CN100554029C - 直线感应电动机牵引运载装置 - Google Patents
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Abstract
直线感应电动机牵引运载装置，其特征在于装置中不再设置专用的悬浮电磁铁，仅采用单边短初级直线感应电动机作为提供车体悬浮/卸载和牵引的动力。单边短初级直线感应电机包括叠片铁心[31]和嵌在铁心槽内的绕组[32]的初级[3]设置在车体下部两侧，初级[3]表面面向上方，次级固定于轨道两侧，表面面向下方，与电机初级[3]表面相对；次级为铝质或铜质的长反应板[4]，反应板[4]背面设置导磁性能良好的钢板[5]，该反应板和钢板固定在轨道梁[6]上。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，特别是涉及一种用于运载领域的直线感应电动机运载装置。
背景技术
采用直线电机可以省去采用旋转电机时必需的齿轮机构，直接实现直线驱动。因此，在希望直线运动的机构中被广泛采用。在轨道交通领域，与旋转电机驱动的轮轨交通系统相比，直线电机牵引的交通系统具有噪音小、爬坡能力强、转弯半径小、建设和运行费用低等优势。与直线同步电机等其他电机向比，单边直线感应电机系统具有结构简单、造价低、维护少、运行可靠、变频控制容易实现等特点。所以，单边感应直线电机在城市轨道交通和货物运载等领域得到了积极应用。例如，日本开发的中低速HSST方式的磁浮列车利用专门的电磁式磁铁悬浮、单边直线感应电机驱动。如图1a、b所示，包括悬浮电磁铁铁心7和绕组8的电磁式悬浮电磁铁将列车悬浮起来，由直线感应电机3牵引列车运行。悬浮电磁铁安装在与车厢下部结构1相连的电磁铁悬挂机构2上，包括直线感应电机初级铁心31和直线感应电机初级绕组32的直线感应电机初级3也安装在车厢下部结构1上，直线感应电机次级反应板4、F型钢板(轨道上电机次级铁轭)5安装在轨道梁6上。该种形式的磁浮车体中，悬浮和牵引由不同的部件完成。
为了提高单位电流的牵引力和磁路耦合效率，直线感应电机的次级反应板通常采用钢铝或钢铜复合的形式。当向电机初级绕组馈入交流电后，电机初级绕组和次级反应板之间即产生切向的排斥力，即牵引力。同时，也会产生法向的排斥力或吸引力。钢铝/铜复合的单边直线感应电机的法向力在不同的滑差频率sf(即次级反应板中感应出的电流相对于次级板的频率，也即异步电机的初级和次级之间滑差率与初级电流频率之乘积)下变化很大。对大量直线电机搬运装置的计算分析表明，在滑差频率sf较小的区段，吸引的法向力可能是牵引力的数倍。
如此大的法向力，一般作为影响车体运行的副作用力加以限制。一种方法是控制电机在某一法向力较小的滑差频率下运行，保持法向力基本恒定、且数值较小，此时的法向力由电磁铁提供浮力来弥补。另一种通过支撑轮(如直线电机驱动的轨道交通)传到铁轨上。前者加大了对悬浮电磁铁悬浮力(也即励磁磁势)和悬浮动态响应的要求，影响了牵引力的高效发挥。后者增大了轮轨的摩擦力、降低了牵引效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是有效地利用单边直线感应电机的法向力，提高直线电机牵引系统的运行效率。提出一种直线感应电机牵引运载装置，该装置可以充分利用电机的牵引力和法向力，实现运载车体悬浮牵引运行，或实现车体卸载牵引运行。
本发明的技术解决方案如下。
本发明采用单边短初级直线感应电动机作为提供悬浮/卸载和牵引的动力，运载装置处于静止状态时，所述的单边短初级直线感应电动机的初级电枢绕组中不通入电流，依靠支撑轮支撑运载所述的直线感应电动机牵引运载装置。初级电枢绕组中通入直流电的情况下，依靠初级与次级铁轭的吸引力，可以实现所述的直线感应电动机牵引运载装置的静止悬浮，或减轻支撑轮对轨道的压力；通过变频装置向电机的初级绕组里通入变频电流，依靠通有电流的初级电流和次级之间的电磁吸引法向力将所述的直线感应电动机牵引运载装置浮起，依靠通有电流的初级和次级之间的切向电磁作用力牵引装置运行。当运载装置较重，不能满足完全悬浮要求时，电机初级和次级之间的法向力，即电磁吸引力抵消所述的直线感应电动机牵引运载装置的部分重量，使通过支撑轮加载在轨道上的力减少，减轻通过支撑轮对轨道的压力，实现卸载的牵引运行，即起到装置“卸载”的作用。
本发明采用的单边短初级直线感应电机包括叠片铁心和嵌在铁心槽内的绕组的初级，设置在所述运载装置的车体下部两侧，初级表面面向上方，次级固定于轨道两侧，表面面向下方，与电机初级表面相对。该结构形式与现有技术的HSST等目前常用的电机的初次级放置方法相反，为一种倒置结构。次级为铝质或铜质的长反应板，反应板背面设置导磁性能良好的钢板，该反应板和钢板再固定在轨道梁上。本发明不再设置专用的悬浮电磁铁，由于固定于轨道上的次级带铁轭(导磁钢板)，在滑差频率sf较低情况下可以得到相当大的吸引悬浮力。
本发明的积极效果：
(1)带有初级和次级倒置的单边直线感应电动机结构的运载装置，具有牵引和悬浮(或车体卸载)两种功能。情况一：本发明的运载装置中，设计直线电机初级和次级间的法向力大小满足运输机构最大悬浮力要求，同时满足牵引的要求。由于省去了专用悬浮电磁铁，从而可大大简化车体结构。这样同样净载重的情况下，可以减轻车体重量(通常浮起1顿的载荷需要约150公斤重的悬浮电磁铁和相应悬浮机构)约15％。同时，避免了悬浮电磁铁耗电、提高了控制的可靠性。情况二：当运载装置载重较重，设计初级和次级间的吸引悬浮力不将车体全部浮起，而起运载装置卸载作用。即通过向上的法向力吸引力，部分抵消运载装置向下的重力。这样可以减轻支撑轮对轨道的压力，减少磨擦损耗，提高牵引效率。
(2)充分利用了单边直线感应电动机固有的法向力和牵引力，以往作为悬浮控制的干扰因素、并被加以限制或力求减低的电机法向力得到了有效和积极的利用，提高了电机的利用效率。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1a、b是日本开发的HSST形式的中低速磁浮列车中悬浮磁体和直线感应电机安装位置和直线感应电机示意图，图中：1车厢下部结构、2悬浮电磁铁悬挂机构、3直线感应电机初级、4直线感应电机次级反应板、6轨道梁、5轨道上次级铁轭、7悬浮电磁铁铁心、8绕组、31初级铁心、32初级绕组。
图2是本发明一种实施例示意图，图2a是直线感应电机的结构示意图，图2b是运载装置实施例示意，图2c是紧急制动滑块24和辅助导向轮23在悬臂22内侧的位置关系示意图，图2d是直线电机和次级轨道反应板的局部放大图。
图中：6轨道梁、21支撑轮、22悬臂、23辅助导向轮、24紧急制动滑块、25悬挂装置、31铁心、32绕组、26轨道立柱。
图3是本发明的另一种具体实施例示意图，图3a为正视图，图3b为侧视图。图中：101载货箱，102支撑轮，103移动传输箱体，104电机悬挂架，105固定于地面或其它固定设施上的传输轨道支座，106传输轨道。
图4是电机初级和次级之间的法向吸引力、车体总重和通过支撑轮施加在轨道上的压力之间的关系图。
图5是本发明一实施例单边直线感应电机的牵引力和法向力与滑差频率的关系图。
具体实施方式
图2是本发明一种实施例示意图。如图2a和图2d所示，包括叠片铁心31和嵌在铁心槽内的绕组32的初级3设置在车体下部两侧，直线感应电机初级3表面面向上方，轨道两侧向下、面向电机初级3的轨道面设置导磁性能良好的钢板5、钢板上面再铺设铝质或铜质的长次级反应板4。
如图2b所示，本发明在车体下部两侧设置安放直线电机的悬挂装置25，悬挂装置25为铝合金的箱体结构。包含铁心31和绕组32的直线电机的初级3设置于车体下部两侧的悬挂装置25上，并且在长度方向均匀排布。直线电机的初级通常分为几段，每段长度视车体长度而定，通常设计为300毫米至2500毫米。直线电机的次级反应板4沿轨道梁6两侧下部车体运行方向全线铺设，左右方向与直线电机初级3位置相对应。支撑轮21用于不需悬浮车体时支撑车体于轨道梁6上。该支撑轮21设置于车体底部、前后对称排列、数量为偶数。支撑轮21左右方向的位置能保证车体在任何情况下均能使辅助支撑21轮落在轨道梁6上。
辅助导向轮23设置于车体侧面下部、内侧与轨道侧面平行的悬臂22的内侧，用于辅助导向，即当车体横断面中线欲偏离轨道横断面中线较多时，限制车体左右偏移。紧急制动滑块24为一种可以伸缩的装置，当需要紧急停车或正常情况下作为最后停车的制动手段时，紧急制动滑块24伸出、并与轨道侧面接触，依靠滑动磨擦将车体制动。如图2c所示，紧急制动滑块24和辅助导向轮23位于同一水平面，并且安装于同一悬臂22的内侧。两者沿车体纵向方向错开、横向以车体中线对称排列在车体两侧的悬臂22上。轨道立柱26起支撑作用。
图3为本发明的另一种具体实施例示意图，其中图3a为正视图，图3b为侧视图。如图3所示，本发明包括载货箱101，支撑轮102，移动传输箱体103，电机悬挂架104，固定于地面或固定设施上的传输轨道支座105，传输轨道106等主要部分。该运载装置设置至少2台单边直线感应电机初级，沿运动方向前后均匀布置。在横截面方向，电机初级3位于电机悬挂架104的中央位置，并且电机初级3表面向上、面对电机次级反应板4。包括铝板或铜板和轭部钢板的次级固定于传输轨道106下部，并且在传输运动方向全轨铺设。支撑轮102位于载货箱101下部的两侧，两侧布置的支撑轮102数量相等且均匀排布。
以上两种实施例中，可根据要求将系统设计成完全悬浮牵引运行，或是车体卸载牵引运行。如果车体卸载运行，根据需要卸载多少的要求确定悬浮力大小，进一步设计电机满足牵引力和法向力的要求。如图4所示，Fn是电机初级和次级之间的方向向上的法向吸引力，W是方向向下的车体重量，通过支撑轮施加在轨道上的压力Fd即为两者之差，即Fd＝W-Fn。因为Fd＜W，所以起到卸载作用。
一台直线电机搬运试验装置例如下：装置配有两台直线牵引电机，电机次级带钢板轭部、初级长357mm、宽90mm、6极、极距51mm、每机每相槽数1，次级为铝反应板，次级宽度100mm。两台直线感应电机产生的吸引法向力Fz和牵引力Fx与滑差频率的关系如图5所示。图5中初级与次级间隙3毫米，初级电流有效值10A。
本发明可以用于直线电机城市轨道交通、货物搬运、特别是无尘(超净)间货物搬运、电磁发射等领域。
Claims (3)
1、一种直线感应电动机牵引运载装置，采用单边短初级直线感应电动机提供悬浮/卸载和牵引的动力；当所述的直线感应电动机牵引运载装置处于静止状态时，所述的单边短初级直线感应电动机的初级电枢绕组[32]中不通入电流，依靠支撑轮[21]支撑所述的直线感应电动机牵引运载装置；在初级电枢绕组[32]中通入直流电的情况下，依靠初级与次级铁轭之间的吸引力，实现所述的直线感应电动机牵引运载装置的静止悬浮，或减轻支撑轮对轨道的压力；通过变频装置向电机的初级绕组[32]里通入变频电流，依靠通有电流的初级和次级之间的电磁吸引法向力将所述的直线感应电动机牵引运载装置浮起，依靠通有电流的初级和次级之间的切向电磁作用力牵引装置运行；当所述的直线感应电动机牵引运载装置较重、不能满足完全悬浮要求时，电机初级[3]和次级之间的法向力，即电磁吸引力抵消所述的直线感应电动机牵引运载装置的部分重量，使通过支撑轮[21]加载在轨道上的力减少，减轻通过支撑轮[21]对轨道的压力，实现卸载的牵引运行，其特征在于，所述的单边短初级直线感应电机包括叠片铁心[31]和嵌在铁心槽内的绕组[32]的初级[3]设置在所述直线感应电动机牵引运载装置的车体下部两侧，初级[3]表面面向上方，次级固定于轨道两侧，表面面向下方，与电机初级[3]表面相对；次级为铝质或铜质的长反应板[4]，反应板[4]背面设置导磁性能良好的钢板[5]，反应板[4]和钢板[5]固定在轨道梁[6]上；所述的直线感应电动机牵引运载装置中不设置专用的悬浮电磁铁。
2、按照权利要求1所述的直线感应电动机牵引运载装置，其特征在于单边短初级直线感应电动机放置在所述的车体下部两侧的悬挂装置[25]中，悬挂装置[25]为铝合金的箱体结构，在其长度方向上均匀排布有分段布置的包含铁心[31]和绕组[32]的直线电机初级[3]；直线电机的次级反应板沿轨道梁[6]两侧下部车辆运行方向全线铺设，左右方向与直线电机初级[3]位置相对应；支撑轮[21]设置于车体底部落在轨道梁[6]上，前后对称排列，数量为偶数；辅助导向轮[23]设置于车辆侧面下部、内侧与轨道侧面平行的悬臂[22]的内侧；紧急制动滑块[24]为一种可以伸缩的装置，和辅助导向轮[23]位于同一水平面，并且安装于同一悬臂[22]的内侧；紧急制动滑块[24]和辅助导向轮[23]两者沿车辆纵向方向错开，横向以车辆中线对称排列在车辆两侧的悬臂[22]上；轨道立柱[26]起支撑作用。
3、按照权利要求1所述的直线感应电动机牵引运载装置，其特征在于运载装置至少包括2台电机初级[3]，电机初级[3]沿运动方向前后均匀布置；在横截面方向，电机初级[3]位于电机悬挂架[104]的中央位置，电机初级[3]表面向上，面对电机次级反应板[4]；包括铝板或铜板和轭部钢板的次级固定于传输轨[106]下部，并且在传输运动方向全轨铺设；支撑轮[102]位于载货箱[101]下部的两侧，两侧布置的支撑轮[102]数量相等且均匀排布。
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