УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1995 года по МПК B60L5/42 

Изобретение относится к электропитанию электрифицированных транспортных средств и может быть использовано для создания безрельсового и не имеющего контактных проводов транспорта.

Известны транспортные средства, электропитание которых осуществляется с помощью токоснимателя, скользящего по металлическому основанию, и контактной штанги, скользящей по металлической сетке, натянутой над площадкой, где передвигается транспортное средство.

Недостатками такой системы энергопитания являются:
небольшая площадь металлической сетки, ограничивающей передвижение транспортного средства, что связано со сложностью монтажа и необходимостью промежуточных опор;
небольшой рабочий ток, который ограничен диаметром проводников, из которых состоит металлическая сетка (увеличение диаметра проводников приводит к увеличению веса токопроводящей сетки);
прерывание электропитания при изменении расстояния между токоподводящими основанием и сеткой.

Известно также электрифицированное транспортное средство, электропитание которого осуществляется с помощью соединенных с обмоткой электрической машины токоснимателей, скользящих по токоподводящим элементам, выполненным в виде расположенных на дорожном покрытии полос, разделенных изолирующими прокладками.

Однако в этом случае не обеспечивается электропитание при движении транспортного средства под углом к токоподводящим полосам, а также в случае попадания токоснимателя на изолирующую прокладку. Кроме того, в этом случае напряжение между проводящими пластинами не должно превышать допустимого напряжения шага, что ограничивает снимаемую мощность.

Целью изобретения являются увеличение маневренности транспортного средства и повышение безопасности системы электропитания.

С этой целью токоподводящие элементы основания выполняют в виде зигзагообразных полос, границы которых описывают периодической функцией, например синусоидальной. Токосниматели располагают на расстоянии, кратном интервалу между центрами токоподводящих элементов с различным потенциалом.

Наличие на рабочей поверхности чередующихся зигзагообразных полос с различным потенциалом дает возможность транспортному средству двигаться в любом направлении.

Для устранения опасности поражения электрическим током людей, передвигающихся по токоподводящей поверхности, интервал между токоподводящими элементами с разностью потенциалов, превышающей допустимое напряжение шага, делают большим длины шага.

В момент отрыва токоснимателя от токоподводящего элемента при переходе с одного элемента на другой возникает электрическая дуга. Для ограничения тока при сходе токоснимателя с токоподводящего элемента в электрическую цепь вводят токоограничивающие резисторы. В предлагаемом токоподводящем элементе сопротивление элемента возрастает при подходе токоснимателя к границам элемента и уменьшении площади контактного пятна. Это достигается путем выполнения токоподводящего элемента с удельным сопротивлением, возрастающим на участке с протяженностью, равной наибольшей длине контактного пятна.

Поскольку напряжение между токоподводящими элементами при малом расстоянии между ними не должно превышать напряжения шага, то для увеличения напряжения на токоснимателях транспортного средства расстояние между токоснимателями и размеры элементов подбирают таким образом, чтобы между токоснимателями размещалось несколько элементов. Каждый токоподводящий элемент подключают к источнику электропитания, который обеспечивает суммирование напряжений между элементами.

Напряжение будет суммироваться при подключении к последовательно соединенным аккумуляторам или при наличии поля растекания тока в токопроводящем основании.

Бесперебойное электропитание электродвигателя обеспечивается в случае выполнения всех колес токосъемными. При этом к одному или нескольким преобразователям подключают все колеса, используя парные сочетания колес (осевое, боковое, диагональное).

На фиг. 1 показана зигзагообразная токоподводящая секция, описываемая периодической функцией; на фиг. 2 токосниматель в изолирующем промежутке между двумя токоподводящими элементами; на фиг. 3 зависимость удельного сопротивления от ширины токоподводящего элемента; на фиг. 4 токоподводящие элементы, подключенные к аккумуляторной батарее; на фиг. 5 распределение потенциала в токоподводящих элементах, соединенных последовательно; на фиг. 6 токосъем с четырех токопроводящих колес.

На чертежах обозначены гексагональный элемент 1, квадратный элемент 2, токоподводящие элементы 3, контактное пятно 4 и токосъемные колеса 5.

Устройство для электропитания транспортного средства выполняют в виде секций, например синусоидальных, состоящих из гексагональных элементов 1 и промежуточных элементов 2 (фиг.1).

Расстояние b между токоподводящими элементами 3 выбирают из следующих соображений. Оно должно быть больше шага человека, если разность потенциалов между элементами превышает допустимое напряжение шага. В случае меньшего напряжения между элементами, чем допустимое напряжение шага, расстояние между элементами ограничивается наибольшим размером D контура контактного пятна (фиг. 2). При выполнении этого требования исключается короткое замыкание токоснимателем двух соседних элементов.

Токоподводящие элементы выполняют с распределением удельного сопротивления ρ подчиняющегося заданной функции (фиг.3). Максимальное расстояние, с которого начинается возрастание удельного сопротивления, ограничено наибольшей длиной контактного пятна.

В зависимости от условий электроснабжения токоподводящие элементы могут подсоединяться:
к двум шинам с различным потенциалом;
к отдельным выводам системы электропитания, обеспечивающей суммирование напряжений, например к последовательно соединенным аккумуляторам (фиг.4);
к источнику высокого напряжения, который обеспечивает снижение потенциала в токоподводящих элементах с заданным градиентом (фиг.5).

В последнем случае градиент изменения потенциала должен быть таким, чтобы разность а потенциалов между центрами токоподводящих элементов между токоснимателями была достаточна для питания электродвигателя. Для того, чтобы по возможности исключить прерывание электрического тока в момент нахождения одного или двух колес на изолирующих промежутках, токосъемными выполняются все колеса (фиг.6). Для снятия тока в этом случае используют парные сочетания колес, находящихся под напряжением, например U_1-3, U_1-2, U_2-3.
Пример конкретного выполнения.

Устройство для электpопитания транспортного средства выполняется на основе гексагональных и прямоугольных токоподводящих элементов, изготовленных из электропроводного бетона, и токосъемных колес с покрышками из электропроводной резины.

Бетон заливается в формы, являющиеся одновременно и изолирующим покрытием токоподводящих элементов. Для обеспечения заданного изменения удельного сопротивления на периферии элементов используют послойную укладку бетона с различным удельным сопротивлением.

Изготовленные токоподводящие элементы в изолирующей оболочке укладывают на подготовленную поверхность вдоль синусоидального контура. Толщина изолирующих оболочек и зазора между элементами должна быть больше максимального размера контактного пятна колеса.

Элементы подключаются к источнику электропитания таким образом, чтобы напряжение между ними суммировалось. Напряжение между элементами делают меньше напряжения шага, а напряжение между токосъемными колесами определяется количеством расположенных между ними элементов. Количество элементов между колесами выбирают, исходя из необходимой мощности тягового электродвигателя и ограничений по рабочему току.

Пример расчета.

Пусть необходимо обеспечить электропитание транспортного средства мощностью 10 кВт. Рассмотрим простейший вариант с двумя задними токосъемными колесами, расположенными на расстоянии 2,2 м одно от другого. При номинальном напряжении электродвигателя 100 В и допустимом напряжении шага 50 В напряжение должно сниматься с первого и третьего токоподводящих элементов (фиг. 4), то есть должны суммироваться напряжения двух источников по 50 В. Поскольку напряжение между двумя элементами лежит в пределах допустимого напряжения шага, то расстояние между ними выбирается с учетом наибольшего диаметра контактного пятна и толщины изолирующего покрытия. Примем эти величины равными 0,09 и 0,01 м, тогда расстояние между центрами токопроводящих элементов равно 1,1 м, а ширина элементов равна 1 м.

Верхнее значение удельного сопротивления токопроводящих резины и бетона определим, исходя из падения напряжения 1 В при токе 100 А в слоях этих материалов, толщиной 0,01 м прилежащих к контакту. Для этих значений удельное сопротивление материалов равно 0,6 Ом˙ см.

Оценим величину удельного сопротивления в приграничной области токоподводящих элементов, необходимую для ограничения тока в момент схода колеса с элемента до значения 1 А при минимальной площади отрыва 1 см². В этом случае величина токоограничивающего сопротивления равна 100 Ом, а необходимая величина удельного сопротивления равна 100 Ом ˙ см. Следовательно, на расстоянии от границ элемента, равном диаметру контактного пятна, удельное сопротивление должно изменяться от 0,6 до 100 Ом ˙ см.

Использование: системы электроснабжения транспортных средств с электротягой. Сущность изобретения: увеличение маневренности транспортного средства (ТС) достигается за счет выполнения покрытия, по которому движется ТС и скользят токосниматели (Т), из токопроводящих элементов (ТЭ) в виде квадрата, шестиугольника или протяженных зигзагообразных фигур. Расстояние между ТЭ с различными по знаку или амплитуде потенциалами и расстояние между Т определяют, исходя из допустимого напряжения шага. Для исключения электрической дуги при отрыве Т от ТЭ последние имеют по периферии область с повышенным удельным сопротивлением. ТЭ выполняют из электропроводного бетона с изолирующей оболочкой, имеющей выступы на боковой поверхности для стока воды. ТЭ подключают к источнику постоянного или n-фазного переменного тока таким образом, чтобы напряжения между ТЭ на отрезке между Т суммировались. В качестве Т используют колеса с покрышками из электропроводной резины, а токосъем осуществляют подключением к преобразователю тех пар колес, которые находятся под напряжением. 3 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащее токоподводящие элементы, выполненные в виде расположенных на дорожном покрытии полос, разделенных изолирующими прокладками, токосниматели, установленные с возможностью касания токоподводящих элементов и соединенные с обмоткой электрической машины, отличающееся тем, что токоподводящие элементы проложены зигзагами с границами, описываемыми периодической функцией. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что токоподводящие элементы выполнены с возрастающим удельным сопротивлением на участке вблизи границы, соответствующем наибольшей протяженности контактного пятна. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между токоснимателями выбрано кратным числу интервалов между центрами токоподводящих элементов, при этом последние подключены к источнику электропитания с возможностью снятия токоснимателями суммы напряжений между соседними элементами. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве токоснимателей использованы колеса транспортного средства в осевом, боковом или диагональных сочетаниях.