一种电能传输系统的制作方法

1.本技术方案涉及电气工程领域，具体涉及在静止物体之间，以及在静止电源和接收电能的可移动设备之间使用谐振技术传输电能的系统。


背景技术：

2.已知一种通过单线式电能传输线远距离传输电能的方法和系统，由尼古拉
·
特斯拉研制，并在美国专利no.593138(1897年11月2日公布)和美国专利no.645576(1900年3月20日公布)中公开。
3.特别是，根据n
·
特斯拉的发明，该系统由具有谐振升压绕组(所述谐振升压绕组是圆柱形成型器(cylindrical former)上长线的单层螺旋四分之一波段(single-layer spiral quarter-wave segments))的两个(发射和接收)谐振变压器以及连接所述谐振升压绕组高电位端的导体所组成。两个变压器的谐振四分之一波绕组的低电位端均在紧邻变压器结构处接地。发射变压器的低压绕组与高频发电机的输出端连接，高频发电机是将源能量转换为交流电能的转换器，该交流电能的频率等于用于传输电能的谐振单线系统的谐振频率。接收变压器的低压绕组与耗能负载连接。
4.将单层高压螺旋绕组的一端接地，并将这些绕组的另一端连接至与螺旋绕组高压端相连接的导线，从而为沿高压绕组产生电流的电磁振荡驻波(波长约为每个谐振高压螺旋绕组长度4倍)创造条件。
5.λ＝4
·
l
6.这里：λ是电能传输系统中驻波的长度；
7.l是n
·
tesla变压器中螺旋高压绕组的长度。
8.谐振振荡驻波的一半位于整个传输系统上，即从发射谐振变压器的高压螺旋绕组的接地低电位端沿谐振绕组，以及与发射和接收变压器的高压绕组的高电位端连接的单线式线导体沿接收变压器的高压谐振绕组，直至接收变压器的接地低电位端。
[0009][0010]
这里：l是谐振变压器之间的距离。
[0011]
驻波模式的特点是电流和电压振荡的振幅的强度沿传输电能的系统发生变化。系统中形成了电流和电位增加和减少的区域。系统中具有最大电流或电位幅度(swings)的区域被称为电流或电位腹点(antinode)，具有最小振幅或零振幅的区域被称为电流或电位节点(node)。
[0012]
在n
·
特斯拉的传输系统中，电位腹点形成在发射和接收四分之一波变压器以及单线式电能传输线的高电位端。电流节点也设置于此。电流腹点产生于四分之一波变压器的低电位部和低电位端，以及其低电位端的接地连接处。
[0013]
使电流节点位于传输线上显著地降低了电能传输线上的电流，这有助于大幅降低能量传输过程中的损耗，并且是该方法的优点。该已知的电能传输方法的一个缺点是，随着
传输距离的增加对波传输机制的退化越敏感。此外，传输线的接地导体的电容增大。传输线的接地导体的电容最终与谐振变压器的四分之一波绕组并联。当传输接地导体的电容达到谐振绕组的接地电容时，变压器失去波属性，因此电位和电流的腹点和节点消失。在通过配置为电缆的线路传输能量的情况下，电容短路的影响更为强烈。已知方法的另一个缺点是接地连接中的高焦耳损耗，因为其中形成了电流驻波的腹点。
[0014]
因此，显然需要进一步改进电能传输系统，特别是，要保持这种系统中跨不同距离传输电能时的波效应。
[0015]
因此，本技术方案解决的技术问题之一是创建一种电能传输系统，其至少部分地消除了已知技术方案的上述缺点，即无法保持跨不同距离传输电能时的波效应的缺点。


技术实现要素：

[0016]
本技术方案解决了上述技术问题，因为所提出的电能传输系统包括：发射和接收四分之一波谐振变压器，每个四分之一波谐振变压器的四分之一波绕组配有接触端；电能源，其所连接的耦合线圈被配置为与所述发射变压器的所述四分之一波绕组建立磁感应链接，从而能够在所述发射变压器的所述四分之一波绕组中激发谐振振荡；电能接收器，其所连接的耦合线圈被配置为与所述接收变压器的四分之一波绕组建立磁感应链接，从而能够从所述接收变压器的四分之一波绕组接收电能；电能传输线，用于连接所述接收和发射变压器的四分之一波绕组的低电位部，以在其间传输电能从而能够在所述接收变压器的四分之一波绕组中激发谐振振荡。其中，每个所述四分之一波变压器的高电位端连接有滑动触点，且所述滑动触点被配置为沿着所述四分之一波变压器的四分之一波绕组移动以能够连接到其一个所述接触端。
[0017]
请求保护的所述电能传输系统提供了一种技术成果，即通过降低电损耗和更准确、更灵活地调整系统的频率和工作模式来提高电能的传输效率。在本技术方案的一个实施例中，所述电能源可以是交流源，所述电能接收器可以是直流接收器，其中所述接收器可通过交流转直流转换器与所述接收四分之一波变压器侧的耦合线圈相连。
[0018]
在本技术方案的另一个实施例中，所述电能源可以是直流源，所述电能接收器可以是交流接收器，其中所述电能源可通过直流转交流转换器与所述发射四分之一波变压器侧的耦合线圈相连。
[0019]
在本技术方案的又一实施例中，所述电能源可以是直流源，所述电能接收器可以是直流接收器，其中所述电能源可通过直流转交流转换器与所述发射四分之一波变压器侧的耦合线圈相连，所述接收器可通过交流转直流转换器与所述接收四分之一波变压器侧的耦合线圈相连。
[0020]
在本技术方案的一些其他实施例中，所述发射四分之一波变压器侧的耦合线圈可具有用于与所述电能源相连的抽头，并且可配备有被配置为沿着所述耦合线圈的匝移动以能够连接所述抽头之一的滑块。
[0021]
在本技术方案的另一实施例中，所述接收四分之一波变压器侧的耦合线圈可具有用于与电能接收器相连的抽头，并且可配备有被配置为沿着所述耦合线圈的匝移动以能够连接所述抽头之一的滑块。
[0022]
在本技术方案的一些实施例中，配置为沿变压器的四分之一波绕组的低电位部的
匝移动的另一滑动触点，可通过接地电容器与发射和接收四分之一波变压器各自的低电位端相连。
[0023]
在本技术方案的一些其他实施例中，为了将发射和接收四分之一波变压器各自的高电位端连接到相应的一个滑动触点，可以使用预定电容的相应电容器。
[0024]
在本技术方案的其他实施例中，为了将发射和接收四分之一波变压器各自的高电位端连接到相应的一个滑动触点，可以使用可变电容的相应电容器。
[0025]
在本技术方案的一些其他实施例中，发射和接收四分之一波变压器各自的高电位端还可以连接有单独电容器。
[0026]
根据本技术方案诸多实施例中的一个，发射和接收变压器各自可以是四分之一波谐振特斯拉变压器。
附图说明
[0027]
附图是为了更好地理解本发明的实质而提供的，是本发明的组成部分，被包括在本文中用以说明本发明的以下实施例。附图与以下说明一起，旨在说明本发明的实质。在附图中：
[0028]
图1示出了根据本技术方案的电能传输系统的一个实施例的框图。
[0029]
图2示出了根据本技术方案的电能传输系统的另一实施例的框图。
[0030]
图3示出了根据本技术方案的电能传输系统的另一实施例的框图。
[0031]
图4示出了根据本技术方案的电能传输系统的另一实施例的框图。
[0032]
图5-11示出了根据图2的电能传输系统的实施例的框图，具有控制和测量设备，用于测试系统在变压器的滑动触点未被使用且电能传输线与变压器的接触端各种连接下的技术参数。
[0033]
图12-21示出了根据图2的电能传输系统的其他实施例的框图，具有控制和测量设备，用于测试系统在变压器的滑动触点与变压器的接触端各种连接且电能传输线与变压器的接触端各种连接下的技术参数。
[0034]
图22-24示出了根据图2的电能传输系统的又一其他实施例的框图，具有控制和测量设备，用于测试系统在变压器的滑动触点未被使用、电能传输线与变压器的接触端的连接相同且变压器的匝数不同下的技术参数。
具体实施方式
[0035]
图1示出了根据本技术方案的电能传输系统100的框图。图1所示的系统100可用于跨预定距离传输电能，包括跨超过1000km的长距离传输电能。本领域技术人员将理解，系统100可用于跨任何目标距离传输电能，例如该目标距离可以是从0.5米到40,000千米。
[0036]
系统100包括两个谐振电路，其中一个由四分之一波谐振变压器1限定，另一个谐振电路由四分之一波谐振变压器2限定，其中，四分之一波谐振变压器通过单线式电能传输线3相互电连接。应该注意的是，四分之一波谐振变压器1可以被配置为例如四分之一波谐振特斯拉变压器并且可以在系统100中用作发射变压器；四分之一波谐振变压器2可以被配置为例如四分之一波谐振特斯拉变压器并且可以在系统100中用作接收变压器。在本技术方案的优选实施例中，系统100可以使用大体相同的接收和发射四分之一波谐振特斯拉变
压器1、2，它们具有大体相同的绕组设计特征和大体相同的技术参数。
[0037]
在本技术方案的一个实施例中，四分之一波谐振变压器1、2可分别配置为四分之一波谐振特斯拉变压器，其中四分之一波谐振特斯拉变压器1可在系统100中用作接收变压器，并具有下文描述的与接收谐振特斯拉变压器相关的设计特征和工作特征；四分之一波谐振特斯拉变压器2可在系统100中用作发射变压器，并具有下文描述的与发射谐振特斯拉变压器相关的设计特征和工作特征。
[0038]
在本发明的另一实施例中，四分之一波谐振变压器1、2可以分别配置为改进型变压器，其为沿长度或高度分布的一组集中线圈或绕组。
[0039]
本领域技术人员将理解，系统100可以包括任何数量的谐振变压器，这些谐振变压器以等效于两个四分之一波谐振变压器的模式运行。在此可以理解，四分之一波谐振变压器1可以由任意数量的变压器构成，四分之一波谐振变压器2可以由任意数量的变压器构成。
[0040]
如图1所示，发射谐振变压器1具有四分之一波绕组1.1，该四分之一波绕组具有抽头或接触端1.2，每个抽头或接触端从四分之一波绕组1.1的对应一匝中延伸出，并且接收谐振变压器2也具有四分之一波绕组2.1，该四分之一波绕组具有抽头或接触端2.2，每个抽头或接触端从四分之一波绕组2.1的对应一匝中延伸出。在本技术方案的一个实施例中，接触端1.1可分别从变压器的四分之一波绕组1.1被分成的多个绕组段中对应的一个绕组段(图中未示出)延伸出，每个绕组段包括预定的绕组匝数，例如，两个或多个绕组匝数，接触端2.1可分别从变压器的四分之一波绕组2.1被分成的多个绕组段中对应的一个绕组段(图中未示出)延伸出，每个绕组段包括预定的绕组匝数，例如，两个或多个绕组匝数。在本技术方案的另一个实施例中，发射谐振变压器1中的四分之一波绕组1.1和接收谐振变压器2中的四分之一波绕组2.1可以被配置为沿谐振变压器1和2的长度或高度分布的一组集中线圈段。
[0041]
本领域技术人员将理解，谐振变压器1和2是具有分布参数的谐振电路，不一定必须配置为变压器，但可以配置为具有分布参数的单个线圈、或可以由一组具有在空间中分布的集中参数的两个或多个线圈制成。
[0042]
此外，如图1所示，系统100包括可调耦合线圈5(在现有技术中也称为泵线圈)，其配备有接触端或抽头5.1，每个接触端或抽头从耦合线圈5的对应一匝中延伸出，并被配置为与发射谐振变压器1的四分之一波绕组1.1建立磁感应链接，从而能够在四分之一波绕组1.1中激发谐振振荡；以及可调耦合线圈6，其配备有接触端或抽头6.1，每个接触端或抽头从耦合线圈6的对应一匝中延伸出，并被配置为与接收谐振变压器2的四分之一波绕组2.1建立磁感应链接，从而能够通过四分之一波绕组2.1从耦合线圈6接收电能。
[0043]
应该注意的是，可调耦合线圈5可使用滑动触点或滑块10进行调谐，该滑动触点或滑块10被配置为沿着耦合线圈5的匝数移动，以能够连接到抽头5.1之一，从而允许调整或调谐耦合线圈5在其工作或设计模式下的实际参数。类似地，可调耦合线圈6可使用滑动触点或滑块11进行调谐，该滑动触点或滑块11被配置为沿着耦合线圈6的匝数移动，以能够连接到抽头6.1之一，从而允许调整或调谐耦合线圈6在其工作模式下的实际参数。特别是，移动滑块10并将其连接至抽头5.1之一，能够修改或调谐耦合线圈5的电感(自感系数)，这尤其取决于线圈的匝数，它本质上是耦合线圈5的主要电气参数，表征当电流流过耦合线圈5
时耦合线圈5可以存储的电能量(耦合线圈5的电感越大，在其磁场中存储的电能就越多)；以相同的方式移动滑块11并将其连接至抽头6.1之一，能够修改或调谐耦合线圈6的电感(自感系数)。
[0044]
还应注意，耦合线圈5和耦合线圈6本质上都起到带通滤波器的作用，提供必要的耦合系数，从而在相应的谐振变压器中提供必要的转换系数。
[0045]
因此，滑块10和滑块11基本上允许耦合线圈5和耦合线圈6，各自在它们的工作模式中，不使用全部电感，而仅使用其中的某个部分，这取决于期望的任务。
[0046]
还应注意，变压器的耦合线圈5、6和四分之一波绕组1.1、2.1都有其自身的电容或寄生(线性)电容，其随着匝数及其设计的增加而增加。特别是，相邻匝或邻近匝之间存在匝间电容，由此部分电流通过匝间电容，从而导致耦合线圈5、耦合线圈6、变压器绕组1.1或变压器绕组2.1各自的端之间的电阻减小。这是因为施加在耦合线圈5、耦合线圈6、变压器绕组1.1或变压器绕组2.1上的总电压基本上被分为匝间电压，这导致匝间电场的产生，从而导致电荷的累积，其中，由绝缘层隔开的匝基本上形成了许多小电容器的板，一部分电流流经该许多小电容器，并由其总电容构成耦合线圈5、耦合线圈6、变压器绕组1.1或变压器绕组2.1的自电容。因此，耦合线圈5、耦合线圈6、变压器绕组1.1和变压器绕组2.1各自不仅具有电感属性，还具有电容属性，这取决于其设计类型和技术规格。
[0047]
如图1所示，发射谐振变压器1中四分之一波绕组1.1的初级或低电位端被隔离不连接，滑块或滑动触点8被配置为沿四分之一波绕组1.1移动，以能够将接触端1.2之一通过相应的导体连接到四分之一波绕组1.1的次级或高电位端。类似地，接收谐振变压器2中四分之一波绕组2.1的初级或低电位端被隔离不连接，滑块或滑动触点9被配置为沿着四分之一波绕组2.1移动，以能够将接触端2.2之一通过相应的导体连接到四分之一波绕组2.1的次级或高电位端。
[0048]
此外，如图1所示，系统100还包括在具有发射谐振变压器1的发射侧的电能源4，以及在具有接收谐振变压器2的接收侧的电能接收器7。电能源4与耦合线圈5串联，可以对其施加电压，电能接收器7与耦合线圈6串联，可以从其接收电能。
[0049]
在本技术方案的优选实施例中，电能源4为现有技术中提供的交流电源之一，用于向耦合线圈5输出或提供交流(ac)电压，并且电能接收器7为现有技术中提供的交流电能接收器之一，用于消耗或累积耦合线圈6输出到所述接收器7的交流(ac)电能。
[0050]
在本技术方案的一个实施例中，电能源4可以是配置为向耦合线圈5输出或提供交流电(ac)电压的现有技术的交流电能源之一，并且电能接收器7可以是配置为消耗或累积直流(dc)电能的现有技术的直流电能接收器之一。本实施例中，电能源4可以直接与发射谐振变压器1侧的耦合线圈5相连，而电能接收器7必须通过交流转直流转换器(图中未示出)与接收谐振变压器2侧的耦合线圈6相连，该转换器将从耦合线圈6接收的交流电能转换为电能接收器7消耗的直流电能。
[0051]
在本技术方案的又一实施例中，电能源4可以是现有技术的直流电能源之一，配置为输出直流(dc)电压，并且电能接收器7也可以是现有技术的交流电能接收器之一，配置为消耗或积累交流电(ac)电能。在本实施例中，电能源4必须通过直流转交流转换器(图中未示出)连接到发射谐振变压器1一侧的耦合线圈5上，该转换器将电能源4输出的直流电能转换为提供给耦合线圈5的交流电能，电能接收器7可以直接与接收谐振变压器2一侧的耦合
线圈6相连。
[0052]
在本技术方案的另一个实施例中，电能源4可以是现有技术的直流电能源之一，配置为输出直流(dc)电压，并且电能接收器7也可以是现有技术的直流(dc)电能接收器之一，配置为消耗或累积直流(dc)电能。在本实施例中，电能源4必须通过直流转交流转换器(图中未示出)连接到发射谐振变压器1侧的耦合线圈5，该转换器将电能源4输出的直流电能转换为交流电能供给耦合线圈5，电能接收器7必须通过交流转直流转换器(图中未示出)连接到接收谐振变压器2一侧的耦合线圈6，该转换器将耦合线圈6接收的交流电能转换为电能接收器7消耗的直流电能。
[0053]
如图2所示，电能源4通过适当的导体在耦合线圈5的输入侧与两个抽头5.1相连，在这两个抽头之间向耦合线圈5提供输入电压，其中用于将电能源4连接到耦合线圈5的两个导体之一设有滑块10，滑块10被配置为沿着抽头5.1移动。类似地，电能接收器7通过适当的导体在耦合线圈6的输出侧与两个抽头6.1相连，耦合线圈6的输出电压被供应到该两个抽头6.1，其中用于将电能接收器7连接到耦合线圈6的两个导体之一设有滑块11，滑块11被配置为沿着抽头6.1移动。
[0054]
因此，滑块10和滑块11各自能够相应调整或调谐耦合线圈5和耦合线圈6，特别是调整其匝数，这提供了对期望的耦合系数值、转换系数(q)值和带宽的设置(如果在电能源4和电能接收器7中存在无功元件)。应注意的是，改变耦合线圈5的工作模式将导致其内阻的改变，从而能够在发射谐振变压器1侧调谐或调整彼此之间具有磁感应链接的耦合线圈5和变压器绕组1.1之间的耦合系数。类似地，改变耦合线圈6的工作模式将导致其内阻的改变，从而能够在接收谐振变压器2侧调谐或调整彼此之间具有磁感应链接的耦合线圈6和变压器绕组2.1之间的耦合系数。
[0055]
应注意的是，耦合线圈5和耦合线圈6都可以由例如粗铜线匝、铜管(例如，6mm铜管或大截面导体)或利兹线制成。其中耦合线圈5或线圈6的匝数分别远小于谐振变压器1和谐振变压器2的匝数，由于考虑到可能有大电流流过耦合线圈5或耦合线圈6，因此耦合线圈5或耦合线圈6的绕组电阻必须小。四分之一波绕组1.1和四分之一波绕组2.1均可具有超过其直径至约5倍的长度，或者可选地，可以具有超过其长度至约5倍的直径，其中选择用于绕组的导体的直径是为了例如获得1000匝(在本技术方案的其他实施例中，四分之一波绕组1.1和四分之一波绕组2.1均可以具有数百到数千匝)。耦合线圈5或耦合线圈6的绕组均可被制成扁平螺旋、短螺旋绕组、锥形绕组或集中绕组的形式。
[0056]
还应注意，耦合线圈5和耦合线圈6基本上分别用作谐振变压器1中的初级绕组和谐振变压器2中的次级绕组；四分之一波绕组1.1和四分之一波绕组2.1基本上分别用作谐振变压器1中的次级绕组和谐振变压器2中的初级绕组。如下面所公开的，谐振变压器1中彼此之间具有磁感应链接的初级绕组和次级绕组，在系统100的发射侧形成两个互连振荡电路；并且谐振变压器2中彼此之间具有磁感应链接的初级绕组和次级绕组，在系统100的接收侧形成两个互连振荡电路，使得谐振变压器1和谐振变压器2均不仅将电能从其初级绕组有效地传输到其次级绕组，在低电流下提供所需的输出电压，而且还存储电能。
[0057]
特别地，耦合线圈5具有能够与耦合线圈5的固有(寄生)电容谐振的电感，这实际基本上允许耦合线圈5在系统100中被用作发射侧或谐振变压器1侧的初级振荡电路或lc电路(在现有技术中也称为调谐电路或谐振电路)。类似地，耦合线圈6具有能够与耦合线圈6
的固有(寄生)电容谐振的电感，这实际基本上允许耦合线圈6在系统100中被用作接收侧或谐振变压器2侧的次级振荡电路或lc电路(在现有技术中也称为调谐电路或谐振电路)。应注意的是，耦合线圈5将基本上向系统100泵送能量，而耦合线圈6将基本上从系统100排出能量。
[0058]
此外，四分之一波绕组1.1具有能够与绕组的固有(寄生)电容谐振的线性电感，这实际基本上允许四分之一波绕组1.1在系统100中被用作发射侧或谐振变压器1侧的次级振荡电路或lc电路(在现有技术中也称为调谐电路或谐振电路)。类似地，四分之一波绕组2.1具有能够与绕组的固有(寄生)电容谐振的线性电感，这实际基本上允许四分之一波绕组2.1在系统100中被用作接收侧或谐振变压器2侧的初级振荡电路或lc电路(在现有技术中也称为调谐电路或谐振电路)。
[0059]
系统100中发射侧和接收侧，即发射变压器1侧和接收变压器2侧的初级振荡电路和次级振荡电路被配置为使得：发射变压器1侧的初级振荡电路和次级振荡电路以相同的频率谐振，即具有相同的谐振频率；接收变压器2侧的初级振荡电路和次级振荡电路也以相同的频率谐振，即具有相同的谐振频率。其中，发射变压器1侧的谐振频率和接收变压器2侧的谐振频率将基本一致或具有相同的值。
[0060]
因此，当发射变压器1的初级绕组被通入频率等于所述变压器1的次级绕组的谐振频率的交流电时，变压器1的输出处的电压可能增加数十甚至数千倍。
[0061]
应当注意的是，滑块10的移动基本上不仅允许调谐发射变压器1上的输入电压，而且还允许调整耦合线圈5的固有(寄生或线性)电容和电感，以确保耦合线圈5形成的初级振荡电路的振荡频率与四分之一波绕组1.1形成的次级振荡电路的谐振频率一致。
[0062]
沿四分之一波绕组1.1移动滑动触点8，使得可以调整(该调整包括连续或周期性地调整)发射谐振变压器1的次级绕组和初级绕组之间的匝数比，这继而使得能够以非常小的增量在非常宽的范围内调整发射谐振变压器1输出的输出电压，获得频率增加的交流输出电压。此外，根据电能源4的实施例，沿着四分之一波绕组1.1移动滑动触点8允许基本上泵送(pump)系统100，以能够将电能从发射谐振变压器1沿着下面公开的单线式传输线3传输到接收谐振变压器2。
[0063]
为了激发发射谐振变压器1的四分之一波工作模式，还基本上选择了所需的波阻阻抗，这使得能够在用作发射谐振变压器1的初级绕组的耦合线圈5和用作发射谐振变压器1的次级绕组的绕组1.1之间提供所需的耦合系数。因此，为了确保系统100中发射侧的正常运行，不仅需要调谐发射谐振变压器1将工作的频率，而且还要调谐系统100中的内阻。其中，滑动触点8在绕组1.1的高电位端和低电位端之间的移动，允许调整或选择发射谐振变压器1工作的工作频率(特别是，将滑动触点8沿着绕组1.1的匝朝向其低电位端的移动，基本上导致发射谐振变压器1的工作频率的增加；以及将滑动触点8沿绕组1.1的匝朝向其高电位端的移动，基本上导致发射谐振变压器1的工作频率的降低)。
[0064]
如图1所示，通过使用连接四分之一波绕组1.1、2.1的低电位部的单线式电能传输线3，将发射谐振变压器1与接收谐振变压器2电连接，每个低电位部对应于绕组的从绕组的中间或从绕组的几何中心(其沿着由一侧高电位端和另一侧低电位端限定的长度将绕组划分为两个大致相等的部分)直至绕组的低电位端的部分。应注意，电能传输线3配备有滑块3.1、3.2，每个滑块配置在所述传输线3的两个相对端中的对应一端，以沿着四分之一波绕
组1.1、2.1中相应的一个移动，能够连接到接触端1.2或接触端2.2其中一个。还应注意，通过将滑块3.1连接到四分之一波绕组1.1的低电位部中相应的一个接触端1.2、以及将滑块3.2连接到四分之一波绕组2.1的低电位部中相应的一个接触端2.2，来实现电能传输线3相对于地面的定位或移动，允许选择系统100中发射侧、即具有发射谐振变压器1的侧和系统100中接收侧、即具有接收谐振变压器2的侧的阻抗。其中，电能传输线3向地面的位移，特别是，滑块3.1、3.2分别沿绕组1.1、2.1向其低电位端的移动，提供在对应于电能传输线3的低电位线上对与发射和接收谐振变压器1、2对应的两个四分之一波谐振器的操作，而不对系统100的工作频率施加任何影响。在这样的实施例中，系统100将会是低电位系统，特别是由于将电能传输线3连接到绕组1.1、2.1的低电位部。
[0065]
应注意的是，滑块3.1和3.2分别沿接触端1.2和2.2的移动，还允许选择系统100的所需参数：从高电位到“中电位”和从“中电位”到低电位；具有不同的模式：行波模式、驻波模式和混合波模式。行波模式的特点是只存在从发射系统传播到接收系统的入射波。没有反射波存在。入射波产生的功率被完全释放在负载中。在这种模式下，bu＝0，|h|＝0，rtw＝rsw＝1。行波模式形成于滑块3.1和3.2连接在距离谐振变压器1和2中绕组1.1、2.1各自的几何中心较近的位置时。驻波模式的特点是反射波的振幅等于入射波的振幅bu＝au，即入射波的能量被从接收系统完全反射并返回到发射系统。在这种模式下，|h|＝1，rsw＝∞，rtw＝0。驻波模式形成于滑块3.1和3.2连接在与谐振变压器1和2中绕组1.1、2.1的相应低电位端距离较近的位置时。在混合波模式中，反射波的振幅满足条件0《bu《au，即入射波的一部分功率被接收系统吸收，剩余部分以反射波的形式返回，重复n次，重复的次数“n”取决于整个系统的q因子。从而，0《|h|《1，1《rsw《∞，0《rtw《1。混合模式形成于滑块3.1和3.2基本上连接在谐振变压器1和2中绕组1.1、2.1的相应低电位端和几何中心之间时。
[0066]
当增加电能传输线3的长度或距离时，通常会观察到流过电能传输线3的电流的频率降低，但是由于对所述频率的适当调谐，能够保持系统100中的波效应和电能传输线3与绕组1.1、2.1的低电位部的连接，当通过电能传输线3传输电能时增加发射和接收谐振变压器1、2之间的距离，将不会有明显的频率变化，即频率将不取决于电能传输线3的长度或距离。
[0067]
当通过电能传输线3从发射谐振变压器1传输至接收谐振变压器2的电能通入接收谐振变压器2的初级绕组时，初级绕组为四分之一波绕组2.1，交流电流的频率等于由四分之一波绕组1.1限定的发射谐振变压器1的次级振荡电路的谐振频率，导致在由四分之一波绕组2.1(其基本上是接收变压器2的初级绕组)限定的接收变压器2的初级振荡电路中激发谐振振荡。
[0068]
滑动触点9沿四分之一波绕组2.1的移动使得能够调整(包括连续或周期性地)接收谐振变压器2的初级绕组和次级绕组之间的匝数比，这继而允许以非常小的增量在非常宽的范围内调整接收谐振变压器2上的电压，其中接收谐振变压器2的输出端的电压也将基本上由高频正弦交流电组成。
[0069]
应当注意，滑块11的移动基本上不仅允许调谐提供给电能接收器7的输入电压，而且还允许通过提供由耦合线圈6(其基本上是接收谐振变压器2的次级绕组)所限定的次级振荡电路所需的波阻来调整耦合线圈6的固有(寄生或线性)电容和电感，与四分之一波绕组2.1限定的初级振荡电路的谐振频率一致。
[0070]
为了激发接收谐振变压器2的四分之一波工作模式，还基本上选择了所需的波阻阻抗，这使得能够在用作接收谐振变压器2的初级绕组的绕组2.1和用作接收谐振变压器2的次级绕组的耦合线圈6之间提供所需的耦合系数。因此，为了确保系统100中接收侧的正常运行，不仅需要调谐接收谐振变压器2将工作的频率，还需要调谐系统100中的内阻。其中，滑动触点9在绕组2.1的高电位端和低电位端之间的移动，允许调整或选择接收谐振变压器2工作的工作频率(特别是，将滑动触点9沿着绕组2.1的匝朝向其低电位端的移动，基本上导致接收谐振变压器2工作频率的增加；以及将滑动触点9沿绕组2.1的匝朝向其高电位输出端的移动，基本上导致接收谐振变压器2的工作频率的降低)，以及电能传输模式(见注1)。
[0071]
因此，根据以上对图1所示的系统100中发射侧和接收侧的运行特性的描述，当满足条件f0＝f
cb1
＝f1＝f2＝f
cb2
(其中f0是电流源4输出端的电流频率；f
cb1
是发射谐振变压器1侧初级振荡电路的谐振频率，该初级振荡电路由耦合线圈5限定并且基本上是发射谐振变压器1的电源电路；f1是发射谐振变压器1侧的次级振荡电路的谐振频率，该次级振荡电路由四分之一波绕组1.1限定并且基本上是接收谐振变压器2的电源电路；f2是接收谐振变压器2侧初级振荡电路的谐振频率，该初级振荡电路由四分之一波绕组2.1并且基本上是耦合线圈6的电源电路；f
cb2
是接收谐振变压器2侧次级振荡电路的谐振频率，该次级振荡电路由耦合线圈6限定并且基本上是电能接收器7的电源电路)。系统100中发射侧的所述初级和次级振荡电路以及接收侧的所述初级和次级振荡电路在谐振模式下工作。其中，系统100中由耦合线圈5限定的发射侧初级振荡电路和由耦合线圈6限定的接收侧次级振荡电路运行在集总无功分量(lumped reactive components)上的谐振模式；由绕组1.1限定的发射侧的次级振荡电路和由绕组2.1限定的接收侧的初级振荡电路运行在具有分布式无功参数的长线的分段上的谐振模式，这使得四分之一波绕组1.1、2.1产生在绕组1.1、2.1的低电位端上具有电位节点的四分之一波实施例的形式的驻波。
[0072]
图2示出了根据本技术方案的电能传输系统的另一个实施例。通常情况下，图2中所示的系统200的制造和功能类似于图1所示的上述系统100，除了系统200还包括单独电容器12，四分之一波绕组1.1的次级或高电位端还通过适当的导体连接到该电容器；以及单独电容器13，四分之一波绕组2.1的次级或高电位端还通过适当的导体连接到该电容器。其中，单独电容器12和单独电容器13各自具有预定的电容。
[0073]
应注意的是，系统200中的单独电容器12、13均可被制成具有大面积曲线面的光滑金属球体或圆环体的形式，这允许同样降低变压器四分之一波绕组1.1、2.1中相应的一个绕组的高电位端处的电位(电场)梯度。系统200中的单独电容器12、13的功能均类似于电晕环，增加产生空气放电例如电晕放电和电刷放电的电压阈值。因此，由系统200中的单独电容器12、13各自提供的对过早空气击穿的抑制和能量损失的减少，使得可以分别增加发射和接收谐振变压器1、2的q因子，以及增加其在波峰处的输出电压。在本技术方案的一个实施例中，系统200中的单独电容器12、13均可采用由波纹铝制成且外径等于或大于四分之一波绕组1.1或四分之一波绕组2.1直径的圆环。
[0074]
此外，系统200和上述系统100之间的另一个显著区别是，在系统200中，四分之一波绕组1.1所具有的线性电感能够与总线性寄生电容谐振，该总线性寄生电容为绕组的固有(寄生)电容和单独电容器12的电容之和，这基本上允许四分之一波绕组1.1在系统200中
被用作发射侧或谐振变压器1侧的次级振荡电路或lc电路(在现有技术中也称为调谐电路或谐振电路)。四分之一波绕组2.1所具有的线性电感能够与总线性寄生电容谐振，该总线性寄生电容为绕组的固有(寄生)电容和单独电容器13的电容之和，这基本上允许四分之一波绕组2.1在系统200中被用作接收侧或谐振变压器2侧的初级振荡电路或lc电路(在现有技术中也称为调谐电路或谐振电路)。
[0075]
系统200中的单独电容器12将实质上(非显著地)促进发射谐振变压器1的次级绕组上谐振频率的降低。在本技术方案的一个实施例中，单独电容器12、13均可使用由波纹铝制成且外径等于或大于四分之一波绕组1.1或四分之一波绕组2.1直径的圆环。单独电容器12的电容的设置可以基本上取决于发射谐振变压器1的所需功率和参数。
[0076]
系统200中的单独电容器13将实质上促进接收谐振变压器2的初级绕组上谐振频率的降低，该初级绕组被绕组2.1所限定。在本技术方案的一个实施例中，单独电容器12、13均可使用由波纹铝制成且外径等于或大于四分之一波绕组1.1或四分之一波绕组2.1直径的圆环。单独电容器13的电容的设置可以基本上取决于接收谐振变压器2的所需功率和参数。
[0077]
图3示出了根据本技术方案的电能传输系统的另一个实施例。通常情况下，图3中所示的系统300的制造和功能类似于图2所示的上述系统200，除了系统300还包括可变电容器14，滑动触点8通过其连接至四分之一波绕组1.1的高电位端，该高电位端基本上是发射谐振变压器1的高电位端；以及可变电容器15，滑动触点9通过其连接至四分之一波绕组2.1的高电位端，该高电位端基本上是接收谐振变压器2的高电位端。调整电容器14和/或电容器15的电容，基本上提供了分别在系统300的发射侧和接收侧进一步调整或调谐系统300的工作频率的可能性，分别在发射谐振变压器1和接收谐振变压器2上提供小电压调整，这实际上允许通过对系统300的工作频率更精确、更灵活的调整来提高系统300的效率，特别是由于进一步调整或进一步调谐在系统300的高电位部中的振荡频率，这实际基本上允许实现电位谐振，从而改变系统300的高电位部的工作模式。
[0078]
在电能传输系统300的一个实施例中，如图3所示，可变电容器14和可变电容器15可分别用具有根据系统300的发射侧和接收侧所需工作频率参数预先指定的预定容量的电容器来代替。
[0079]
在电能传输系统300的另一个实施例中，如图3所示，可能不配备单独电容器12、13。其中，滑动触点8可通过电容器14与四分之一波绕组1.1的高电位端相连，该电容器14可具有可变电容或预定电容；滑动触点9可通过电容器15与四分之一波绕组2.1的高电位端相连，该电容器15可具有可变电容或预定电容。
[0080]
图4示出了根据本技术方案的电能传输系统的另一个实施例。通常情况下，图4中所示的系统400的制造和功能类似于图3所示的上述系统300，除了系统400还包括接地电容器16，滑动触点18通过其进一步连接至四分之一波绕组1.1的低电位端，该滑动触点18被配置为沿着四分之一波绕组1.1低电位部的匝移动；还包括接地电容器17，滑动触点19通过其进一步连接至四分之一波绕组2.1的低电位端，该滑动触点19被配置为沿着四分之一波绕组2.1的低电位部的匝移动。因此，事实上，在系统400中，电容器16闭合在发射谐振变压器1上并进一步接地，电容器17闭合在接收谐振变压器2上并进一步接地。由通过接地电容器16连接到位于发射谐振变压器1的低电位部的四分之一波绕组1.1的低电位端之一的滑动触
点18限定另一功能单元；以及由通过接地电容器17连接到位于接收谐振变压器2的低电位部的四分之一波绕组2.1的低电位端之一的滑动触点19限定另一功能单元，使得能够调整系统400的低电位部中的振荡频率以实现电流谐振，从而改变系统400低电位部的工作模式。系统400的高电位部的工作模式和系统400的低电位部的工作模式同时或并行变化，允许在系统400的运行中建立所需的平衡，从而由于对系统400的更精确、更灵活的调整而显著提高系统400的运行效率。
[0081]
图5-11示出了根据图2的电能传输系统200的实施例的框图，该电能传输系统配备有控制和测量设备以测试系统200在变压器滑动触点8、9未使用以及电能传输线3与接触端1.2和接触端2.2的各种连接下的技术参数，接触端1.2包括变压器1的绕组的13个接触端1.2.1、1.2.2、1.2.3、1.2.4、1.2.5、1.2.6、1.2.7、1.2.8、1.2.9、1.2.10、1.2.11、1.2.12、1.2.13；接触端2.2包括变压器2的绕组的13个接触端2.2.1、2.2.2、2.2.3、2.2.4、2.2.5、2.2.6、2.2.7、2.2.8、2.2.9、2.2.10、2.2.11、2.2.12、2.2.13。特别地，在图5中，电能传输线3与接触端1.2.1和2.2.1相连；在图6中，电能传输线3与接触端1.2.2和2.2.2相连；在图7中，电能传输线3与接触端1.2.3和2.2.3相连；在图8中，电能传输线3与接触端1.2.4和2.2.4相连；在图9中，电能传输线3与接触端1.2.5和2.2.5相连；在图10中，电能传输线3与接触端1.2.6和2.2.6相连；在图11中，电能传输线3与接触端1.2.7和2.2.7相连。图5-11对应示意图的工作或技术参数的测试结果如表1所示；另外，测试中使用的单独电容器12、13，每个电容器的电容(c1)、(c2)均为150pf。
[0082]
表1.根据图5-11对应示意图的测试结果
[0083][0084]
图12-21示出了根据图2的电能传输系统200的其他实施例的框图，该电能传输系统配备有用于测试系统200的技术参数的测试和测量设备，其进一步示出了变压器1、2的滑动触点与变压器的接触端1.2、2.2之间的连接。分别包括变压器1的绕组上的13个接触端
1.2.1、1.2.2、1.2.3、1.2.4、1.2.5、1.2.6、1.2.7、1.2.8、1.2.9、1.2.10、1.2.11、1.2.12、1.2.13和变压器2的绕组上的13个接触端2.2.1、2.2.2、2.2.3、2.2.4、2.2.5、2.2.6、2.2.7、2.2.8、2.2.9、2.2.10、2.2.11、2.2.12、2.2.13，以及电能传输线3与变压器接触端1.2、2.2的各种连接。特别是，在图12-18中，电能传输线3与接触端1.2.1和2.2.1相连；在图19-20中，在图19-20中，电能传输线3与接触端1.2.2和2.2.2相连；在图21中，电能传输线3与接触端1.2.3和2.2.1相连。此外，在图12中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.12和2.2.12相连；在图13中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.11和2.2.11相连；在图14中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.10和2.2.10相连；在图15中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.9和2.2.9相连；在图16中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.8和2.2.8相连；在图17中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.7和2.2.7相连；在图18中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.6和2.2.6相连；在图19中，变压器的滑动触点8与接触端1.2.7相连，变压器的滑动触点9与接触端2.2.6相连；在图20中，变压器的滑动触点8、9与接触端1.2.7和2.2.7相连；以及在图21中，变压器的滑动触点8与接触端1.2.7相连，变压器的滑动触点9与接触端2.2.6相连。图12-21对应示意图的工作或技术参数的测试结果如表2所示；另外，测试中使用的单独电容器12、13，每个电容器的电容(c1)、(c2)均为150pf。
[0085]
表2.根据图12-21对应示意图的测试结果
[0086][0087]
图22-24示出了根据图2的电能传输系统200的别的其他实施例的框图，该电能传输系统配备有用于测试系统200的技术参数的测试和测量设备，变压器的滑动触点8、9未使用，变压器的匝数不同，以及电能传输线3与变压器接触端1.2、2.2的连接相同。特别是，在图22-24中，电能传输线3与接触端1.2.1和2.2.1相连。此外，在图22中，变压器1的绕组包括四个接触端1.2，包括接触端1.2.1、1.2.2、1.2.3和1.2.4，变压器2的绕组包括四个接触端2.2，包括接触端2.2.1、2.2.2、2.2.3和2.2.4；在图23中，变压器1的绕组包括五个接触端1.2，包括接触端1.2.1、1.2.2、1.2.3、1.2.4和1.2.5，变压器2的绕组包括五个接触端2.2，包括接触端2.2.1、2.2.2、2.2.3、2.2.4和2.2.5；在图24中，变压器1的绕组包括六个接触端1.2，包括接触端1.2.1、1.2.2、1.2.3、1.2.4、1.2.5和1.2.6，变压器2的绕组包括6个接触端2.2，包括接触端2.2.1、2.2.2、2.2.3、2.2.4、2.2.5和2.2.6。图22-24对应示意图的技术参数的测试结果如表3所示；另外，测试中使用的单独电容器12、13，每个电容器的电容(c1)、(c2)均为150pf。
[0088]
表3.根据图22-24对应示意图的测试结果
[0089][0090]
上面表1-3中所示的图5-24对应示意图的测试结果支持作者的结论，即根据本技术方案的任意实施例的用于传输电能的主题所涉系统，本文所公开的电能传输系统，提供了对系统的频率和工作模式更精准和灵活的调整，由此，提供更高的电能传输效率，尤其是通过减少电损耗。