортного средства так, что электрические линии проводниковой структуры первичной стороны распространяются в плоскости, которая почти параллельна поверхности дороги или полосы движения, по которой может перемещаться транспортное средство.
Переменное электромагнитное поле может быть принято приемным устройством во время перемещения или пока транспортное средство останавливается или находится на стоянке.
Подробности предпочтительного варианта осуществления проводниковой структуры первичной стороны описаны в WO 2010/031595 А2. Например, токовые линии первичной стороны проводниковой структуры могут распространяться вдоль полосы движения или дороги извилисто, то есть некоторые участки линий распространяются перпендикулярно направлению движения, а некоторые участки линий распространятся в направлении движения, соединяя, таким образом, простирающиеся перпендикулярно участки. Прежде всего, как показано на фиг. 5 и фиг. 12 WO 2010/031595 А2, проводниковая структура первичной стороны предпочтительно создает магнитную волну, которая простирается в направлении движения или против направления движения. Скорость волны определяется расстоянием между простирающимися перпендикулярно участками и частотой переменного тока, который передается разными фазами проводниковой структуры первичной стороны.
Как, кроме того, описано в 2010/031595 А2, приемное устройство может быть расположено на нижней стороне транспортного средства и может быть прикрыто ферромагнитным телом, таким как тело в форме плиты или листа. Подходящим материалом является феррит. Тело сводит в пучок и перенаправляет линии магнитного поля и, вследствие этого, уменьшает интенсивность поля над телом почти до нуля.
Однако подобное тело из ферромагнитного материала или, альтернативно, экран из электропроводящего материала не может уменьшить напряженность электромагнитного поля до нуля в местах сбоку от тела или экрана. Прежде всего, в то время как люди входят или выходят из транспортного средства, они могут проходить мимо участков сбоку от приемного устройства. Следовательно, накладываются и не должны превышаться соответствующие ограничения на напряженность поля.
Предметом настоящего изобретения является разработка структуры для обеспечения транспортного средства электрической энергией, транспортного средства, содержащего эту структуру, системы, содержащей структуру, способ изготовления структуры и способ эксплуатации транспортного средства посредством приемного устройства, который уменьшает напряженность поля сбоку от приемного устройства по сравнению с приемными устройствами, которые вырабатывают переменный электрический ток такой же величины.
Согласно основной идее изобретения, приемное устройство имеет «плоскую» конфигурацию. Пример такой «плоской» конфигурации описан в WO 2010/031595 А2, прежде всего в связи с фиг. 13-17 этого документа. «Плоский» в данном случае означает, что фазовые линии (то есть электрические линии разных фаз) приемного устройства распространяются или приблизительно распространяются в горизонтальном направлении, если проводниковая структура первичной стороны и полоса движения транспортного средства или дорога также распространяются в горизонтальном направлении. Однако поскольку подобное приемное устройство обычно содержит более чем один виток или обмотку и, кроме того, содержит более чем одну фазовую линию, имеются пересечения электрических линий, если смотреть сверху. Следовательно, несмотря на плоскую конфигурацию, является невозможным, что все участки электрических линий расположены в плоскости, имеющей толщину единичной электрической линии.
Кроме того, по меньшей мере одна из фазовых линий может содержать обмотки, имеющие более чем один виток. Под витком понимается участок фазовой линии, который простирается вокруг центральной оси обмотки. Другими словами: участок закручивается вокруг центральной оси. Не во всех случаях все витки выполняют полный оборот вокруг центральной оси. Скорее, в особенности последний и первый виток обмотки могут не выполнять полный оборот вокруг центральной оси, так чтобы электрические соединения к обмотке и от нее могли быть сделаны в подходящих местах и подходящим образом. С другой стороны, если обмотка имеет по меньшей мере три витка, то по меньшей мере один из витков не является первым и не является последним витком и обычно совершает полный оборот вокруг центральной оси.
В случае подобной обмотки толщина обмотки, измеренная в направлении центральной оси, может быть равна, например, числу витков, умноженному на толщину электрической линии, которая совершает оборот. Однако в зависимости от специфической конфигурации обмотки, толщина может быть, альтернативно, больше или меньше упомянутой выше толщины. Например, последовательные витки могут быть намотаны вокруг центральной оси обмотки с образованием спирали. Это уменьшает толщину обмотки, однако также уменьшает эффективную площадь обмотки по сравнению с обмоткой, имеющей такое же число витков, все из которых имеют размер наружного витка спирали. В любом случае является предпочтительным, что все обмотки одной фазовой линии сформированы одинаковым образом, например, все обмотки являются спиралями или все обмотки содержат витки, которые накладываются друг на друга.
Предпочтительное решение настоящего изобретения содержит по меньшей мере три обмотки, которые являются обмотками одной и той же фазовой линии. Это означает, что электрическая линия по меньшей мере одной фазовой линии образует по меньшей мере три обмотки. Подразумевается, что обмотка содержит по меньшей мере один виток и, в случае более чем одного витка, несколько витком расположены таким образом, что участки разных витков распространяются параллельно друг другу или распространяются приблизительно параллельно друг другу и, факультативно, имеют одинаковую форму (такую как прямоугольная, круглая и т.п.). Предпочтительная форма витков является прямоугольной, поскольку ряд последовательных обмоток с каждой обмоткой, имеющей прямоугольные витки, могут быть расположены для перекрывания прямоугольной эффективной площади, которая является суммой площадей, которые перекрываются отдельными обмотками. Площадь, которая «перекрывается» отдельной катушкой, является площадью, через которую могут проходить линии магнитной индукции магнитного поля, причем магнитный поток, который соответствует этим линиям магнитной индукции, вызывает магнитную индукцию возбуждением соответствующего электрического напряжения в обмотке.
Обмотки по меньшей мере одной из фазовых линий (и предпочтительно всех фазовых линий) расположены рядом так, чтобы образовывать последовательность обмоток, которая перекрывают эффективную площадь в плоскости, которая простирается перпендикулярно центральным осям обмоток. Предпочтительно, имеются по меньшей мере три обмотки (например, пять обмоток), и последовательность обмоток имеет в этом случае первую концевую обмотку и вторую концевую обмотку на противоположных сторонах последовательности, и между концевыми обмотками последовательности имеется по меньшей мере одна средняя обмотка (например, три средние обмотки). Продольное направление последовательности простирается от первой концевой обмотки до второй концевой обмотки, то есть от одного конца до противоположного конца. Прежде всего, средняя катушка (катушки) также расположена/расположены вдоль продольного направления так, что все обмотки последовательности расположены одна за другой (хотя может происходить некоторое перекрывание соседних обмоток). Прежде всего, продольная ось, простирающаяся в продольном направлении, может образовывать ось симметрии, так что область последовательности на правой стороне продольной оси и область последовательности на левой стороне симметричны друг другу относительно оси симметрии. Эта симметрия применяется к направлению витков обмоток, но не обязательно к соединителям и соединительным линиям, которые соединяют обмотки друг с другом и внешними устройствами.
Предпочтительно, эффективная площадь является суммой площадей, которые перекрываются отдельными обмотками последовательности, то есть обмотки не перекрываются. Однако небольшая площадь перекрывания не существенно уменьшает эффективную площадь. Кроме того, между площадями соседних обмоток в последовательности обмоток может быть небольшое расстояние, так что эффективная площадь не является непрерывной площадью. Однако является предпочтительным, что расстояние является небольшим (например, менее чем 2% продольного направления последовательности обмоток, которое является направлением, проходящим от первой концевой обмотки до второй концевой обмотки).
Как будет более подробно описано ниже, разные эффективные площади, которые перекрываются последовательностью обмоток разных фазовых линий, перекрывают друг друга, но не являются идентичными, поскольку разные фазовые линии рассчитаны на выработку разных фаз переменного электрического тока. Типично переменный электрический ток является трехфазным синусоидальным током.
Изобретение основывается на следующих полученных данных.
Электрические токи, которые протекают через фазовые линии, когда приемное устройство выдает электрическую мощность к любой нагрузке в транспортном средстве, создает электромагнитное поле. Электромагнитные поля, которые создаются некоторыми из разных участков фазовых линий, компенсируют друг друга вследствие интерференции. Это означает, что сбоку от последовательности обмоток, прежде всего сбоку от среднего участка последовательно обмоток, имеются области, в которых напряженность поля мала или даже близка к нулю. «Напряженность поля» в этом контексте означает амплитуду колеблющегося электромагнитного поля или эффективное значение поля, вычисленное посредством среднеквадратических (RMS) величин компонентов (в направлениях декартовой системы координат) амплитуды. Однако имеются также области сбоку от концевых участков последовательности обмоток, имеющие высокие напряженности поля. Причиной этого является то, что электромагнитные поля, которые создаются участками концевых обмоток разных фазовых линий, накладываются друг на друга, так что получаются увеличенные амплитуды поля по сравнению с электромагнитными полями, которые создаются отдельными фазовыми линиями. Конечно, когда вычисляется суммарное поле, следует принимать в расчет сдвиг фаз между фазовыми токами. Однако, в зависимости от специфической конфигурации приемного устройства, имеются варианты осуществления, в которых амплитуда поля сбоку от концевой области последовательности обмоток более чем в 2 раза больше, чем амплитуды, создаваемые отдельными фазовыми линиями.
В существующих решениях согласно известному уровню техники все обмотки приемного устройства типично имеют одинаковое число витков. Напряженность поля, которая создается электрическим током данной величины, равна напряженности поля, которая бы создавалась обмоткой, имеющей один виток, умноженный на число витков. Следовательно, было бы возможным уменьшать напряженность поля путем уменьшения числа витков, однако это также уменьшит мощность, которая может быть передана приемным устройством к соответствующей нагрузке.
Основной идеей настоящего изобретения является использование последовательности обмоток, имеющей по меньшей мере две обмотки на фазовую линию, причем число витков обмоток последовательности различается. Прежде всего, каждая фазовая линия приемного устройства имеет последовательность, имеющую по меньшей мере две обмотки. Предпочтительно, каждая фазовая линия приемного устройства имеет одинаковое число обмоток. С учетом способа изготовления структуры, предложено выбирать число витков таким образом, чтобы во время работы напряженность электромагнитного поля сбоку от структуры имела меньшее максимальное значение по сравнению со случаем, когда число витков всех обмоток последовательности одинаково, однако общее число витков одно и то же. Прежде всего, напряженность поля является напряженностью электромагнитного поля, создаваемого электрическими токами, протекающими через электрические линии приемного устройства и, альтернативно, через любые другие электрические линии, подключенные к электрическим линиям приемного устройства. Альтернативно, и это предпочтительный случай, напряженность поля является напряженностью электромагнитного поля, которое является полем, получающимся из поля, создаваемого электрическими линиями приемного устройства (и факультативно любыми электрическими линиями, подключенными к этим электрическим линия), и получающимся при работе проводниковой структуры первичной стороны, которая создает электромагнитное поле, которое индуцирует электромагнитное напряжения в приемном устройстве посредством магнитной индукции. В этом случае напряженность является напряженностью суммарного поля, создаваемого во время работы системы для индуктивной передачи энергии от первичной стороны к приемному устройству вторичной стороны.
Прежде всего, напряженность, как функция местоположения, прежде всего местоположения вдоль прямой линии, расположенной сбоку и параллельно центральной оси системы обмоток, может быть смоделирована или измерена для данного распределения витков. В дополнение, распределение витков может изменяться и, таким образом, может быть определено распределение витков, которое дает наименьшее минимальное значение поля среди всех распределений витков, имеющих одинаковое суммарное число витков. Эта процедура может быть выполнена для одной фазы протекающего через приемное устройство переменного электрического тока или, предпочтительно, выполнена для системы, содержащей все фазовые линии. Прежде всего, распределение витков может изменяться для разных фазовых линий приемного устройства, хотя общее число витков на фазу может быть одинаковым. Однако во многих случаях одинаковое распределение витков для каждой фазовой линии системы приводит к значительно уменьшенной максимальной напряженности по сравнению со случаем, в котором все обмотки системы имеют одинаковое число витков.
Поскольку напряженность поля сбоку от центральной области последовательности обмоток меньше, чем напряженность поля сбоку от концевых областей последовательности обмоток, является предпочтительным выбирать меньшее число витков концевых обмоток в случае последовательности, имеющей по меньшей мере три обмотки. К счастью, компенсация электромагнитных полей сбоку от средней области последовательности обмоток весьма эффективна (то есть результирующая амплитуда поля весьма мала) и, следовательно, число витков, на которое уменьшаются концевые обмотки, может быть добавлено к средней обмотке или средним обмоткам без увеличения напряженности поля сбоку от центральной области последовательности обмоток выше уровня напряженности поля сбоку от концевых областей последовательности обмоток. Это особо справедливо, когда имеются более чем одна средняя обмотка. Следовательно, предпочтительный вариант осуществления изобретения включает в себя четыре обмотки в каждой последовательности обмоток, так что имеются две средние обмотки и две концевые обмотки в каждой последовательности. В этой конфигурации две средние обмотки и части двух концевых обмоток вырабатывают электромагнитные поля, которые эффективным образом компенсируют друг друга, и лишь небольшие части разных фазовых линий создают электромагнитные поля, которые создают увеличенную амплитуду поля в областях сбоку от концевых обмоток.
Однако настоящее изобретение охватывает также случаи, когда последовательность обмоток в фазе образуют только две катушки. Если имеются две или три фазы или даже больше фаз (например, проводниковая структура приемного устройства вырабатывает переменный электрический ток, имеющий две или более фаз), число витков на обмотку в последовательности обмоток по меньшей мере одной фазы может быть выбрано так, что результирующая напряженность поля имеет меньшее максимальное значение по сравнению с равными числами витков и одним и тем же суммарным числом витков фазовой линии.
Согласно упомянутой выше основной концепции изобретения, число витков обмоток последовательности по меньшей мере одной из фазовых линий отличается. Предпочтительно, оно отличается по меньшей мере на один виток.
Поэтому предлагается следующее: структура для обеспечения транспортного средства электрической энергии, причем структура содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и для выработки переменного электрического тока посредством магнитной индукции, причем приемное устройство содержит несколько фазовых линий, и каждая фазовая линия выполнена для передачи иного из нескольких фазовых токов переменного электрического тока, причем:
- каждая фазовая линия образует по меньшей мере две обмотки,
- каждая обмотка состоит по меньшей мере из одного витка фазовой линии,
- если любая из этих обмоток состоит из одного витка, то виток закручивается вокруг центральной оси обмотки,
- если любая из обмоток состоит из более чем одного витка, то витки являются последовательными участками фазовой линии, закручиваемой вокруг центральной оси обмотки,
- по меньшей мере две обмотки каждой фазовой линии расположены рядом друг с другом так, чтобы образовывать последовательность обмоток, которая перекрывает эффективную площадь в плоскости, которая простирается перпендикулярно центральным осям обмоток, так что имеются первая и вторая концевые обмотки на противоположных концах последовательности и факультативно, в случае трех или более обмоток, по меньшей мере одна средняя обмотка между концевыми обмотками последовательности по меньшей мере для одной фазовой линии (и предпочтительно для всех фазовых линий), число витков на обмотку последовательности обмоток отличается.
Прежде всего, по меньшей мере одна из фазовых линий может содержать три или более чем три обмотки, так что последовательность обмоток содержит по меньшей мере одну среднюю обмотку между концевыми обмотками последовательности, причем каждая из концевых обмоток состоит из меньшего числа витков, чем средняя обмотка или средние обмотки.
Конфигурация витков фазовой линии может быть названа «распределением витков». Например, суммарное число обмоток фазовой линии может быть постоянным, и напряженность поля как функция положения и/или максимум напряженности поля могут быть оптимизированы путем распределения суммарного числа по отдельным обмоткам, прежде всего, наилучшим возможным образом. Особые характерные черты будут описаны ниже. В любом случае является предпочтительным, что распределение витков в каждой последовательности обмоток отдельного приемного устройства одно и то же.
Изобретение также охватывает транспортное средство, содержащее структуру по одному из вариантов осуществления, описанных в данном описании, в котором структура расположена на днище транспортного средства, так что центральных оси обмоток распространяются в вертикальном направлении при условии, что транспортное средство перемещается по горизонтальному грунту или горизонтальной полосе движения.
Кроме того, изобретение охватывает систему для передачи энергии к транспортному средству, причем система содержит электрическую проводниковую структуру первичной стороны, которая расположена вдоль пути движения транспортного средства, причем проводниковая структура первичной стороны выполнена для передачи переменного тока, который создает соответствующее переменное электромагнитное поле, и причем система содержит структуру по одному из вариантов осуществления, описанных в данном описании, как устройство вторичной стороны для приема переменного электромагнитного поля с целью выработки переменного электрического поля посредством магнитной индукции.
Кроме того, предложен способ изготовления структуры для обеспечения транспортного средства электрической энергией, причем изготавливается приемное устройство структуры, которое выполнено во время работы для приема переменного электромагнитного поля и для выработки переменного электрического тока посредством магнитной индукции, причем приемное устройство оснащено несколькими фазовыми линиями, каждая фазовая линия, являясь выполненной во время работы для передачи иной из нескольких фаз переменного электрического тока, причем:
- посредством каждой фазовой линии формируют по меньшей мере две обмотки,
- каждую обмотку образуют по меньшей мере из одного витка фазовой линии,
- если любая из обмоток образована одним витком, то виток формируют так, чтобы он закручивался вокруг центральной оси обмотки,
- если любая из обмоток образована более чем одним витком, то витки формируют в виде последовательных участков фазовой линии так, чтобы быть закручиваемыми вокруг центральной оси обмотки,
- по меньшей мере две обмотки каждой фазовой линии расположены вблизи друг друга так, чтобы образовывать последовательность обмоток, которая перекрывает эффективную площадь плоскости, которая простирается перпендикулярно центральным осям обмоток, так что имеются первая и вторая концевая обмотка на противоположных концах последовательности и факультативно, в случае трех или более обмоток, по меньшей мере одна средняя обмотка между концевыми обмотками последовательности,
- по меньшей мере для одной фазовой линии (и предпочтительно для всех фазовых линий) число витков на обмотку последовательности обмоток выбирается так, что они отличаются друг о друга.
Прежде всего, по меньшей мере одна из фазовых линий может быть оснащена тремя или боле чем тремя обмотками, так что последовательность обмоток содержит по меньшей мере одну среднюю обмотку, причем каждая из концевых обмоток образована меньшим числом витков, чем средняя обмотка или средние обмотки.
Прежде всего, может быть проведено по меньшей мере одно измерение, моделирование и/или расчет напряженности электромагнитного, электрического или магнитного поля, созданного структурой и, альтернативно или дополнительно, созданного системой, которая включает в себя структуру и, кроме того, включает в себя проводниковую структуру первичной стороны для генерирования электромагнитного поля, и - на основании результатов измерения, моделирования и/или расчета - может изменено или выбрано число витков обмоток по меньшей мере одной из фазовых линий для структуры, которое должно использоваться на практике. Предпочтительно, измерение, моделирование и/или расчет напряженности поля может выполняться многократно, прежде всего итерационно, для разных распределений витков, имеющих одно и то же суммарное число витков.
В дополнение, предложен способ эксплуатации транспортного средства посредством приемного устройства, который принимает переменное электромагнитное поле и вырабатывает переменный электрический ток посредством магнитной индукции, причем приемным устройством используется несколько фазовых линий, причем каждая фазовая линия передает одну разную фазу нескольких фаз токов переменного электрического тока, причем:
- каждая фаза эксплуатируется с использованием по меньшей мере двух обмоток,
- в каждой обмотке переменный электрический ток передается по меньшей одним витком фазовой линии,
- если какая-либо из обмоток состоит из одного витка, то виток закручивается вокруг центральной оси обмотки,
- если какая-либо из обмоток состоит из более чем одного витка, то витки являются последовательными участками фазовой линии, закручиваемыми вокруг центральной оси обмотки,
- по меньшей мере две обмотки каждой фазы используются как последовательность обмоток, которая перекрывает эффективную площадь в плоскости, которая простирается перпендикулярно центральным осям обмоток, так что на противоположных концах последовательности имеются первая и вторая концевая обмотка и факультативно, в случае трех или более обмоток, по меньшей мере одна средняя обмотка между концевыми обмотками последовательности,
- по меньшей мере в одной из фазовых линий (и предпочтительно во всех фазовых линиях) число витков на обмотку последовательности обмоток, через которую протекает фазовый ток переменного электрического тока, отличаются друг от друга.
Прежде всего, если последовательность обмоток содержит три или более чем три обмотки, так что последовательность обмоток содержит по меньшей мере одну среднюю обмотку, фазовый ток переменного электрического тока течет в концевых обмотках предпочтительно через меньшее число витков, чем в средней обмотке или средних обмотках.
Варианты осуществления способа изготовления структуры и способ эксплуатации транспортного средства посредством приемного устройства, следуют из описания вариантов осуществления структуры.
Прежде всего, является предпочтительным, что по меньшей мере одна из фазовых линий (и предпочтительно каждая из фазовых линий) содержит три или более чем три обмотки, так что последовательность обмоток содержит по меньшей мере одну среднюю обмотку между концевыми обмотками последовательности. Каждая концевая обмотка состоит из меньшего числа витков, чем средняя обмотка или средние обмотки. Предпочтительно, в случае трех обмоток в последовательности, отношение числа витков, образующих концевые обмотки, к числу витков, образующим среднюю обмотку, находится в диапазоне от 0,33 до 0,66, предпочтительно в диапазоне от 0,4 до 0,6, прежде всего равно 0,5.
Прежде всего, по меньшей мере одна из фазовых линий может содержать по меньшей мере четыре обмотки, так что последовательность обмоток содержит по меньшей мере две средние обмотки. В дополнение или альтернативно, две из средних обмоток, которые являются соседними обмотками в последовательности, могут состоять из одинакового числа витков фазовой линии. Однако имеются альтернативные варианты осуществления, имеющие три средние обмотки или по меньшей мере три средние обмотки, и число витков средней обмотки, которая расположена между двумя другими средними обмотками, отличается от числа витков других средних обмоток. В любом случае четыре или более чем четыре обмотки делают возможными конфигурации, в которых число витков концевых обмоток уменьшено на большее число витков, поскольку имеется больше средних обмоток, которые могут иметь увеличенное число обмоток [по смыслу должно быть «витков» -прим. переводчика].
В особо предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одна из фазовых линий (и предпочтительно каждая из фазовых линий) содержит по меньшей мере четыре обмотки, так что последовательность обмоток содержит по меньшей мере две средние обмотки, причем две концевые обмотки факультативно состоят из одинакового числа витком фазовой линии, и причем отношения числа витков, образующих каждую из концевых обмоток, к числу витков, образующих средние обмотки рядом (то есть по соседству) с соответствующей концевой обмоткой находится в диапазоне от 0,33 до 0,66, предпочтительно в диапазоне от 0,4 до 0,6, прежде всего равно 0,5. Исследования изобретателя показали, что идеальное распределение витков для последовательности из четырех обмоток характеризуется отношением, близким к 0,5. Однако не все суммарные числа витков в последовательности делают возможным отношение точно равным 0,5 или почти точно равным 0,5. Например, суммарное число в двадцать витков в предпочтительном распределении витков приводит к числам 3-7-7-3, то есть концевые обмотки имеют три витка, а средние обмотки имеют семь витков. Для пяти обмоток распределение может быть, например, 2-4-3-4-2 или 4-9-6-7-4. Предпочтительно, в случае пяти обмоток центральная обмотка имеет число витков, которое является средним числом на обмотку.
Оптимизация распределения витков, которая уменьшает максимальное значения напряженности поля в заранее установленном диапазоне местоположений, путем распределения суммарного числа витков последовательности обмоток по отдельным обмоткам последовательности оптимизированным образом, может начаться с распределения, в котором только средняя обмотка или средние обмотки рядом с концевыми обмотками имеют большее число витков, чем соседние концевые обмотки, согласно условиям, описанным в предыдущем абзаце. Тогда распределение витков может быть изменено, и оно может быть выбрано, если изменение привело к улучшенному (уменьшенному) максимальному значению поля в заранее установленном диапазоне местоположений. Прежде всего, может быть принято в рассмотрение для оптимизации суммарное поле, вызванное проводниковой структурой первичной стороны и приемным устройством вторичной стороны.
Однако, прежде всего, если принимается в расчет суммарное поле системы для передачи энергии от проводниковой структуры первичной стороны к приемному устройству вторичной стороны, и если последовательность обмоток содержит пять обмоток, число витков на обмотку в трех средних обмотках может быть разным. Например, суммарное число витков пяти обмоток может быть равным 15. В этом случае распределение витков может быть 2-4-3-4-2, то есть центральная обмотка имеет только три витка, в то время как две другие средние обмотки имеют четыре витка. В случае равного 35 суммарного числа витков распределение может быть 5-9-7-9-5 или, альтернативно, 4-10-7-10-4. Следовательно, упомянутое выше правило для четырех обмоток в последовательности обмоток может быть адаптировано к пяти или более чем пяти обмоткам следующим образом: отношение числа витков, образующих каждую из концевых обмоток, к числу витков, образующих средние обмотки, находящиеся непосредственно по соседству с концевыми обмотками, находится в диапазоне от 0,33 до 0,66, предпочтительно в диапазоне от 0,4 до 0,6, прежде всего равно 0,5. Однако не является необходимым, что две средние обмотки, которые находятся непосредственно по соседству с концевыми обмотками, имеют одинаковое число витков. Прежде всего, число их витков может отличаться на единицу или двойку. В дополнение или альтернативно, число витков двух концевых обмоток может отличаться на единицу, двойку или другое число.
Оптимизация распределения витков, прежде всего путем уменьшения числа витков концевых обмоток и увеличения числа витков средних обмоток, имеет то преимущество, что могут соблюдаться максимальные пределы напряженности поля без использования дополнительных материалов для защиты окружающей среды от электромагнитного поля или магнитного поля. В дополнение, не требуется уменьшать суммарное число витков и/или уменьшать интенсивность электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой первичной стороны. Изобретение особо полезно для индуктивных систем передачи энергии, имеющих сравнительно большие расстояния между проводниковой структурой первичной стороны и приемным устройством вторичной стороны, что происходит, прежде всего, когда транспортное средство, имеющее приемное устройство вторичной стороны, перемещается относительно проводниковой структуры первичной стороны.
Обычно критерием оптимизации распределения витков предпочтительно является максимальное значение напряженности поля (прежде всего, среднеквадратическое значение амплитуды магнитного поля) в заранее определенном диапазоне местоположений, таких как вдоль прямой линии параллельно центральной линии системы обмоток.
Как упомянуто выше, длины участков электрической линии, которые образуют полный виток, могут изменяться для разных витков одной и той же обмотки и могут также изменяться для разных обмоток. Однако является предпочтительным, что все обмотки одной и той же последовательности обмоток и, предпочтительно, все обмотки всей систему обмоток имеют одинаковую форму и перекрывают одну и ту же область. Прежде всего, участки электрической линии, которые образуют полный виток, могут иметь разную длину, если обмотка образована спиралью. Однако, как будет описано со ссылкой на прилагаемые фигуры, даже в этом случае разность длин витков сравнительно мала (например, отличается максимально на 10%). Однако, вообще говоря, разное число витков эквивалентно разной суммарной длине электрической линии, которая образует обмотку, имеющую несколько витков.
Еще один вариант осуществления основывается на следующих полученных данных: Напряженность электромагнитного поля, которое создается электрическими токами, протекающими через фазовую линию (линии) приемного устройства во время работы, может быть уменьшена исключительно использованием последовательности, имеющей пять обмоток (по меньшей мере для одной фазовой линии и, предпочтительно, для всех фазовых линий приемного устройства). В случае пяти обмоток имеются пары участков фазовой линии, которые распространяются перпендикулярно продольному направлению последовательности обмоток. Электрический ток, который течет через эти простирающиеся перпендикулярно участки фазовой линии, вырабатывают электромагнитные поля, которые частично компенсируют друг друга, если принимается во внимание каждая пара простирающихся перпендикулярно участков. Вследствие нечетного числа обмоток, простирающиеся перпендикулярно участки фазовой линии могут быть сгруппированы полностью в пары такого вида. В противоположность этому, простирающиеся перпендикулярно участки фазовой линии последовательности обмоток, имеющей четное число обмоток, не могут быть сгруппированы полностью в пары такого вида. Скорее будет иметься остающийся простирающийся перпендикулярно участок (или в случае обмоток, имеющих более чем один виток, соответствующее число остающихся простирающихся перпендикулярно участков), не имеющий компенсирующего парного участка. В дополнение, в случае, когда все обмотки последовательности имеют одинаковую форму и перекрывают площадь одинакового размера, все электрические тока, текущие через обмотки, являются симметричными относительно точки на центральной оси центральной обмотки.
Кроме того, по сравнению с последовательностью, имеющей только три обмотки, последовательность, имеющая пять обмоток, имеет то преимущество, что имеется значительно больший средний участок, образованный тремя средними обмотками. Напряженность поля сбоку от среднего участка мало по сравнению с напряженностью поля сбоку от концевых участков, как описано выше. По сравнению с последовательностью, имеющей семь или более чем семь обмоток, последовательность, имеющая пять обмоток, имеет то преимущество, что число обмоток меньше и, следовательно, вес и потери энергии во время работы уменьшены. Прежде всего, потери энергии вызываются сопротивлением фазовой линии и электрическими токами, которые индуцируются в любом ферромагнитном материале, который является составной частью приемного устройства. В дополнение, полюсный шаг, то есть расстояние между полюсами магнитного поля, создаваемого последовательностью обмоток вследствие индукции, больше для четырех обмоток, по сравнению с семью или более обмотками.
Преимущества последовательности, образованной пятью обмотками, применимы также к обмоткам последовательности, имеющим то же самое число витков (то есть длины участков фазовой линии, которые в каждом случае образуют одну обмотку, одинаковы). Следовательно, хотя не предпочтительно, этот вариант осуществления также содержит случай, что все пять обмоток имеют одинаковое число витков. Однако, как является предпочтительным, число витков обмоток последовательности (последовательностей) отличается, как описано везде в этом описании. В этом случае преимущество пяти обмоток добавляется к преимуществу оптимизированного распределения витков.
Следовательно, вообще говоря, вариант осуществления, включающий в себя последовательность, имеющую пять обмоток, может быть определен следующим образом: структура для обеспечения транспортного средства электрической энергией, причем структура содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и для выработки переменного электрического тока посредством магнитной индукции, причем приемное устройство содержит по меньшей мере одну, и предпочтительно, несколько фазовых линий, причем каждая фазовая линия выполнена для передачи иного из нескольких фазовых токов переменного электрического тока, причем:
- каждая фазовая линия образует пять обмоток,
- каждая обмотка состоит по меньшей мере из одного витка фазовой линии,
- если любая из обмоток состоит из одного витка, то виток закручивается вокруг центральной оси обмотки,
- если любая из обмоток состоит из более чем одного витка, то витки являются последовательными участками фазовой линии, закручиваемыми вокруг центральной оси обмотки,
- пять обмоток каждой фазы расположены рядом друг с другом так, чтобы образовывать последовательность обмоток, которые перекрывают эффективную площадь в плоскости, которая простирается перпендикулярно центральным осям обмоток, так что имеются первая и вторая концевая обмотка на противоположных концах последовательности и три средние обмотки между концевыми обмотками последовательности одной фазовой линии или по меньшей мере одной из фазовых линий (и предпочтительно, для всех фазовых линий).
Соответствующие варианты осуществления, что касается пяти обмоток на последовательность, следуют из определений транспортного средства, содержащего структуру, систему для передачи энергии к транспортному средству, способ изготовления структуры и способ эксплуатации транспортного средства посредством приемного устройства.
В одном варианте осуществления каждая из обмоток по меньшей мере одной фазовой линии перекрывает площадь такого же размера, как и другие обмотки одной и той же последовательности обмоток в плоскости, которая простирается перпендикулярно центральным осям обмоток. Особо ширина обмоток может быть одинаковой. Ширина измеряется в направлении, которое перпендикулярно центральным осям обмоток и которое перпендикулярно продольному направлению, которое простирается от первой концевой обмотки до второй концевой обмотки. Особо в случае обмоток, имеющих одинаковую ширину, уменьшение длины концевых обмоток в продольном направлении не уменьшает напряженность поля сбоку от концевых обмоток.
Обмотки по меньшей мере одной фазовой линии, которые являются частями одной и той же последовательности обмоток, могут быть расположены со смещением относительно друг друга - относительно продольного направления, простирающегося от первой концевой обмотки до второй концевой обмотки - на постоянную первую длину смещения. «Смещенные» означает, что обмотки не уложены друг на друга, а распределены в продольном направлении. Следовательно, первая длина смещения не является расстоянием между двумя соседними обмотками (поскольку может не быть вообще никакого расстояния, если обмотки перекрываются или помещены рядом друг с другом без промежутка), а это длина, на которую две соседние обмотки смещены, начиная с гипотетического начального состояния уложенных друг на друга обмоток. В случае обмоток, имеющих одинаковую форму (например, прямоугольных или круглых), первая длина смещения является длиной, на которую должна быть смещена одна из соседних обмоток, чтобы две соседние обмотки точно перекрывали одну и ту же площадь. Является предпочтительным, что первая длина смещения равна половине длины заранее заданной электромагнитной волны, которая создается переменным электромагнитным полем при распространении в продольном направлении во время работы в структуры.
Электрическая проводниковая структура первичной стороны может быть выполнена для выработки заранее заданной электромагнитной волны. Выработка подобной движущейся или простирающейся электромагнитной волны с использованием проводниковой структуры первичной стороны, которая является неподвижной относительно полосы движения или дороги транспортного средства, известно из WO 2010/031595 А2. Например, фиг. 12 и соответствующее описание в документе описывают подобную движущуюся волну. Если первая длина смещения равна половине длины волны, то обмотки одной и той же последовательности обмоток могут передавать максимально возможный фазовый ток, в то время как фазовый ток течет через пару соседних обмоток в противоположных направлениях, если смотреть в направлении центральных осей (например, если смотреть сверху). Конечно, согласно основному принципу электричества, фазовый ток течет через всю фазовую линию в одном и том же направлении. Другими словами, две соседние обмотки намотаны в противоположном направлении, если следовать за продолжением фазовой линии и если смотреть в направлении центральных осей.
Прежде всего, разные последовательности обмоток фазовых линий расположены со смещением относительно друг другу - относительно продольного направления, простирающегося от первой концевой обмотки ко второй концевой обмотке любой последовательности обмоток - на вторую длину смещения, причем вторая длина смещения равна целому кратному первой длины смещения, деленному на число фазовых линий. Например, в случае трех фазовых линий последовательности могут быть смещены на 1/3 (что предпочтительно, поскольку суммарная длина системы последовательностей меньше) или 2/3 первой длины смещения. Следовательно, в этих примерах целое число будет равно 1 или 2.
Примеры изобретения будут описаны ниже со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг. 1 схематически показывает вид сверху структуры для обеспечения транспортного средства электрической энергией, причем структура содержит три фазовые линии, причем каждая фазовая линия образует последовательность из четырех обмоток, которые расположены вблизи друг друга
Фиг. 2 схематически показывает две обмотки каждой из фазовых линий на фиг. 1, причем также показана электромагнитная волна для демонстрации напряженности переменного магнитного поля в первый момент времени,
Фиг. 3 схематически показывает иллюстрацию, подобную иллюстрации, показанной на фиг. 2, но в более поздний момент времени,
Фиг. 4 показывает иллюстрацию, подобную иллюстрациям на фиг. 2 и фиг. 3, но для двух средних обмоток последовательности обмоток,
Фиг. 5 схематически показывает распределение витков последовательности обмоток для примера одной из последовательностей, показанных на фиг. 1,
Фиг. 6 схематически показывает проводниковую структуру первичной стороны для создания электромагнитного поля, прежде всего, для создания магнитной волны, которая простирается в направлении движения транспортного средства, причем транспортное средство также показано на фигуре,
Фиг.7 схематически показывает транспортное средство из фиг. 5, включая некоторые устройства внутри транспортного средства,
Фиг. 8 схематически показывает вид сбоку приемного устройства транспортного средства, причем приемное устройство содержит слой, имеющий обмотки и, кроме того, содержит ферромагнитное тело на слое,
Фиг. 9 показывает схематический вид сверху обмоток из фиг. 1 и фиг. 8, включая положение ферромагнитного тела на слое фазовой линии,
Фиг. 10 показывает альтернативный вариант осуществления показанной на фиг. 9 структуры, причем ферромагнитное тело полностью перекрывает эффективную площадь, которая перекрыта обмотками,
Фиг. 11 показывает вид сверху последовательности обмоток, причем обмотки образованы витками, которые намотаны по спирали,
Фиг. 12  - величины измерений напряженности поля (здесь: RMS) вдоль прямой линии, простирающейся параллельно центральной линии системы обмоток приемного устройства, причем прямая линия простирается на расстоянии 140 см от центральной линии, и причем величины напряженности поля были измерены для распределения витков трехфазной структуры обмоток, имеющей равные числа витков в каждой обмотке, причем напряженность поля относится к суммарному полю, созданному электрическими проводниками системы обмоток и проводниковой структурой первичной стороны,
Фиг. 13 смоделированная суммарная напряженность поля вдоль прямой линии, как описано относительно фиг. 12 для подобной проводниковой структуры первичной стороны,
Фиг. 14 смоделированная суммарная напряженность поля в той же ситуации, что и показанной на фиг. 13, но для оптимизированного распределения витков согласно настоящему изобретению, и
Фиг. 15 структура, подобная показанной на фиг. 1, но с пятью обмотками на последовательность.
На фиг. 1 показаны четыре последовательности обмоток, причем каждая последовательность образована разной фазовой линией проводниковой структуры для выработки трехфазного переменного тока посредством магнитной индукции. Структура является частью приемного устройства, установленного на транспортном средстве.
Каждая из последовательностей G, R, В содержит четыре обмотки С. Отдельные обмотки обозначены посредством GCL, GCM1, GCM2, GCR для последовательности G, посредством RCL, RCM1, RCM2, RCR для последовательности R и посредством BCL, ВСМ1, ВСМ2, BCR для последовательности В. В примере обмотка С имеет прямоугольную форму, то есть площадь, которая перекрывается соответствующей формой, является прямоугольной. Альтернативно может быть возможной другая форма. Однако является предпочтительным, что формы всех обмоток одинаковы, и что все последовательности проводниковой структуры приемного устройства имеют одинаковое число обмоток. Поскольку каждая последовательность G, R, В обмоток С образована размещением отдельных обмоток С рядом друг с другом, то эффективная площадь каждой последовательности G, R, В в примере также является прямоугольной. Кроме того, обмотки С одной и той же фазовой линии не перекрываются, так что эффективная площадь последовательности равна сумме площадей, которые перекрываются обмотками С последовательности G, R, В. Для того чтобы более понятно разъяснить обозначения, например, обозначение обмотки "GCL" означает, что обмотка является частью последовательности G и что обмотка является левой L обмоткой (то есть первой концевой обмоткой) последовательности G. Обозначение "GCM1" означает, что обмотка С является частью последовательности G и является первой средней M1 обмоткой С. Обозначение "R" как третьей буквы в обозначении обмотки (например, GCR) означает, что обмотка является правой R обмоткой (то есть второй концевой обмоткой) в соответствующей последовательности. Три последовательности G, R, В, показанные на фиг. 1, распределены в вертикальном направлении фигуры, однако это сделано только с целью пояснения. На практике является предпочтительным, что нет никакого распределения в направлении, перпендикулярном продольному направлению, которое простирается от левой обмотки до правой обмотки в каждой последовательности и которое является горизонтальным направления на фиг. 1.
Обмотки последовательности G смещены относительно друг друга на первую длину смещения SL1, и эта первая длина смещения SL1 является постоянной для всех пар обмоток последовательности G, и это относится также к другим последовательностям R и В. То же самое может быть применимым также к другим структурам, которые могут содержать разное число обмоток на последовательность. Первая длина смещения SL1 показана двухлинейной стрелкой. Имеются также однолинейные стрелки, проходящие вблизи обмоток С последовательности G. Эти однолинейные стрелки показывают направление намотки фазовой линии для создания витков, которые образуют обмотки С. Другие последовательности R, В образованы таким же образом, как и последовательность G. Однако разные последовательности G, R, В смещены относительно друг друга на вторую длину SL2 смещения, которая также показана двухлинейной стрелкой для последовательностей G, R. Третья последовательность В также смещена на такую же вторую длину SL2 смещения относительно второй последовательности R. Вторая длина SL2 смещения является 1/3 первой длины SL1 смещения. В случае электромагнитного поля, которое имеет изменяющуюся периодически напряженность поля относительно продольного направления (такие изменяющиеся магнитные поля показаны на фиг. 2 - фиг. 4), причем длина периода равна первой длине SL1 смещения, умноженной на 2, электрические токи одинаковой величины индуцируются в каждом участке линии, который простирается перпендикулярно продольному направлению, при условии, что эти участки линии расположены в одном и том же положении в продольном направлении или в одном и том же положении плюс или минус удвоенная первая длина SL1 смещения. На следующих фигурах фиг. 2 - фиг. 4 обсуждаются некоторые ситуации относительно индукции электрического напряжения и результирующие электрические токи, включая влияния на амплитуду поля сбоку от структуры. «Сбоку» означает не выше и не ниже последовательностей, а в горизонтальном или вертикальном направлении фиг. 1 сбоку от последовательностей G, R, В.
На фиг. 15 показан вариант фиг. 1 для структуры, имеющей пять обмоток на последовательность. Поэтому отдельные обмотки обозначены как GCL, GCM1, GCM2, GCM3, GCR для последовательности G, как RCL, RCM1, RCM2, RCM3, RCR для последовательности R и как BCL, ВСМ1, ВСМ2, ВСМ3, BCR для последовательности В. В других отношениях описание для фиг. 1 и других вариантов и/или особенностей структуры, схематически показанной на фиг. 1, также применимо к структуре, схематически показанной на фиг. 15.
На фиг. 2 и фиг. 4 также показаны виды сверху обмоток структуры, показанной на фиг. 1 или фиг. 15, но показаны не все обмотки, и на фигурах также показана магнитная волна. Магнитная волна перемещается со скоростью v_M в продольном направлении последовательности обмоток, которое обозначено как «направление х». Направление, перпендикулярное продольному направлению, используется только с целью пояснения, чтобы показать переменный магнитный поток. На практике магнитный поток В фактически изменяется в продольном направлении, но не изменяется значительно в направлении, перпендикулярном продольному направлению, которое также перпендикулярно центральным осям обмоток (следовательно, эти оси распространяются перпендикулярно плоскости изображения фиг. 1 - фиг. 4 и фиг. 15). Соответствующие линии потока магнитного поля распространяются приблизительно параллельно друг другу, и также параллельно центральным осям обмоток.
Магнитный поток В(х) является синусоидальной функцией местоположения х. Длина волны равна первой длине SL1 смещения, умноженной на два. В момент времени, которые показан на фиг. 2, магнитный поток В является максимальным на левом конце обмотки GCL, который также является левым концом последовательности G обмоток. Поскольку разные последовательности G, R, В смещены относительно друг другу на вторую длину SL2 смещения, то магнитный поток на левом конце последовательности R (то есть левом конце обмотки RCL) все еще положительный. Следовательно, электрический ток, которые течет через электрическую линию на конце обмотки RCL, течет в том же направлении, что и текущий через электрическую линию электрический ток на левом конце обмотки GCL, но имеет меньшую величину. Однако электрический ток, который течет через электрическую линию на левом конце обмотки BCL, течет в обратном направлении. Следовательно, магнитные поля, которые вызваны протекающими через обмотки электрическими токами в области левых концов, частично компенсируют друг друга.
В отличие от этого, на фиг. 3 показан другой момент времени, в который электрические токи на концах обмоток GCL, RCL, BCL текут в одинаковом направлении. Следовательно, магнитные поля, которые вырабатываются этими токами, не компенсируют друг друга, а вырабатывают усиленное магнитное поле. То же самое относится к токам в других частях GCL, RCL, BCL на левых концах последовательностей G, R, В. Разумеется, то же самое относится к обмоткам GCR, RCR, BCR на противоположных концах последовательностей G, R, В. Усиленное результирующее поле может наблюдаться сбоку от концевых обмоток.
Ситуация сбоку от средних обмоток последовательности другая, как показано на фиг. 4. В качестве примера показаны средние обмотки GCM1, GCM2 последовательности G. Электрические токи, которые вызваны магнитной волной, циркулируют в противоположных направления через эти две соседние обмотки. Следовательно, например сбоку от средних обмоток в верхней части фиг. 4, магнитные поля, которые вызваны протекающим через средние обмотки GCM1, GCM2 током, частично компенсируют друг друга.
Следовательно, принимая во внимание наблюдения, которые были проиллюстрированы со ссылкой на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, число витков в концевых обмотках может быть выбрано меньшим, чем число витков в средних обмотках. Фиг. 5 схематически иллюстрирует особый пример, причем суммарное число витков во всех обмотках последовательности G равно двадцати четырем. Каждый виток представлен прямоугольником. Например, левая обмотка GCL и правая обмотка GCR имеют в каждом случае четыре витка, а средние обмотки GCM1, GCM2 имеют в каждом случае восемь витков, как показано на фиг. 5. В случае пяти обмоток на последовательность, третья средняя обмотка GCM3 может иметь число витков второй средней обмотки GCM2, которая показана на фиг. 5, а вторая средняя обмотка GCM2 (которая является центральной обмоткой относительно продольного направления последовательности), может иметь такое же или разное число витков. Предпочтительно, распределение витков в случае пяти обмоток на последовательность является результатом оптимизации в отношении максимальной напряженности поля, как описано выше и ниже.
На фиг. 6 показана полоса движения 83 (здесь: железнодорожный путь, имеющий два рельса), которая занята привязанным к полосе движения транспортным средством 81, таким как поезд местного общественного транспорта или трамвай. Электрическая проводниковая структура первичной стороны смонтирована на полосе движения для выработки электромагнитного поля. Она содержит сегменты T1, Т2, Т3, которые могут эксплуатироваться независимо друг от друга. В ситуации, показанной на фиг. 6, эксплуатируется только средний сегмент Т2, поскольку приемное устройство 85 транспортного средства 81 расположено над сегментом Т2. Например, проводниковая структура первичной стороны может быть сконструирована, как описано в WO 2010/031595 А2 в связи с фиг. 1 документа. Как показано на прилагаемой фиг. 6, каждый из следующих друг за другом сегментов T1, Т2, Т3 может быть подключен через отдельный переключатель K1, K2, K3 для включения или выключения сегмента T1, Т2, Т3 к главной линии 108. В случае системы трехфазного переменного тока главная линия 108 может содержать провода или кабели для каждой фазы. Дальний конец главной линии 108 (на правой стороне фиг. 1, но не показан) может содержать общую точку звезды всех трех фаз. Альтернативно, главная линия 108 может быть линией постоянного тока, и переключатели K1, K2, K3 могут содержать инверторы для выработки текущего через сегменты T1, Т2, Т3 переменного тока. Противоположная сторона главной линии 108 подключена к источнику 101 энергии.
Проводниковая структура первичной стороны может быть расположена под землей или над землей. Прежде всего, в случае железнодорожного пути, имеющего два рельса, по которым могут катиться колеса рельсового транспортного средства, проводниковая структура может быть расположена над землей между рельсами на уровне железнодорожных шпал или частично над землей, но под железнодорожными шпалами. Если железнодорожные шпалы изготовлены, например, из бетона, то шпалы или другие структуры для крепления рельсов могут иметь отверстия и/или полости, через которые проходит линия или линии проводниковой структуры. Посредством этого структура железной дороги может быть использована для поддержания линии (линий) в желательной извилистой форме. В случае дороги проводниковая структура первичной стороны может быть также расположена под землей (то есть, встроена в материал дороги) или над землей.
Привязанное к полосе движения транспортное средство 81 содержит на его нижней стороне приемное устройство 85 для приема электромагнитного поля, которое создается проводниковой структурой первичной стороны. Приемное устройство 85 электрически подключено к бортовой электрической сети 86 (см. фиг. 7) так, что электрическая энергия, которая индуцируется в приемном устройстве 85, может быть распределена внутри транспортного средства 81. Например, вспомогательные устройства 90 и двигательные устройства 80, 84 для эксплуатации ходовых двигателей (не показаны) в корпусах 87а, 87b, имеющих колеса 88а, 88b, 88с, 88d могут быть подключены к распределительной сети 86. Кроме того, к распределительной сети могут быть подключены также накопитель 82 энергии, такой как электрохимические накопители энергии и/или система конденсаторов, таких как суперконденсаторы. Следовательно, накопитель 82 энергии может заряжаться энергией, принятой приемным устройством 85, прежде всего, во время остановок транспортного средства 81 на полосе движения. Когда транспортное средство 81 перемещается по полосе движения, часть тяговой энергии, которая необходима для движения транспортного средства 81, может отбираться от накопителя 82 энергии, и одновременно энергия, которая принимается приемным устройством, может вносить вклад в тяговое усилие, то есть может быть частью тяговой энергии.
Вид в сечении на фиг. 8 показывает полосу 201 движения и приемное устройство 213 транспортного средства над полосой 201 движения (например, полоса движения и транспортное средство на фиг. 6 фиг. 7). Полоса 201 движения и приемное устройство 213 содержат электрические линии (показанные как маленькие окружности на фиг. 8), которые распространяются в направлении движения (горизонтальное направление на фиг. 8-10, которое представлено на фиг. 8 стрелкой, обозначенной через v_A, указывающей на скорость транспортного средства). Однако размещение и положения электрических линий на фиг. 8-10 выбраны только с целью пояснения и не соответствуют положениям в вариантах осуществления изобретения, которые могут быть использованы на практике. Вместо этого электрические линии (называемые также фазовыми линиями) приемного устройства 213 образуют обмотки, как описано выше. Расположение электрических линий 9, 10, 11 приемного устройства, показанное на фиг. 9 и 10, просто иллюстрируют факт, что в примере имеются три фазовые линии. Кроме того, расположение электрических линий 9, 10, 11 иллюстрирует наружные размеры эффективной плоскости, которые перекрывается обмотками. Эффективная площадь меньше, чем наружные размеры приемного устройства 213, которые показаны прямоугольником 308. Например, электрические линии 9, 10, 11 могут быть соединены друг с другом так, чтобы образовывать точку 122 звезды. Между соединениями электрических линий 9, 10, 11, которые показаны слева на фиг. 9 и 10, во время работы приемного устройства посредством магнитной индукции индуцируются напряжения U1, U2, U3 (которые являются функцией времени t).
Выполненное в форме листа тело 211, изготовленное из феррита или другого ферромагнитного материала, простирается в плоскости на более высоком уровне над плоскостью электрических линий приемного устройства 213. Виды сверху на фиг. 9 и фиг. 10 показывают, что размер тела 211 может изменяться по сравнению с эффективной площадью. Предпочтительно, длина тела 211 в направлении движения и ширина в направлении, перпендикулярном направлению движения и перпендикулярном центральным осям обмоток, по меньшей мере больше, чем эффективная площадь, которая перекрывается обмотками (фиг. 10), в противоположность меньшему размеру тела 211 на фиг. 9. Преимуществом является то, что обмотки полностью перекрываются телом 211 и, следовательно, внутренняя часть транспортного средства над телом 211 поддерживается почти свободным от электромагнитного поля, создаваемого обмотками и проводниковой структурой первичной стороны. С другой стороны, тело 211 собирает в пучок линии магнитного потока и поэтому увеличивает эффективность магнитной связи посредством индукции между проводниковой структурой первичной стороны и приемным устройством транспортного средства. Магнитная связь обозначена буквой М на фиг. 9 и фиг. 10.
На фиг. 11 показана плоская система обмоток CL, СМ1, СМ2, CR, которые образуют последовательность обмоток однофазной линии. Подобно системе, показанной на фиг. 1, последовательность обмоток, показанная на фиг. 11, может комбинироваться с двумя дополнительными последовательностями обмоток двух других фазовых линий, причем разные последовательности обмоток смещены относительно друг другу в продольном направлении (горизонтальное направления на фиг. 1 и фиг. 11). Все обмотки последовательности, показанной на фиг. 11, образованы спирально намотанной фазовой линией, так что структура является, прежде всего, плоской в направлении, перпендикулярном плоскости изображения на фиг. 11.
Фазовая линия 19 имеет два клеммных соединителя 20а, 20b для подключения фазовой линии к наружным устройствам, таким как выпрямитель и/или бортовая электрическая сеть транспортного средства, показанного на фиг. 6 и фиг. 7. Следуя распространению фазовой линии 19 начиная с оконечного соединения 20а, фазовая линия 19 выполняет три витка 31а, 31b, 31с для образования спиральной первой концевой обмотки CL. Внутренний виток 31с соединен с первой соединительной линией для соединения первой концевой обмотки CL с первой средней обмоткой СМ1.
Следуя дальнейшему распространению фазовой линии 19, первая соединительная линия 32 подключена к внутреннему витку 33f первой средней обмотки СМ1, которая также имеет несколько витков 33а-33f, образующих спиральную обмотку, однако число витков первой средней обмотки СМ1 равно шести. Наружный виток 33а первой средней обмотки СМ1 соединен через вторую соединительную линию 34 с наружным витком 35а второй средней обмотки СМ2. Вторая средняя обмотка СМ2 сконфигурирована так же, как первая средняя обмотка СМ1, то есть она также имеет шесть витков 35а-35f.
Внутренний виток 35 второй средней обмотки СМ2 соединен через третью соединительную линию 36 с внутренним витком 37с второй концевой обмотки CR, которая имеет три витка 37а, 37b, 37с и сконфигурирована так же, как первая концевая обмотка CL. Наружная обмотка 37а второй концевой обмотки CR соединена со вторым клеммным соединителем 20b фазовой линии 19. Спиральные обмотки могут быть также использованы в других конфигурациях последовательностей обмоток. Например, число обмоток на последовательность может изменяться. В дополнение или альтернативно, число витков отдельных обмоток может изменяться, например, распределение витков может быть 3-7-7-3 или 4-6-6-4 или 2-4-6-4-2 или 3-5-4-4-2.
Для всех случаев не требуется, чтобы две концевые обмотки имели одинаковое число витков. В дополнение, не требуется, чтобы две средние обмотки, которые находятся по соседству с концевыми обмотками, имеют одинаковое число витков. Вообще говоря, оптимизация распределения витков может привести к любому числу витков для соответствующей обмотки. Однако в большинстве случаев число витков концевых обмоток меньше, чем число витков по меньшей мере одной из средних обмоток (или только средней обмотки).
Прежде всего, число витков концевых обмоток типично меньше, чем число витком соседней средней обмотки.
Последовательность обмоток, схематически показанная на фиг. 11, может быть изменена, чтобы иметь пять обмоток. В этом случае третья средняя обмотка СМ3 может быть вставлена между второй средней обмоткой СМ2 и третьей концевой обмоткой CR. Например, третья соединительная линия 36 может соединять вторую среднюю обмотку СМ2 с третьей средней обмоткой СМ3, и дополнительная соединительная линия может соединять третью среднюю обмотку СМ3 с клеммным соединителем 20b фазовой линии 19. Таким образом может быть реализовано любое распределение витков, безразлично, имеются ли две, три или более средних обмоток.
На фиг. 12 показан измеренный профиль суммарной напряженности магнитного поля В вдоль прямой линии параллельно центральной линии системы обмоток. Например, в структуре обмоток, показанной на фиг. 11, центральная линия будет распространяться в горизонтальном направлении фигуры на одинаковом расстоянии от верхнего и нижнего участков витков, показанных на фигуре, которые распространяются в горизонтальном направлении фигуры. В случае результатов измерения, показанных на фиг. 12, расстояние от прямой линии до центральной линии равно 1,4 м. На горизонтальной оси на фиг. 12 показано положение X в продольном направлении вдоль прямой линии. Измерения выполнялись только сбоку от обмоток приемного устройства на суммарной длине 3,6 м. Прежде всего, это равно длине системы обмоток.
Измеренные значения являются результатом суммарной напряженности В поля во время работа приемного устройства. Это значит, что суммарное поле создается проводниковой структурой первичной стороны, которая генерирует электромагнитное поле для передачи энергии к приемному устройству, и самим приемным устройством. В показанном примере ширина системы обмоток в направлении расстояния между прямой линей и центральной линией равна 1 м.
На фиг. 13 показана смоделированная зависимость суммарной напряженности В поля вдоль прямой линии для похожей, но разной конфигурации проводниковой структуры первичной стороны. Однако основные результаты измерения, показанного на фиг. 12, и моделирования, показанного на фиг. 13, одинаковы: имеется максимум напряженности поля в одном местоположении на прямой линии, и напряженность моля в других местоположениях вдоль прямой линии значительно меньше и (в случае измерений) составляет только половину максимума в некоторых местоположениях.
На фиг. 14 показаны результаты моделирования для такой же ситуации, что и показанной на фиг. 13, но для оптимизированного распределения витков системы обмоток. Напряженность поля изменяется вдоль прямой линии лишь немного.