无线供电高铁列车非对称耦合机构
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室、河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室的研究人员苑朝阳、张献、杨庆新、李阳、章鹏程，在2017年第18期《电工技术学报》上撰文，基于高铁列车动态负载的动态耦合基础问题，提出一种发射端为单矩形线圈，接收端为多方形线圈级联的非对称耦合机构。
首先通过互感原理得到系统传输特性方程，分析不同耦合程度下的电能传输可行性。同时，建立电磁场路耦合仿真模型，获得高铁系统实际工况下的空间磁场分布特性。为克服高铁列车运行过程中的振动影响，提高系统的能量传输稳定性和传输效率，提出集磁环结构对耦合机构进行优化，通过仿真分析并且搭建实验平台进行实验验证。
结果表明集磁环结构能够有效收聚磁场，且系统在5cm传输距离下获得91.4%的传输效率。在接收线圈动态移动过程中，集磁环结构能够有效提高高铁列车的无线供电稳定性和工作效率，证明了高铁列车无线供电的可行性。
高铁列车由于自身不具备能源驱动，只能从外部供电网获取电能，因此供电系统是整个高铁运行系统中至关重要的部分。传统的高铁供电方式是依靠列车顶部的受电弓与架空线路滑动接触来获取动力，这种供电方式很容易受到外界环境的影响。在大风、沙尘天气，弓网系统易发生振动、离线，进而产生电弧问题，影响列车安全运行。
在高寒覆冰等恶劣天气下，还会引发受电弓刮弓、脱弓等事故。此外，弓网系统产生的高频噪声还对周围环境产生影响，同时其摩擦磨损严重降低了其使用寿命。随着高铁列车不断提速，滑动接触供电的缺点不仅严重增加了后期的维护成本，而且给高铁列车的高速、安全、稳定运行带来挑战，严重制约其发展。
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术作为一种新型的电能传输方式[1-5]，尤其是动态无线电能传输技术[6-8]，将此技术应用于高铁列车供电系统，实现高铁列车无线供电[9,10]，有效解决了摩擦磨损、电弧、覆冰的影响；在大风天气，传能线圈虽然会出现振动，但相对位置的微小改变不会带来效率的下降或电能质量的剧烈波动[8]。从高铁列车的长久运行来看，高铁列车无线供电大大节约了成本，是实现高铁列车的高速、安全、稳定运行的一种有效可行的方案。
对于高铁列车动态无线供电，德国Conductix Wampfler公司研发的150kW载人电动火车已经试验成功[11]；韩国铁道技术研究院在150m实验线路上对其研发的HEMU（High-speedElectric Multiple Unit）进行测试并且试验成功[12]。文献[13]采用车厢底部放置接收线圈，轨道上直接铺设发射线圈的非对称耦合机构作为高速列车的无线传能装置，在5mm的传输距离下获得了82.7%的传输效率。文献[14]将8字形耦合机构装设在导轨与列车底盘，列车运行过程中获得了稳定的传输功率。
在以上研究中，无线传能结构均基于列车底部进行设计，由于列车底部与导轨间隙有限，并且列车底部结构复杂，导轨宽度一定，会对无线传能装置的大小造成影响，从而限制传输功率和效率。同时，还需要对现有的高铁列车轨道进行改造，所需要的改造成本巨大。
其次，列车运行过程中，由于轮轨相互作用和轨道不平顺带来的阻力作用[15]，地面及车体会产生明显振动，影响无线传能装置的牢固性，还会增大能量传输过程中接收端能量的波动，从而对系统安全运行带来隐患。另一方面，安装在列车底部的无线能量传输耦合装置产生的高频磁场还会增加钢轨的涡流损耗，同时高频电磁力还会引起钢轨形变，影响列车的安全运行。
本文提出一种非对称方式的高铁列车磁耦合无线电能传输系统。耦合系统采用在列车顶部铺设的方式，不需对原有导轨进行改造，并且不受列车振动的影响。在建立高铁列车非对称耦合系统电路拓扑结构的基础上，推导系统的传输效率与负载功率的表达式。并搭建高铁列车非对称耦合系统仿真模型，分析非对称耦合系统的空间磁场分布以及系统传输效率。
为进一步提高系统的传输效率、降低磁能耗散，在此基础上提出优化方案，并搭建实验平台进行验证，采用集磁环结构可以有效提高系统的耦合程度和抗偏移能力，并且在5cm的传输距离下获得了最大91.4%的传输效率。
图1 高铁列车非对称耦合无线传能系统示意图
图10 高铁列车非对称耦合系统实验平台
结论
针对高铁列车的无线供电问题，提出了一种发射端为单矩形线圈、接收端为多方形线圈级联的高铁列车非对称耦合无线供电系统，通过时域特性验证了系统的可行性。针对高铁列车运行过程中的震动问题，提出集磁环优化结构。
通过仿真分析获得了高铁系统实际工况下的空间磁场分布特性：高铁在正常运行过程中，磁场被集磁环结构收聚在耦合线圈上，在耦合线圈之外，磁场强度迅速衰减；当列车运行过程中线圈发生偏移时，耦合线圈周围的磁场分布稳定，仍被集磁环结构收聚在耦合线圈上，有效抑制了磁场的扩散。系统在传输距离为5cm时，在不同的线圈偏移程度下，对系统输出特性进行了分析对比，系统传输效率可达91.4%。
结合仿真及实验结果，集磁环结构能有效收聚磁场，降磁能的耗散，增强系统的耦合程度，提高了非对称耦合系统的能量传输稳定性和传输效率，验证了优化方案应用于高铁列车无线供电的可行性。