综上所述,将上述两种分类方式交叉组合后,动态无线供电系统的磁耦合机构可以分为四类,分别是:单极型阵列轨道、双极型阵列轨道、单极型长轨道和双极型长轨道 。
2.2 各类结构的特点及分析
2.2.1 单极型阵列轨道
单极型阵列轨道磁耦合机构发射端由多个独立供电的单极型线圈组成,如图13a所示,通常为矩形或圆形线圈,结构简单,易于实施 。每个发射端线圈表面只产生一个磁极方向,如图13b所示 。可以看到发射端线圈与接收端线圈耦合的主磁通回路中部分回路在发射端线圈外侧,因此在道路两侧产生的漏磁场较大 。
图13 单极型阵列轨道磁耦合机构
美国ORNL和圣地亚哥州立大学的Chris Mi团队[68]分别采用圆形线圈和矩形线圈结构搭建了3kW功率等级的实验系统 。犹他州立大学采用圆形线圈结构建设了实际环境下的25kW充电系统 。
2.2.2 双极型阵列轨道
双极型阵列轨道磁耦合机构的发射端由多个双极型线圈组成,如DD线圈 。由图12可知由于双极型线圈产生与线圈平行的磁通分量,其特性会由于布置方向而不同 。采用DD线圈不同布置方式的双极型阵列轨道磁耦合机构如图14所示 。奥克兰大学分别采用横向布置和纵向布置的DD线圈结构搭建了3.5kW和5kW的动态无线供电系统 。
图14 双极型阵列轨道磁耦合机构
图14a所示为横向布置的DD线圈结构 。接收端行进方向为OY方向,沿行进方向发射端线圈表面产生的磁场具有相同方向 。根据图中所示电流方向,蓝色线圈均产生垂直向下的磁通方向,而绿色线圈均产生垂直向上的磁通方向 。主磁通回路方向在XOZ平面内,如图14c所示 。
图14b所示为纵向布置的DD线圈结构 。沿行进方向发射端线圈表面产生交错的磁场方向,相邻两个D线圈产生的磁场方向相反 。主磁通回路方向在YOZ平面内,如图14c所示 。
由图14可知不同布置方式的双极型阵列轨道结构发射端和接收端线圈耦合的主磁通回路均在发射端范围内,增强耦合的同时减小了对道路两侧的漏磁通 。
2.2.3 单极型长轨道
单极型长轨道磁耦合机构的发射端线圈表面只产生一个磁场方向,结构简单,成本较低,易于工程应用 。基本的单极型长轨道结构和主磁通示意图如图15所示 。KAIST提出的第6代(6G)OLEV发射端采用了长直矩形线圈,通过去磁心化降低建设成本和时间 。
2.2.4 双极型长轨道
双极型长轨道磁耦合机构发射端线圈表面产生两个磁极方向 。与双极型阵列轨道相似,不同线圈布置方式的特性不同 。横向布置和纵向布置的双极型长轨道结构如图16所示 。
图15 单极型长轨道磁耦合机构
图16 双极型长轨道磁耦合机构
图16a所示为横向布置的双极型长轨道结构 。沿行进方向OY上发射端线圈表面产生磁场方向固定 。根据图中所示电流方向,蓝色线圈产生垂直向下的磁通方向,绿色线圈产生垂直向上的磁通方向 。主磁通回路方向在XOZ平面内,如图16b所示 。沿行进方向输出稳定,但横向布置导致发射端较宽,对路面影响大,接收端侧移容忍度较差 。
奥克兰大学在AGV供电系统中采用了横向双极长轨道结构,实现了300W的动态无线供电;日本铁路技术研究院将这种结构应用于铁路车辆供电,实验样机的负载输出功率达到40kW 。
图16c所示为纵向布置的双极型长轨道结构 。发射端在多个磁极上交错绕制,沿行进方向OY上发射端线圈表面产生的磁场方向交替变化 。如图16d所示主磁通回路方向在YOZ平面内,发射端宽度可以设计较窄,对路面影响小,同时接收端具有较大的侧移容忍度 。KAIST在第四、五代OLEV中均采用了这类磁耦合机构 。
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