感应电能传输系统的一次轨道拓扑结构的制作方法

本申请是于2013年1月18日提交的题为“感应电能传输系统的一次轨道拓扑结构”的发明专利申请201180035293.1的分案申请。本发明涉及感应电能传输(ipt)系统。本发明具体涉及多相ipt系统。
背景技术：
：ipt使用变化的磁场将电能通过气隙耦合到负载，而无物理接触。气隙存在于一次导体和一个或多个拾取装置之间，所述一次导体诸如导电材料的细长环路(在本文中通常称作轨道(track))，所述一个或多个拾取装置具有二次线圈，二次线圈从与轨道关联的磁场接收电能。系统性能不受潮湿或肮脏环境的影响，由于部件是完全隔离的，在这些条件下没有安全风险。与传统的插头或电刷和棒接触型的方法(如用在电车和电动汽车上的方法)不同，ipt是可靠的，免维修的。ipt目前用在很多工业应用中，如材料处理和集成电路制造。系统容量在1w-200kw之间变化，可以用来给机器人、自动导引车(agv)、电子装置、娱乐旅客捷运系统、汽车和电动车(ev)提供电能和再充电。ipt系统可分成两个不同的类型：分布式系统和集中系统，所述分布式系统由一个或多个可移动负载组成，所述可移动负载可设置在轨道上的任何地方，所述集中系统只允许在定义的位置传输电能。分布式系统特别适用于道路动力电动汽车(rpev)应用，但实际的大规模rpev系统至今还不可行。这是由于无导引ev要求大的水平冗余(～700mm)和离地净高(150-200mm)。在此文献中提出的轨道拓扑结构通过允许以最小增加系统成本获得提高的水平冗余，提供了相比以前设计的明显改进。本领域技术人员将认识到此文献提到本发明在ev背景下应用，但本发明适用于许多其它的ipt系统应用。ev有助于降低对化石燃料的依赖，降低温室气体的排放及污染物的排放。因此，自从20世纪90年代以来ev的研究事业一直在增长，但市场渗透一直很低，原因是ev不如传统的车辆那样有成本效益。目前的ev市场是由从燃烧发动机获得能量的混合车辆主导的，但是，最近引入了插电式ev(phev)，使用来自电网的能量来减轻汽油消耗。为了使ev被广泛使用，要求在电池寿命和成本及与电网的连接上有大的改进。后者允许在每次旅行之后随机充电，而不是该天结束时的长时间充电。结果，通过降低放电深度，电池损耗被明显降低，由于需要更小的电池，ev具有更低的成本。使ev比汽油车辆更加有成本效益的优选解决方案是通过道路对ev供电和再充电。应当指出的是，用于此种动态充电系统的基础设施可以是相对小的，原因是在州际高速公路上行驶占道路英里数的1％，但占所有车辆行驶英里数的22％。行驶英里数的50％连接到动态充电系统的ev与传统的车辆是一样是有成本效益的，不会产生额外的汽油成本。ipt系统包括三个主要部件，在图1中示出了单相系统的部件。电源产生正弦电流(对于中功率到高功率系统，通常在10-100khz频率范围内)，它在感应一次导电通路或轨道中驱动电流(i1)。并联补偿电容器c1允许轨道电流i1共振，从而增加轨道附近的磁场强度。对于给定负载，这使电源的va额定值最小化。轨道和二次接收装置充当松散耦合的变压器，使得通过相对大的气隙进行电能传输，其中来自轨道的电能以感应方式传输到轨道和二次接收装置。接收器通常被称为ipt拾取器(pu)，具有电感l2，使用c2以轨道电流的频率被调谐共振。这补偿了相对大的pu泄露电感。c2两端的电压被整流，开关模式的控制器使得谐振回路在定义的品质因数q下工作，以提升功率传输和提供可用dc输出。ipt系统的功率输出(pout)由pu的开路电压(voc)和短路电流(isc)以及pu电路的品质因数确定，如(1)中所示。psu是未补偿功率，ω是轨道电流i1的角频率，m是轨道和pu之间的互感。如(1)中所示，输出功率取决于电能供应(ωi12)、磁耦合(m2/l2)和pu控制器(q)。增大功率输出以及轨道和pu之间的间隔是极其期望的，但效率被工作频率(开关损耗)和系统的电流额定值(铜耗)限制。允许系统以高的q工作提升了功率传输，但在实际应用中，由于部件的容量(va)额定值和冗余，系统通常被设计成在4和6之间工作。由于这些限制，通过良好的磁性设计，可以获得最大的系统性能提升。以前已经建成了一个实验室的16kw样机的单相rpev系统(见g.a.covic,j.t.boys,m.l.g.kissin和h.g.lu,"athree-phaseinductivepowertransfersystemforroadway-poweredvehicles",industrialelectronics,ieeetransactionson,vol.54,no.6,pp.3370-3378,2007)。在该系统中轨道基本上是细长的螺旋形绕组，较长侧设置在相邻的车道上。结果，pu只暴露于由在一个方向流动的电流产生的磁通，跨越轨道的功率分布图中没有零，而在导体被并排设置的传统的单相轨道上的简单的pu会出现零。所述系统是在现代的铁氧体和电力电子部件被开发出来之前建成的，这反映在其性能上。轨道和pu之间的气隙由电子致动器控制为30毫米(mm)，全部功率会被供应到距离轨道中心高达120mm的偏移。相对低的水平冗余使自动导引系统成为必要。已经建成了一个具有200mm气隙的5kw单相系统，并进行了测试，它在g.a.elliott,j.t.boys和a.w.green,“magneticallycoupledsystemsforpowertransfertoelectricvehicles,”inproceedingsinternationalconferenceonpowerelectronicsanddrivesystems,singapore,1995,pp.797-801中公开。不过，水平冗余是60mm。值得注意的是，该系统在pu中没有使用铁氧体，这在安装于ev中时产生了重大问题。铁氧体确保了磁通保持在pu内，允许使用铝屏蔽，这对限定钢底座中的损失以及满足磁场暴露准则是必要的。g.elliott、s.raabe、g.covic和j.boys在"multi-phasepick-upsforlargelateraltolerancecontactlesspowertransfersystems,"industrialelectronics,ieeetransactionson,vol.pp,no.99,pp.1-1,2009讨论但未使用的提高单相轨道上的水平冗余的一个方法使用了包含6个偏置线圈的复杂的pu。当pu在轨道上水平地移动时，不同组的线圈被加电，因此提高了冗余。但是，由于线圈之间的互耦合使调谐有源线圈出现问题，这种方法不适合高功率系统。不用的并联调谐线圈需要被缩短，这样做会影响有源线圈的磁通路径，从而产生损耗。为了提高水平冗余，g.a.covic、j.t.boys、m.l.g.kissin和h.g.lu在"athree-phaseinductivepowertransfersystemforroadway-poweredvehicles,"industrialelectronics,ieeetransactionson,vol.54,no.6,pp.3370-3378,2007中提出了一种如图2(a)所示的三相轨道拓扑结构。车辆沿轨道的长度tx(其被称作x轴线)行驶。所述系统使用电感器-电容器-电感器(lcl)阻抗转换网络，将源自逆变器的电压转换成适于驱动感应轨道的电流源。隔离变压器的泄露电感用作第一电感器，轨道形成最后一个电感器，使得只有有功功率通过变压器。大的感应电流(在图1中是i1)只在轨道和电容器中循环。每一相使用以δ-δ配置连接的三个单独的隔离变压器，但是变压器的输出端被直接连接到每个轨道回路的起始处和返回处，从而产生6个有线轨道。此轨道拓扑结构在此文献中被称作“双极”，原因是pu暴露于流向电源的正向电流和返回电流。轨道相位的重叠性质在每个相邻的线路中以类似于鼠笼感应电机中的绕组的形式产生相差60°的电流，这产生跨越轨道宽度(ty)的行波场。通过简单的单个线圈pu，此移动的场产生宽且均匀的功率分布。使用带正交线圈的pu，此功率分布可在"multi-phasepick-upsforlargelateraltolerancecontactlesspowertransfersystems,"industrialelectronics,ieeetransactionson,vol.pp,no.99,pp.1-1,2009中进一步讨论。然而，具有重叠轨道的后果是相位之间存在互感，使得来自一个轨道相位的能量耦合到相邻的相中，类似于在每个轨道导体和pu之间的功率耦合。此交叉耦合引起逆变器中的不同桥臂产生大的电流，并在能量被馈送到逆变器时dc母线电压不期望地激增。技术实现要素：本发明的目的是提供ipt系统，或ipt系统的一个或多个部件(如一次导体布置结构)，它或者能改善现有系统或布置结构的一个或多个缺点，或者至少给公众提供一种有用的选择。在一方面，本发明广义上提供了一种多相ipt一次轨道导体布置结构，包括第一相导体和第二相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内以便彼此重叠，并被排列成使得在所述相导体之间存在基本平衡的互耦合。优选地，所述轨道包括第三相导体，所述第一、第二和第三导体被排列成使得在所述相导体之间存在平衡的互耦合。优选地，所述各相的加电导致各相之间基本上没有净能量传输。优选地，所述平面具有第一尺寸，每个相导体的长度相对于所述第一尺寸基本上横向地跨越所述平面延伸，所述长度基本上彼此平行并相互隔开。优选地，相邻相导体之间的距离是根据拾取线圈设备的长度选择的，所述拾取线圈设备用来从所述一次导体布置结构接收电能。优选地，相邻相导体之间的距离基本上为所述拾取线圈设备在所述第一尺寸上的尺寸的0.2-0.5。优选地，相邻相导体之间的距离基本上为所述拾取线圈设备在所述第一尺寸上的尺寸的0.25-0.5。优选地，对于两相轨道拓扑结构，拾取线圈设备在第一尺寸上的尺寸不大于相导体的一个波长。优选地，所述拾取线圈设备包括以基本共面布置的两个基本扁平的线圈。优选地，所述拾取线圈设备包括第三线圈，所述第三线圈与所述两个基本共面的线圈重叠。替代性地，所述拾取线圈设备包括单个线圈优选地，所述布置结构与渗磁构件有关。优选地，所述相导体只提供于所述渗磁构件的一侧上。优选地，所述渗磁构件包括多个铁氧体条。优选地，所述条是细长的，并彼此隔开。优选地，所述一次导体布置结构包括衬垫。替代性地，所述一次导体布置结构包括轨道区段。优选地，所述一次导体布置结构是作为模块提供的。优选地，使用的电能接收装置以与所述第一尺寸平行的方向在所述轨道上行进。替代性地，使用的电能接收装置以横向于所述第一尺寸的方向在所述轨道上行进。在另一方面，本发明广义上提供了一种多相ipt一次导体布置结构，包括第一相导体、第二相导体和第三相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内以便彼此重叠，并被排列成使得所述相导体的加电导致在各相之间基本上没有净能量传输。优选地，所述一次导体布置结构包括ipt轨道。在另一方面，本发明广义上提供了一种多相ipt一次轨道导体布置结构，包括第一相导体和第二相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内，所述平面具有第一尺寸，每个相导体的长度相对于所述第一尺寸基本上横向地跨越所述平面延伸，所述长度基本上彼此平行并相互隔开。优选地，所述轨道包括第三相导体。优选地，使用的电能接收装置在与所述第一尺寸平行的方向上在所述轨道上行进。替代性地，使用的电能接收装置以横向于所述第一尺寸的方向在所述轨道上行进。在另一方面，本发明广义上提供了一种ipt系统，包括多相ipt一次导体布置结构和具有拾取线圈设备的拾取器，所述拾取线圈设备从所述一次导体布置结构感应地接收电能，所述一次导体布置结构包括第一相导体和第二相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内，所述平面具有第一尺寸，每个相导体的长度相对于所述第一尺寸基本上横向地跨越所述平面延伸，所述长度基本上彼此平行并相互隔开，并且其中，相邻相导体之间的距离是根据拾取线圈设备的长度选择的，所述拾取线圈设备用来从所述一次导体布置结构接收电能。优选地，所述轨道包括第三相导体。优选地，相邻相导体之间的距离基本为所述拾取线圈设备在所述第一尺寸上的尺寸的0.2-0.5。优选地，相邻相导体之间的距离基本为所述拾取线圈设备在所述第一尺寸上的尺寸的0.25-0.5。优选地，所述拾取线圈设备包括以基本共面布置的两个基本扁平的线圈。优选地，所述拾取线圈设备包括第三线圈，所述第三线圈与所述两个基本共面的线圈重叠。优选地，所述拾取线圈设备包括单个线圈。在另一方面，本发明广义上提供了一种多相ipt一次导体布置结构，包括第一相导体、第二相导体和第三相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内以便彼此重叠，每个导体的一端连接到电源，另外的端子连接到一个y形点。在另一方面，本发明广义上提供了一种双极ipt一次导体布置结构，包括导体，所述导体被排列成基本上在一平面内，所述平面具有第一尺寸，所述导体的长度相对于所述第一尺寸基本上横向地跨越所述平面延伸，所述长度基本上彼此平行并分组成对。优选地，所述分组的对彼此隔开。优选地，当所述导体被加电时，所述分组的对包括在相同方向流动的电流。在另一方面，本发明提供了一种ipt系统，其包括根据前述描述中的任何一种的一次导体布置结构。通过下面的描述，本发明的另外的方面将变得明显。附图说明图1是一视图，其示出了单相轨道系统的ipt系统部件的已知布置结构。图2是包括单个扁平拾取器的两相双极ipt系统的视图。图3是一视图，其示出了通过图2的ipt轨道的横截面。图4(a)是扁平e形拾取器的视图。图4(b)是扁平拾取器的视图。图5是图4(a)的拾取器在图2的轨道上测量的能量传输图形。图6是图4(b)的拾取器在图2的轨道上测量的能量传输图形。图7是根据本发明一个实施例的双极单相ipt一次导体布置结构的示意性平面视图。图8是图7布置结构包括另一类似布置结构以提供另一相的示意性平面视图，所述相被重叠以提供它们之间的平衡互耦合。图9是一示意性平面视图，其示出了两个根据图8布置结构的连接。图10(a)是一个双极三相ipt轨道拓扑结构的示意性平面视图。图10(b)是一个单极三相ipt轨道拓扑结构的示意性平面视图。图11是psu与pu长度的模拟图形，所述pu长度标准化为气隙为150mm时250mm的轨道间距。图12(a)是在各个竖直间隔处的psu与沿4米长轨道的位置的模拟图形，在38.4khz时电流为250a。图12(b)是用在关于图12(a)的模拟中的轨道和pu的一个实施例的透视图。图13是图10(a)的双极三相ipt轨道拓扑结构的另一视图(a)和10(b)的单极三相ipt轨道拓扑结构的另一视图(b)。图14示出了通过单极轨道中心的横截面中的磁通密度，标出了电极位置。图15是标准化的psu和pu每毫米的铁氧体的功率的图形。图16是对于标准化为轨道间距的不同长度的pu，psu的图形。图17示出了磁通矢量，这些矢量图解说明了小的间距和大的间距，轨道上pu最佳的零矢量。基本磁通高度由h示出。图18是一图形，其示出了气隙为60mm时，pu宽度对psu的影响(65mm间距)。图19是一图形，其示出了用匹配的pu增加轨道间距。图20是一图形，其示出了通过使用5个或10个不同宽度的条改变轨道铁氧体体积的影响，轨道为600mm宽。图21是一图形，其示出了改变轨道下面的实心板的相对透磁率的影响。图22是一图形，其示出了在轨道和pu之间有175mm间隔的实际rpev系统的性能。图23是磁通接收衬垫的侧面视图和平面视图。图24是图23的衬垫包括正交线圈的侧面视图和平面视图。图25是磁通接收衬垫的替代性形式的侧面视图和平面视图。具体实施方式现在，参照附图只通过示例来描述本发明的实施例。在图2中示出了一个两相双极ipt系统。轨道1包括两个延伸的回路1a和1b，回路有四根电缆。轨道回路分别由独立的逆变器2a、2b驱动，并传送频率和幅值相等但相位电相隔90°的电流。在一个优选实施例中，一个整流器被用来提供公用dc母线。除了相移之外，两个逆变器是相同的，两相都是用lcl网络调谐的，所述lcl网络提供与该相上的负载无关的恒定轨道电流。希望是这种情况，原因是由每相承担的总负载中有一部分会随着拾取器的位置在轨道的宽度上变化而变化。每相中的电流i是相等的，并由电源以及工作频率f0保持恒定。拾取器3被显示为靠近轨道1。近来提出了多相拾取器，作为用于增大系统对拾取器的侧向运动的冗余的替代性方法。这些之中最简单的拾取器已知为正交拾取器，其与只使用一个分量的标准扁平拾取器相比，使用了由ipt轨道产生的磁通的水平和垂直分量。这是通过在一个拾取芯上缠绕两个线圈来实现的。获得正交绕组在两种方式。第一种方式是物理上与第一线圈正交地缠绕第二线圈，这需要使用扁平的e芯5，如图4(a)所示。第二种选择是在一个标准的扁平芯6上缠绕两个单独的线圈，每个线圈在一端，如图4(b)中所示的。如果这些线圈串联连接，但相差180°相位，则他们还可以允许捕捉垂直方向的磁通。不管选择哪种拓扑结构，正交线圈中的每一个线圈都可被单独地调谐，他们的输出合并，所述输出是用单个的开关模式控制器控制的。参照图23，示出了之前由boys、covic、huang和budhia公开的磁通衬垫构造，其具有适于车辆应用的优异特征。图23的构造已经在国际专利公开wo2010/090539a1中出版。为了方便，此大致的构造在本文中被称作ddp衬垫。图23中所示的ddp衬垫大致包括两个基本共面的标记为52和53的线圈，他们磁相关，位于芯54顶部上。在实际中所述的衬垫被倒置，使得芯面对一次轨道。从图23可以看出，芯54可包括多个各种长度的渗磁材料，如铁氧体条或棒55，他们彼此平行但相互间隔开排列。衬垫构造可包括间隔件56和平板57，芯位于间隔件56上，平板57位于间隔件下面。在一些实施例中，可在扁平线圈52和53的另一表面上提供盖板58。可在衬垫的边界周围提供垫料59。可以看到，线圈52和53分别限定电极区60和61。如图23中所示的此ddp衬垫构造可用作磁通接收器，在此文献中描述的轨道拓扑结构中，其可以用在pu中。现在来看图24，示出了图23的ddp构造，不过还包括正交线圈62(在本文中称作ddpq衬垫)。此构造在专利出版物wo2010/090539a1中有描述。当图24中所示的构造相对于磁通发生器有横向运动时，诸如图23的ddp衬垫被适当的逆变器加电时，此正交线圈扩展了电能传输曲线。正交线圈允许电能从接收器衬垫拦截的磁场的“垂直”分量中提取，而其它线圈52、53便于电能从所拦截磁通的“水平”分量提取。因此，图24的构造适于用作磁通接收器，其可用在此文献中描述的轨道拓扑结构的pu中。现在来看图25，示出了另一磁通接收器的构造，其在此文献中被称作双极接收器衬垫或替代性地被称作bprp。bprp衬垫具有与上面的图23和图24讨论的ddp相似的构造。在一个实施例中，bprp衬垫从下到上包括铝板57、介电间隔件56、包括四排铁氧体棒55(在本文中被称作铁氧体)的芯54、两个扁平的基本共面但重叠的理想为“矩形”形状的在横向方向上伸展的线圈52、53(但是在实际中由于缠绕利兹(litz)线容易，更多为椭圆形)和介电盖板58。芯54充当屏蔽，使得理想地所有的磁通通过衬垫的顶部在芯54中通过。板57只用来a)消除特定环境中在芯54上方可能存在的小的杂散或剩余磁场，和b)提供另外的结构强度。bprp的磁结构被设计成使得在一次的任一线圈52、53之间基本上没有互耦合。这允许线圈被独立地在任何幅值或相位被调谐，彼此之间没有进入的耦合电压，如果存在耦合电压，将会对抗此线圈的电能输出。每个线圈可以被独立地调谐、调节，而不影响其它线圈的磁捕捉和电能传输。因此，bprp适于用作磁通接收器，其可用在此文献中描述的轨道拓扑结构的pu中。对于图2的构造，每个轨道的相回路的正向和返回导体之间的宽度被称作tx，两个轨道回路之间的重叠量是to。将to表示为总轨道回路宽度的比是方便的，即使得它在0到1之间变化。这些变量的定义用图表示于图3中，图3以横截面示出了轨道1。在此例子中使用的这些尺寸中每一个的值在表1中给出。假设，每相tx的值是相等的。如图3中所示，当电缆沿轨道的宽度等间隔隔开时，假定在to的值＝0.5时，对于标准正切磁通扁平拾取器，出现电能传输的理想多相轨道布局。这提供了高的电能传输和轨道宽度的最小变化。然而，当电缆被等间隔隔开时，在两个回路之间存在互感。相间互感具有这样的影响，即允许在一个轨道相内流动的电流在其它相中感应出电压。由于引起附加损耗，比预期更大的桥接电流以及有一相对dc母线充电，这可能破坏电源的工作。表i两相ipt轨道细节tx120mmto0.29i80armsf020khz表ii扁平拾取器尺寸px118mmpy20mmpz210mmdy30mmchx70mmcvx20mm表iii扁平拾取器尺寸px145mmpy20mmpz200mmdy30mm通过将两个轨道相之间的重叠量变成to＝0.29，来代替最优的0.5，产生消除相间互感的轨道布局是可行的。然而，如果不使用正交拾取器，这会导致实质性降低由轨道产生的磁场，因此造成给扁平拾取器的更差的电能传输。出于测量目的，创建单个两相ipt轨道系统，其特征在表1中给出。还创建了两个正交拾取器，一个是标准扁平类型的，一个是扁平e类型的。这两个分别具有表ii和表iii中给出的物理尺寸。由于没有尝试将由拾取器产生的开路电压优化，此部分只会提出将未补偿的电能从轨道传输到这些拾取器中的每个拾取器。这很好地表示了每个拾取器配置的性能，但是，注意的是，如果线圈输出平衡了，更平滑的输出是可能的。从两相轨道到扁平e正交拾取器的电能传输的测量结果示于图5。注意，到垂直磁通线圈的电能传输在轨道的中心有波谷。这是通过到水平磁通线圈的电能传输来补偿的，它在轨道的中心具有尖峰。对于扁平正交拾取器获得类似结果，这示于图6。根据本发明的另一实施例的轨道拓扑结构示于图7。参照图7，该拓扑结构包括导体9，其被设置在一个平面内，以提供一轨道，该轨道具有在x方向上延伸的第一尺寸，基本上横向于第一尺寸提供多个导体长度10。导体9返回电源12，使得该布置结构提供双极轨道。具体地，导体9在到电源的返回路径上的导体长度11也被设置成基本上横向于第一尺寸排列。因此，长度10和11分组成对。电流在相同的方向流动通过每一对长度，因此提供一系列的交替的电极区，电极区由成对的导体长度10和11形成，并相对于第一方向横向地排列。根据图7的轨道可形成衬垫或区段、或轨道部分、或轨道模块(正如本文中公开的其它导体布置结构中的任何一个那样)，他们可与其它衬垫、区段、部分或模块相邻地提供，以形成更大的轨道布置结构。相邻的衬垫、区段、部分或模块可以在第一尺寸或横向尺寸上延伸来提供，每个衬垫或区段的长宽比可以变化。例如，衬垫或区段在第一尺寸上可以比它在横向尺寸上更短。图7的轨道拓扑结构还可用来提供根据本发明的另一实施例的两相轨道拓扑结构，如图8所示。来看图8，该拓扑结构包括两个重叠的导体14和15的一次导体布置结构，每个以上文参照图7的描述排列。导体14和15各自返回电源16和17。电源16和17相应地被同步化，并相对彼此相差90°加电。优选地，他们共用一个共同的dc母线，以确保来自接收器(即拾取器)的任何未调谐或var负载被管理。轨道的间距，即p是横向导体部分之间的距离，这应该是固定的，使得相位是互相解耦合的。如wo2011/016737中讨论的，其内容通过引用被并入本文，如果在轨道下面使用铁氧体以增强到接收器的耦合，距离p需要被改变以便使各轨道相位彼此之间基本上互相解耦合，根据所增加的铁氧体材料的量，此距离p可用实验方式确定或使用3d磁性建模包来确定。用实验方式，如果轨道相中的一相被加电，则第二轨道的端子两端的电压可被测量。如果p的值被改变，则所测电压将改变，所测电压被最小化(优选是0)的这一点是p的最佳选择。图8中所示的拓扑结构在此文献中被称作双极两相轨道，原因是导体被配置成明显地返回。此布局的本质表示固定到在轨道上运动的车辆的接收器被有效地暴露于正向电流和反向电流，当以固定参考方向或第一尺寸定义时，正向电流和反向电流相差90°。此尺寸由图8中的n指示，n还定义图8中的相导体中一个相导体的一个波长。导体的布置结构基本上是平面的，导体被设置成使得每个相导体的各部分以相对于第一尺寸基本横向地跨越所述平面延伸的各长度提供，所述长度基本上彼此平行并相互隔开。可以被驱动的轨道的总长实际上受所选频率、每个导体的本征电感和所选的轨道相电流幅值限制。但是，通过增加另两个轨道，轨道的长度可不影响接收器而被延长，电源在轨道回路的一端。此第二轨道回路的各相中的每一相应优选在相位上与第一轨道同步。一个示例示于图9中，图9中，具有相导体18和19的又两个相轨道已经与图8的轨道构造级联，所述相导体18和19由电源20和21供电。如上文提到的，另外的轨道结构可实际上或另外地在横向方向而不是在第一方向上被级联。三相拓扑结构作为进一步提高水平冗余的途径，提出了如图10(a)中所示的三相轨道拓扑结构，其包括三个环路导体31、32和33。带有拾取器的车辆沿轨道30的长度在图10(a)中所示的如x轴的方向上行驶。电源和补偿系统34使用电感器-电容器-电感器(lcl)阻抗转换网络，正如在此说明书前面描述的，以将源自逆变器的电压转换成适于驱动感应轨道的电流源。隔离变压器的泄露电感被用作第一电感器，轨道形成最后一个电感器，如此，只有有功功率通过变压器。大的无功电流只在轨道和电容器中循环。连接成δ-δ配置的三个单独的隔离变压器用于每相中，而变压器的输出端被直接连接到每个轨道回路的起始端和返回端，形成6个有线轨道。此轨道拓扑结构被称作双极，原因是pu暴露于正向电流和返回电流。导体31、32和33的重叠性质在每个相邻的导体中以类似于鼠笼感应电机中绕组的方式产生相差60°的电流，这产生跨越轨道宽度的行波场。由于轨道布局，电极间距近似地是导体之间距离的3倍，借助简单的单个线圈pu，此移动的场导致宽且均匀的功率分布图。图10(a)中的阴影区35示出了由轨道提供的全功率充电区域的范围。阴影区35不覆盖外导体，原因是电能传输在轨道的边缘之前明显降低。具有重叠导体的结果是各相之间存在互感，结果来自一个相导体的能量耦合进入相邻导体中，类似于耦合到pu的电能。这由于不均匀的负载分担，引起逆变器中的不同桥臂产生大电流，当能量被馈送到逆变器中时，dc母线电压也上升。示出了两种方法来解决互感问题，首先，导体回路之间的重叠区可被改变，以降低互感，但是，这会产生不统一的导体间距，影响跨越轨道宽度的电能分布图的平滑度。第二，可使用磁通相抵方法，其中在轨道的开始处引入变压器耦合，以产生相位之间的耦合，由于几何形状，此耦合与导体之间沿长度的耦合不同相。这是通过在起始处由环形芯使导体适当形成环路来实现的。用来使相间互感影响最小化的两种技术或者产生差的性能，或者由于所需的额外磁部件，而增加费用。本说明书中介绍并在下文描述的新的三相轨道拓扑结构不会遇到前面的拓扑结构的缺点，具有另外的优点，使rpev系统能够以极其有成本效益的方式实现。图10(b)中的三相轨道40包括三个重叠的导体41、42和43，他们通过电源和补偿系统44加电，并在末端端接到y形点45。尽管有三个导体，但布局的本质意味着pu被有效地暴露于正向和反向电流，通过固定基准，正向和反向电流相隔60°，来自每个导体的磁通的相加产生沿轨道长度的行波磁场。假定没有显式返回导体，轨道40是单极三相的。电源使用相同的lcl阻抗转换网络，但变压器的输出以y形配置被连接到轨道。由于轨道的几何形状，相位之间存在平衡的互耦合，在阻抗转换网络的lc部分，其可被容易地计算，因此，可由逆变器容易地驱动。另一主要优点是pu的水平冗余由轨道和拾取器调谐电容器的共振电流额定值来大大地解耦合，这与双极轨道不同。到固定尺寸的pu的电能传输取决于形成轨道的导体之间的间距或间隔。即，如果双极轨道的间距增大以提高水平冗余，则轨道电流必须增加以维持轨道上方的相同磁通密度(b)，从而确保相当的电能传输。较高的电流产生提高的电能传输，并产生轨道中更大的铜耗(i2r)，这会降低效率。但是，在提出的单极轨道中，宽度决定了水平冗余，如由图10(b)中的阴影区所示的。通过使轨道更宽来增加冗余是优选的，原因是所增加的长度只线性地增加铜耗。同时，由于边缘是恒定的，更宽的轨道在增加长度时也是更有效的。看起来给定长度的单极轨道所需的轨道长度大于双极轨道的轨道长度，但比较全功率传输区，则不是这种情况。图10(b)中的阴影区46示出了由轨道提供的全功率充电区域的范围。单极轨道40的边缘被弄成圆形的，以简化模拟模型，但实际上可以使用直边缘以降低线的长度。根据图10(a)和10(b)的三相轨道拓扑结构现在示于图13(a)和13(b)，用标记示出了沿第一尺寸的轨道的间距，p(它是导体之间的距离)，由图13(b)中的线r表示。在单极轨道40中，导体的布置结构基本上是平面的，导体被设置成使得每个相导体的长度跨越平面以相对于第一尺寸r基本横向地延伸。长度基本上是平行于彼此的，并相互隔开。来自每个导体的磁通的时变结构的相加产生沿轨道的长度tx移动的磁极对。这些磁极中的两个显示于图14中，其图解说明了通过剖面线r的剖面的磁通密度矢量。磁极的宽度在轨道间距和两倍的轨道间距之间变化，但是，从磁极中心到中心的距离仍是三倍的间距。单极轨道40相比双极设计30具有两个主要优点，即平衡的相间耦合和改进的水平冗余。由于轨道的几何形状，在相位之间存在相等的耦合，这在阻抗转换网络的lc部分中可被容易地计算。有利的平衡耦合的一个例子是当能量在沿轨道的给定位置从a相耦合到b相时，因为相对于固定基准，a和b的方向沿轨道的长度是变化的，这导致能量从b相耦合到a相，没有净能量传输。用于此轨道的电源与m.l.g.kissin、j.t.boys和g.a.covic,"interphasemutualinductanceinpolyphaseinductivepowertransfersystems,"industrialelectronics,ieeetransactionson,vol.56,no.7,第2393-2400页,2009中描述的双极轨道的电源是相同的，不过变压器的输出以y形配置被连接到轨道。为了测试单极轨道拓扑结构的思想，建造了一条2210mmlx890mmw的部分，间距为65mm。轨道的宽度是由笔直的中间部分的长度和间距决定的，中间部分的长度是500mm。轨道的中心部分由每一相的5个周期组成，以使由于端部影响造成的不平衡的相间耦合最小化。使用了度量为168mmlx93mmwx16mmt的一个简单的16匝扁平棒拾取器进行检测，并与3d有限元件模型进行比较。pu由6个由n87材料制成的标准“i”芯组成，n87材料具有2400的相对渗透率。pu线圈的扩展被调节为覆盖pu长度的80％。为了便于制作样机，所测试的轨道是用标准主缆构造的，而不是litz线。这样，无过度轨道加热的最大电流在38.4khz时为22.5arms。发现从jmag创建的模型获得的voc和isc测量值与那些测量值的平均的5％一致。这使得适于rpev的大的模型能够通过具有置信的模拟来被研究和优化。给ev的20-30kw的功率输入对在各种情况下诸如城市、公路和山岭驾驶时的原动力和充电是足够的。由ev收集的能量主要取决于供电道路的长度和车辆速度。因此，平均车辆速度低的供电部分是特别适合的。此外，供电部分在道路的陡峭部分的设置是需要的，原因是这会限制车辆电池的放电速率并延长其寿命。在图10(b)和13(b)中所示的所提出的单极拓扑结构的优点在于该模式可通过在任一侧增加另外的轨道在任一端容易地继续。只要电源是同步的，此交错使得道路的很长一部分能被连续地供电。这种轨道系统可以是完全地模块化的，其中电源对10米量级的固定的轨道长度进行供电。这产生了系统冗余，如果一个区段损坏或一个电源故障，则所供电道路仍会以接近全部容量工作。此方法还使得安装更加简单。模拟结果进行了几次“循环(roundrobin)”模拟以确定轨道间距、pu长度、轨道电流以及轨道与pu之间的间隔之间的关系。在这个工作中，提出了一种最简单的pu(扁平铁氧体棒)。对于固定电流，电能随着轨道间距和pu大小的增加而增加，但是，过大的pu具有大的限制耦合的自感。确定了电流为250a，250mm的轨道间距满足ev的需求。模拟结果和rpev系统的模型分别示于图12(a)和(b)中，沿轨道的长度扫过pu54。在此工作中，铁氧体条被置于轨道下面，以增强耦合，并防止轨道下面的磁场与地下电缆干扰。当pu更靠近轨道时，分布图更平滑，未补偿的功率是5.75kva，气隙为200mm，从而表示系统会满足以q为3-5实际工作的ev的功率需求。ev将接收水平冗余为500mm的全功率，如果要求更多冗余，则轨道可被制造得更宽。当多个轨道部分具有交错的端部时，在pu靠近被模拟轨道的端部时的功率降低不会在道路上出现。感应电能传输是通过道路给ev供电的一种适当途径，但是由于现有的ipt轨道提供的水平冗余差，大规模的实现还不太可行。新的三相单极轨道40允许比之前公开的产品，以小的成本和铜耗增加来达到明显更好的水平冗余。小规模的样机已经表现出该拓扑结构提供平衡的相电感，从而使得电源容易驱动。该样机的测量结果和模拟结果最多相差10％，从而允许通过模拟设计变量的组合，如轨道电流、间距、宽度以及pu长度和宽度的组合，来产生实际的设计。所模拟的轨道能够传送30kw，为pu和轨道之间有200mm气隙的ev提供动力和充电功率，水平冗余可被调整以适应道路车辆车道的宽度。从图12(b)可以看出，此实施例的轨道40包括与轨道导体关联地提供的渗磁材料。渗磁材料的细长条50、51、52和53提供于导体41、42和43下面，以便与导体磁相关。所述的条可以是铁氧体。条的尺寸和间隔，连同导体布置结构的间距和长度/宽度，可以被改变，以在布置结构上方的期望高度为感应电能传输提供有用的磁通。而且可以看到，导体41、42和43可跨越道路铺设，或与道路平行地铺设，并可提供能够由具有不同几何形状的拾取器接收的场。为了确保rpev系统尽可能成本低、高效，应当优化磁分量。以下的参数影响系统的输出功率：pu长度、宽度和厚度，轨道间距和宽度，轨道下面的铁氧体结构的设计。轨道的宽度未被研究，如果需要更多的水平冗余，轨道可被加宽。有许多种pu拓扑结构，但是考虑到每一种类型是详尽的、不必要的。轨道和pu之间的耦合是由于互感造成的，它与由两个磁分量产生的磁通相交的区域成比例。结果，具有小面积或体积的pu拓扑结构基本上不适合于需要大的水平冗余的高功率、大气隙应用。这里，研究了简单的扁平棒pu，轨道被优化。这种pu只有在磁场是水平时才耦合功率，由图14中的磁通矢量表示。一种新的被称作正交的pu拓扑结构由elliottg.a.j.、raabes.、covicg.a.和boysj.t.“multi-phasepick-upsforlargelateraltolerancecontactlesspowertransfersystems”,ieeetrans.industrialelectronicssociety,57,no5,pp1590-1598,2010年5月提出。此pu拓扑结构在wo2010090539中也被提及，其公开内容通过引用被并入本文。此pu包含另外的线圈，这些线圈能够利用垂直磁场分量，其只向ev增加固定量的功率。因此，如果轨道对于简单的pu被优化，则轨道可被认为是最优的。应认识到，在本文中提到的pu实施例中的任何一个可与本文中提到的一次轨道导体中的任何一个组合使用。下文讨论的方法是要确保pu长度与轨道匹配。接着，铁氧体被加入到轨道下面，以提高性能。因此，在一个实施例中，拾取线圈布置结构可包括以基本共面布置的两个基本扁平的线圈。该布置结构还可包括第三线圈，其与两个基本共面的线圈重叠。在另一个实施例中，拾取线圈布置结构包括单个线圈，它可以是扁平线圈，基本上与一次导体布置结构的平面平行，或者可以缠绕在基本与一次导体布置结构的第一尺寸r平行设置的轴上。关于两相轨道拓扑结构，pu长度不应小到使pu只被一个导体部分或长度单独供电，但也不应长到出现不期望的抵消效应。因此，对于两相轨道，优选pu长度不超过相导体的一个波长(如在图8中由n表示)。下面讨论对于三相拓扑结构的最优的pu长度。有两种将轨道间距和pu长度匹配的方法，即用固定间距的轨道、改变pu长度，或用固定的pu长度，改变间距。通过模拟研究了这两种技术(注意，轨道电流在38.4khz时为22.5a，气隙为60mm)。图15中的图形示出了pu在轨道上被制造得更长，间距为65mm时pu的未补偿功率。当pu为间距的四倍或为260mm时，耦合处于最大值。此结果与图14中所示的磁场矢量一致。电极间距是轨道间距的三倍，覆盖了80％的铁氧体，几乎所有的可用水平磁通被捕捉，从而产生最大的耦合。增加pu因此增加线圈长度是不期望的，原因是水平场的方向变成反对pu铁氧体中心的磁通。在此工作中，铁氧体利用效率是用来比较设计的度量标准。它是通过将psu除以铁氧体的体积来确定的。假定pu的宽度是常数，此铁氧体利用可比作pu长度的va/cm。已经发现pu长度是间距的2.8倍的设计提供给定铁氧体体积和pu重量的最好耦合。对于不同长度的pu增加轨道间距的影响示于图16，这里pu长度已经被标准化为轨道间距。耦合功率的峰值出现在pu长度为2.2-2.4倍的轨道间距。显然，更大的pu和更大的间距允许有更多的电能传输，然而，此结果似乎与图15中之前的模拟结果冲突。在120mm间距的轨道上260mm长的pu的功率输出差不多是65mm间距的轨道上同一pu的功率输出的两倍。耦合的不同是由于磁通相抵和轨道上的基本磁通路径高度造成的。对于最佳长度的pu，具有65mm间距的轨道具有差不多两个电极。因此，此pu会经历比在120mm间距上的轨道更多的磁通相抵。pu耦合在电极距离pu端部被等间隔地定位时处于最大，当电极在位于pu下方的中央时达到零，如图17(a)和(b)所示。具有与pu长度相比相对小的间距的轨道(例如在图17(a)中)，电极更加靠近在一起，从而对于给定的pu长度产生更多的磁通相抵。增加间距，如图17(b)所示，会增加电极间距，从而导致较小的抵消，原因是到下一电极的距离更大。轨道上方的基本磁通高度决定了有多少磁通会被耦合到pu，此高度是由轨道的间距决定的。具有低的间距意味着轨道上方的磁通路径的高度被限制，这在图17(a)中近似为h。注意，为了方便，高度显示为在轨道下方，实际上，无铁氧体时轨道周围的磁通是对称的。使间距加倍会使磁通路径高度加倍，如图17(b)中所示。这对于给定轨道电流和pu铁氧体的体积，允许有明显提高的功率输出。因此，在一个实施例中，一次导体布置结构的相邻相导体之间的距离是根据用于从一次导体布置结构接收功率的拾取器线圈布置结构的长度选择的。在一个实施例中，相邻相导体之间的距离基本上是拾取器线圈布置结构在第一尺寸上的尺寸的0.2-0.5。在另一个实施例中，相邻相导体之间的距离基本上是拾取器线圈布置结构在第一尺寸上的尺寸的0.25-0.5。在相同条件下pu的宽度从10mm变化到300mm的模拟结果示于图18。当pu被制造得更宽时，psu的增加是相当线性的，但体积效率降低。这部分上是由轨道的末端效应和有限宽度造成的。不直接在pu下方的线的各部分的磁通会被吸引到铁氧体并通过线圈。当pu被制造得更宽，接近轨道宽度时，所述的贡献减少。末端效应造成每单位的铁氧体体积曲线va初始的大的负梯度。pu的前部和后部的外边缘吸引固定量的对总psu有贡献的磁通。非常窄的pu具有此附加的磁通分量，及由于pu的宽度产生的分量，从而产生每单位体积的高功率。实际的rpev系统需要以150-200mm的气隙传送20kw。为了进行合理比较，用175mm的气隙进行了所有后续的模拟。由于工业ipt系统使用～40khz的100-300a范围的电流，轨道电流已经被提高到250a。进行了一系列的模拟，以确定轨道间距对未补偿功率的影响。300mm宽的pu的长度被恒定地调节到轨道间距的4倍。实心铁氧体片被加入到轨道下，以提高电能传输。模拟结果连同体积比较一起示于图19。有、无铁氧体时轨道耦合功率的增加在大于150mm的间距时是相对线性的。基于这些结果，250mm和1350mm宽度的轨道间距被选为用于后续模拟。在250mm间距时psu是11kva，q在2-3之间，功率输出是20-30kw，这对于rpev应该是足够的。在轨道下面设置实心铁氧体片的成本效率可能是明显的，显著地增加了一次电感。进行了模拟，以确定沿轨道的长度设置连续的铁氧体条的效果。所使用的材料是相对渗透率为2400的n87。结果示于图20(尺寸单位为毫米)。有两簇曲线，一簇是psu，另一簇是基于轨道铁氧体体积的体积比较。与y轴线相交的是无铁氧体的轨道，带标记的每条曲线是具有5或10个铁氧体条的轨道，数字列表对应于数据点。所述条近似16mm厚。用嵌入的条构造轨道的可操作性可能比较困难，因此，进行了轨道下面的实心板的相对渗透性从1个单位到3000变化的模拟。条件与之前的模拟相同。结果示于图21，正如预期，当渗透率是2400时，psu是11kva。此曲线可以用来将轨道铁氧体设计与图20中的结果匹配。例如，用10个均匀间隔的20mm宽的条或者用相对渗透率为400的实心板材获得相同性能。如此，使用铁氧体粉来简化轨道构造也是可行的。基于之前的模拟结果，已经设计了轨道和pu之间以175mm气隙操作的实际的rpev系统。总轨道宽度为1550mm，对应于800mm的中间部分的宽度和250mm的间距。8个20mm宽的铁氧体条已经等间隔地设置于轨道的笔直部分下面，所述铁氧体条深16mm，5mm在轨道导体下面，相对渗透率为2000。功率分布图示于图22，其对应于0.25倍的拾取器线圈长度。每条线表示距离中心的不同偏移处沿一个相位周期的psu。假设q为5是可行的，则给ev的功率在800mm宽的区域内是恒定的30kw。当pu靠近轨道边缘时功率分布图中的波纹是由于弯曲的末端部分造成的，原因是当pu在两个重叠的曲线上时比在一个曲线上有稍微更多的耦合。本发明提供了新的两相轨道拓扑结构和三相轨道拓扑结构。这些轨道在相之间可具有平衡的互感，从而使得他们比其它设计更容易驱动。另一个优势是增加水平冗余只线性地增加了铜耗和成本。可以看出，根据本发明用于两(或更多)相轨道的导体可被例如跨越道路或与道路平行地铺设，并可提供能够由具有不同几何形状的拾取器接收的磁场。因此，一次导体布置结构可以衬垫或模块的形式提供，所述衬垫或模块可方便地设置在地下或地上，或者设置在地表上例如道路上。在一个实施例中，所述布置结构可以是ipt的模块化的一次导体路径系统的一部分。还要认识到，本发明的实施例适合于可包括用于轨道约束车辆的通道的道路。而且，尽管提供了与道路结合的使用示例，本发明还适用于其它应用，例如自动导引车辆(agv)。同样，本文中描述的一次导体布置结构可与渗磁材料，如参照图12(b)描述的铁氧体条，结合使用。除非上下文明显要求为相反情况，在描述中，词语“包括”等等应在与排他或详尽的意义相对的包括性意义上解读，即意思为“包括，但不限于”。上文和下文中引用(如果有的话)的所有申请、专利和出版物的整个公开内容通过引用被并入本文。在此说明书中对任何现有技术的引用决不、也不应理解为对该现有技术形成在全世界任何国家的发明领域内的公知常识的部分的承认或任何形式的暗示。广义上讲，本发明还应包括在本申请的说明书中单独或一起引用或指出的部件、元件和特征，包括两个或更多个所述部件、元件或特征的任何组合或所有组合。文中，前述的描述参照了整数或具有其已知等同物的部件，如同被单独列出，那些整数被并入本文。应该注意的是，对目前优选的本文中描述的实施例的各种改变和变形对本领域技术人员是显然的。在不偏离本发明的精神和范围下，不缩小其附带的优势下，可以做出这种改变和变形。因此，想要将这种改变和变形包括于本发明的范围内。当前第1页12