一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線電能傳輸領域，特別是采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車。
【背景技術】
[0002]拼裝軌道交通電動玩具火車有助于兒童鍛煉動手動腦能力，深受兒童喜愛，目前市場上的此類產品都是采用更換電池的方式，這種方式存在以下明顯缺點:
[0003]—是頻繁的更換電池，將會造成環境污染和資源浪費；二是由于自身需要攜帶笨重的電池，能量白白浪費在運載電池上，電動玩具火車的速度也會受到影響。
【發明內容】
[0004]發明目的:針對上述現有技術，提出一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，解決現有玩具車需要頻繁更換電池的問題。
[0005]技術方案:一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，包括高頻電源、分段分布式發射裝置、軌道、能量接收裝置、整流穩壓單元、電動玩具火車位置檢測單元、控制器單元、線圈切換單元；
[0006]所述分段分布式發射裝置包括沿軌道依次設置的若干組能量發射線圈，所述能量接收裝置包括分別在電動玩具火車首尾各設置的一組能量接收線圈，所述能量接收線圈能夠與能量發射線圈之間能夠進行無線能量傳輸，所述兩組能量接收線圈的輸出端并聯后經整流穩壓單元連接電動玩具火車的電動馬達；所述電動玩具火車位置檢測單元用于將電動玩具火車的實時位置信息發送至控制器單元，所述控制器單元用于根據所述電動玩具火車的實時位置信息發送控制信號至線圈切換單元，所述線圈切換單元用于根據接收的所述控制信號將電動玩具火車所在位置的能量發射線圈接入高頻電源。
[0007]作為本發明的優選方案，所述電動玩具火車位置檢測單元包括若干組反射式光電開關，每組反射式光電開關對應布置在一組所述能量發射線圈所在軌道的外側。
[0008]作為本發明的優選方案，所述每組反射式光電開關位于能量發射線圈的前端外側或尾部外側。
[0009]作為本發明的優選方案，所述高頻電源為頻率和功率均可調的電源。
[0010]作為本發明的優選方案，所述能量發射線圈和能量接收線圈均為矩形螺旋線圈，能量發射線圈在軌道轉彎處采用與軌道相同弧度的近似矩形螺旋線圈。
[0011]有益效果:本發明基于磁耦合共振技術，利用分段分布式發射裝置和能量接收裝置工作在諧振頻率時，通過能量發射線圈源源不斷地將電能發出，由電動玩具火車位置檢測單元檢測火車實時位置，進而控制相應的能量發射線圈接入電路，控制作為能量傳輸通道的磁場跟隨列車位置變化而實時變化，本發明只需要電動玩具火車所在位置的能量發射線圈通電，顯著降低了全線通電來帶的能量浪費。電動玩具火車上的能量接收線圈通過與能量發射線圈的耦合將電能接收并傳送給整流穩壓單元，通過合理放置位置檢測單元，首尾放置的能量接收裝置可以保證電動玩具小火車運行過程中始終至少存在一個接收線圈完全處于有效能量接收區域內，從而能夠有效保證在切換過程中能量不間斷，將經過處理得到的直流電輸送給電動馬達，實現了對電動玩具火車的分段切換式無線供電。該系統使電動玩具火車擺脫了電池的束縛，車體重量減輕，電能轉化效率高，減少了蓄電池使用帶來的環境污染，起到節能環保的良好效果。并且采用分段切換和特殊結構的能量接收裝置有助于進一步提升能量利用效率以及保證了電能的不間斷供應。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車原理示意圖；
[0013]圖2為本發明具體實施的能量發射端的結構示意圖；
[0014]圖3為本發明電動玩具火車接收端電路的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0016]如圖1所示，一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，包括高頻電源1、分段分布式發射裝置2、軌道3、能量接收裝置4、整流穩壓單元5、電動馬達6、電動玩具火車位置檢測單元7、控制器單元8、線圈切換單元9。高頻電源1、分段分布式發射裝置
2、軌道3、電動玩具火車位置檢測單元7、控制器單元8、線圈切換單元9構成能量發射端，能量接收裝置4、整流穩壓單元5、電動馬達6構成能量接收端。
[0017]如圖2所示，分段分布式發射裝置2包括沿軌道3依次設置的若干組能量發射線圈，每組能量發射線圈串聯有補償電容，分段分布式發射裝置2將整個軌道分成若干無線能量傳輸部分。能量接收裝置4包括分別在電動玩具火車12首尾各設置的一組能量接收線圈，每組能量接收線圈也串聯有補償電容；能量發射線圈和能量接收線圈均為矩形螺旋線圈，在軌道轉彎處采用與軌道相同弧度的近似矩形螺旋線圈。高頻電源I為頻率和功率均可調的電源，通過調整能量發射線圈和能量接收線圈上補償電容的大小，使能能量發射線圈、能量接收線圈以諧振頻率與高頻電源的頻率相同；由高頻電源I給分段分布式發射裝置2供電，通過能量發射線圈和能量接收線圈的諧振耦合，將能量無線傳遞到電動玩具火車12上，再經過整流穩壓單元5將接收到的交流電轉換成所需的直流電供電動玩具火車12使用。
[0018]電動玩具火車位置檢測單元7包括若干組反射式光電開關，每組反射式光電開關對應布置在一組能量發射線圈所在軌道3的外側。當每個能量發射線圈的長度大于整列電動玩具火車的長度時，將每組反射式光電開關設置在能量發射線圈的前端外側或尾部外偵U。當電動玩具火車經過某一組反射式光電開關時，發射出的紅外線因阻擋被反射回來，可以判斷電動玩具火車的頭部已到達該位置，將該實時位置信息傳遞給控制器單元8，控制器單元8用于根據電動玩具火車6的位置信息發送控制信號至線圈切換單元9。若電動玩具火車繞如圖2所示軌道順時針運行，以與玩具火車運行方向一致的一端為發射線圈的前端，當每組反射式光電開關設置在能量發射線圈的前端外側時，當電動玩具火車6的車頭到達某組反射式光電開關時，控制器單元8根據從該組反射式光電開關接收到的信號來控制該組反射式光電開關所在發射線圈以及該發射線圈順時針方向的前一線圈接入高頻電源I，斷開該組反射式光電開關所在發射線圈順時針方向的后一線圈，這一過程實現位置檢測與線圈切換。當每組反射式光電開關設置在能量發射線圈的尾部外側時，當電動玩具火車6的車頭到達某組反射式光電開關時，控制器單元8根據從該組反射式光電開關接收到的信號來控制該組反射式光電開關所在發射線圈以及該發射線圈順時針方向的后一線圈接入高頻電源1，當電動玩具火車6的車頭到達下一組反射式光電開關時，控制器單元8控制該組反射式光電開關順時針方向后第二組線圈與高頻電源I斷開。當每個發射線圈所占軌道的長度小于火車長度時，保證在線圈切換前后至少有一個接收線圈處于有效能量傳送區域內。
[0019]如圖3所示，能量接收裝置4、整流穩壓單元5以及電動馬達構成能量接收端。電動玩具火車6的兩組能量接收線圈分別安置在電動玩具火車的首尾兩節車廂底部，分別經整流電路后，并聯到電動馬達上。采用此方案的好處是可以保證在發射線圈切換過程中，能量不間斷的傳輸。
[0020]本發明的采用分段切換式無線供電軌道交通電動玩具火車，無線供電解決了現有玩具車需要頻繁更換電池、浪費資源、環境污染等技術問題，并且采用分段切換的技術，將能量無線傳輸過程中的損耗顯著降低，進一步節省能源。該方案還可以在功率允許的情況下實現多輛電動玩具火車的在線動態供電。此外還可以通過調整電源的功率來調整電動玩具火車的運行速度。
[0021]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，其特征在于:包括高頻電源(I)、分段分布式發射裝置(2)、軌道(3)、能量接收裝置(4)、整流穩壓單元(5)、電動馬達(6)，電動玩具火車位置檢測單元(7)、控制器單元(8)、線圈切換單元(9); 所述分段分布式發射裝置(2)包括沿軌道(3)依次設置的若干組能量發射線圈，所述能量接收裝置(4)包括分別在電動玩具火車首尾各設置的一組能量接收線圈，所述能量接收線圈能夠與能量發射線圈之間能夠進行無線能量傳輸，所述兩組能量接收線圈的輸出端并聯后經整流穩壓單元(5)連接電動玩具火車的電動馬達￠);所述電動玩具火車位置檢測單元(7)用于將電動玩具火車的實時位置信息發送至控制器單元(8)，所述控制器單元(8)用于根據所述電動玩具火車的實時位置信息發送控制信號至線圈切換單元(9)，所述線圈切換單元(9)用于根據接收的所述控制信號將電動玩具火車所在位置的能量發射線圈接入高頻電源(I)。2.根據權利要求1所述的一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，其特征在于:所述電動玩具火車位置檢測單元(7)包括若干組反射式光電開關，每組反射式光電開關對應布置在一組所述能量發射線圈所在軌道(3)的外側。3.根據權利要求2所述的一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，其特征在于:所述每組反射式光電開關位于能量發射線圈的前端外側或尾部外側。4.根據權利要求3所述的一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，其特征在于:所述高頻電源(I)為頻率和功率均可調的電源。5.根據權利要求3所述的一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，其特征在于:所述能量發射線圈和能量接收線圈均為矩形螺旋線圈，能量發射線圈在軌道轉彎處采用與軌道相同弧度的近似矩形螺旋線圈。
【專利摘要】本發明公開了一種采用分段切換式無線供電的軌道交通電動玩具火車，位置檢測單元檢測到電動玩具火車的位置后，由控制器單元經線圈切換單元控制分布式發射線圈接入電源，電源給對應的發射裝置供電，接收裝置與發射裝置工作在相同的諧振頻率下諧振耦合，由兩組能量拾取裝置得到的能量經整流穩壓模塊給電動馬達供電，前后兩組能量拾取裝置保證電動玩具火車不間斷供電，穩定運行。該系統不僅使電動玩具火車擺脫了電池的束縛，減輕了車體的重量，提高了電能轉化效率，而且減少了蓄電池使用帶來的污染，具有節能環保的效果。更重要的是，采用本發明所述分段分布式可切換發射線圈以及兩組能量接收線圈，可有效降低能量傳輸損耗，提高電能利用率。
【IPC分類】A63H19/10, H02J17/00
【公開號】CN104998420
【申請號】CN201510448008
【發明人】譚林林, 劉瀚, 黃學良, 王維
【申請人】東南大學
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月27日