非接触牵引供电系统电磁耦合机构优化设计研究

摘要

非接触牵引供电系统是一种利用无线电能传输技术将电能从牵引变电所传递到轨道交通车辆的设备。无线电能传输技术的工作原理使得非接触牵引供电系统相比传统的第三轨或者接触网供电方式，具有无直接接触、无磨损、维护成本低等优点，在电气化铁路尤其是高速铁路和磁悬浮铁路上具有广阔的应用前景。电磁辐射水平作为非接触牵引供电系统的重要指标，过大的电磁辐射值不仅影响非接触牵引供电系统周围设备的正常工作从而威胁行车安全，同时也严重危害位于轨道交通环境中人员的身体健康。　　电磁耦合机构作为非接触牵引供电系统实现电能无线传输的核心部分，直接关系到非接触牵引供电系统的电能传输效率及对外电磁辐射水平。在保证电能传输效率的前提下，为降低系统的电磁辐射，本文对非接触牵引供电系统的电磁耦合机构进行优化设计研究。　　本文首先介绍非接触牵引供电技术的经济价值以及相关技术背景，结合本文的研究目的重点收集分析电磁安全性相关标准，从中总结提炼出非接触牵引供电系统电磁辐射水平的评价标准，为后续优化效果的量化比较提供标准依据。　　在详细阐述非接触牵引供电系统原理和组成的基础上，结合麦克斯韦方程组介绍非接触牵引供电系统电磁辐射的来源和产生机理，比对分析非接触牵引供电系统各组成部分的电磁辐射水平，并得到非接触牵引供电系统电磁辐射的主要来源为电磁耦合机构漏磁的结论。　　基于无补偿的非接触牵引供电系统电磁耦合机构互感模型，详细推导基于LCLS补偿的电磁耦合机构传输效率模型，提出在线圈寄生电阻一定的情况下降低电磁耦合机构电磁辐射，需尽量提高系统原副边之间互感的解决思路，从理论上确定线圈匝数、形状和周围磁介质的磁导率对降低电磁耦合机构电磁辐射的重要性。利用Maxwell仿真平台，对电磁耦合机构进行有限元仿真分析，得到不同线圈结构、不同磁芯形状和不同屏蔽材料对原副边互感的影响。　　基于互感模型和软件仿真，提出一种分段式导轨供电的日字形线圈，对比分析原边和副边之间不同组合方式下的电磁辐射和互感值；提出一种采用圆形非晶合金的磁芯方案，对比分析磁芯厚度和安装位置对互感值的影响；提出一种基于铝板的屏蔽方案，研究了屏蔽材料的边缘效应，对比分析屏蔽材料厚度和安装位置对互感值和电磁辐射的影响；最后结合工程实践中对成本的控制，将线圈铺设量最大的原边线圈匝数减少73%，降低材料成本约70%，同时电磁耦合机构整体对外电磁辐射仍然满足标准要求。　　为验证电磁耦合机构优化措施的有效性，根据优化后的电磁耦合机构模型，搭建非接触牵引供电系统实验台，测量其周围空间的电磁辐射。实验结果与仿真分析基本一致，验证了理论分析和仿真分析的正确性。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 非接触供电技术分类

1.2.1 磁场感应耦合式

1.2.2 磁场谐振耦合式

1.2.3 微波辐射耦合式

1.2.4 非接触供电技术比较

1.3 非接触供电技术国内外研究现状

1.3.1 非接触供电技术国外研究现状

1.3.2 非接触供电技术国内研究现状

1.3.3 非接触供电技术电磁安全性研究现状

1.4 电磁安全性相关标准

1.5 本文研究的主要内容

第 2 章 非接触牵引供电系统工作原理与电磁辐射分析

2.1 非接触牵引供电系统组成与工作原理

2.1.1 系统组成

2.1.2 整流电路

2.1.3 高频逆变电路

2.1.4 电磁耦合机构

2.1.5 补偿电路

2.1.6 电压功率调节电路

2.2 非接触牵引供电系统电磁辐射分析

2.2.1 电磁辐射产生原理

2.2.2 整流逆变电路电磁辐射分析

2.2.3 电磁耦合机构电磁辐射分析

2.2.4 电磁辐射对比分析

2.3 本章小结

第 3 章 非接触牵引供电系统电磁耦合机构模型构建与仿真分析

3.1 电磁耦合机构分类

3.1.1 静止式电磁耦合机构

3.1.2 旋转式电磁耦合机构

3.1.3 滑动式电磁耦合机构

3.2 电磁耦合机构模型构建

3.2.1 互感理论

3.2.2 无补偿的互感模型

3.2.3 基于 LCLS 补偿的互感模型

3.3 电磁耦合机构的有限元仿真分析

3.3.1 线圈对互感与电磁辐射的影响

3.3.2 磁芯对互感与电磁辐射的影响

3.3.3 屏蔽对互感与电磁辐射的影响

3.4 本章小结

第 4 章 电磁耦合机构优化设计

4.1 线圈优化设计

4.1.1 日字形线圈的提出与验证

4.1.2 分段式导轨供电的优势

4.1.3 原副边线圈结构优化设计

4.2 磁芯优化设计

4.2.1 磁芯材料的选择

4.2.2 磁芯形状的优化

4.2.3 磁芯位置的优化

4.3 屏蔽优化设计

4.3.1 屏蔽材料的边缘效应

4.3.2 铝板厚度的优化

4.3.3 铝板位置的优化

4.4 电磁耦合机构综合优化设计

4.5 本章小结

第 5 章 实验测试与分析

5.1 非接触牵引供电系统实验台

5.2 实验数据与分析

5.3 本章小结

结 论

参考文献

致 谢