CN101697461B - 节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，包括一可控变频电源(13)和高温超导直线电机。固定在两轨之间的轨枕上的次级导体板(2)和次级导磁钢板(7)；初级铁芯的底部平面与次级导体板的上表面之间具有气隙(6)；高温超导绕组(3)与所述可控变频电源相连；初级组件置于低温容器(9)中。初级铁芯分成上部铁芯(4)和下部铁芯(15)两部分，上部铁芯为初级铁芯磁轭；下部铁芯(15)是将齿焊接在无磁不锈钢板(16)上制成。初级组件分为两部分，初级组件的下部由下部铁芯和高温超导绕组组成，置于低温容器内，上部铁芯与初级组件下部铁芯对齐，并固定在低温容器外部的上表面。使用该装置，运行成本显著降低。

Description

节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置

技术领域

本发明涉及直线电机驱动装置，特别是涉及一种节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置。

背景技术

直线感应电机运载系统是采用直线感应电机驱动的新型城市轨道交通模式，系统用轮轨完成其支撑和导向，依靠直线感应电机所产生的电磁力来推进。因此这种系统不再受到轮轨黏着因素的制约，牵引-制动性能发挥不依赖于环境，取消了旋转电机驱动所必须的滚动轴承、传动齿轮。车辆具有很强的加、减速性能、曲线通过性能和爬坡能力，运行平稳性高。目前全世界已有多条直线感应电机驱动地铁线路投入商业运营，直线感应电机运载系统正在逐渐成为城市轨道交通的首选模式。

直线感应电机运载系统由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性(轴箱垂向弹性定位)系统间，不可避免地会造成初级铁芯底部平面和次级导体板上表面之间间隙(气隙)的变化，因此气隙设计不能太小。再加上直线感应电机的端部效应，漏磁场较大，效率和功率因数较低就成为了直线电机系统的最大问题。

近来铋(Bi)和钇(Y)系高温超导导线的工业化生产水平有明显提高，用高温超导导线替代铜导线已成为可能。美国已经完成了36.5MW的高温超导同步电机的研制，电机的转子用Bi系高温超导导线绕制而成；日本超导磁悬浮试验列车用Bi系导线制成的高温超导磁体代替低温超导磁体的工作也取得了成功。由于超导材料的载流能力比铜导线高百倍以上，超导电机的有效磁场可以设计的很高，非常适合于轨道交通驱动用直线电动机需要大气隙的工作特点，电机的损耗和噪声都可以下降，体积和重量可大幅度降低。

公开号CN101340134A所公开的，发明名称：轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，它的初级组件包括高温超导绕组和初级铁芯，整个初级组件置于低温容器中，初级组件所产生的热量全部由冷却液散发，这样会消耗大量的液氮，出现了高温超导直线电机的冷却问题。高温超导绕组产生的热量仅占高温超导直线电机驱动装置产生总热量的2％以下，直线电机的产生的热量主要来自初级铁芯中，由于初级铁芯都放置在低温容器中冷却，增加了高温超导直线电机的运行成本。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题，就是克服以上缺陷，提供一种节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案：

本发明是在公开号CN101340134A，发明名称：轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，所公开的技术的基础上作出的。区别在于初级铁芯分成上部铁芯和下部铁芯两部分。上部铁芯为初级铁芯的铁轭部分，下部铁芯为初级铁芯的齿部；铁轭部分置于低温容器外，下部铁芯是将齿焊接在无磁不锈钢板上制成。

一种节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，包括一可控变频电源和直线电机，所述可控变频电源设有变频电源和控制器。

所述直线电机包括固定在转向架上的高温超导绕组和初级铁芯组成初级组件，固定在两轨之间的轨枕上的次级导体板和次级导磁钢板；初级铁芯的底部平面与次级导体板的上表面之间具有气隙；高温超导绕组与可控变频电源相连，初级组件部分置于低温容器中，低温容器通过冷却液进管和冷却液出管与冷却设备相通。

初级铁芯分成上部铁芯和下部铁芯两部分，上部铁芯为初级铁芯的铁轭；下部铁芯是将齿焊接在无磁不锈钢板上制成；初级组件分为两部分，初级组件的上部是初级铁芯的铁轭，初级组件的下部包括下部铁芯和高温超导绕组，初级组件的下部置于低温容器内，上部铁芯与初级组件下部铁芯对齐，上部铁芯紧贴并焊接在低温容器的上表面，上部铁芯通过连杆固定在转向架上。下部铁芯的上表面紧贴在低温容器内部的上表面，下部铁芯的下表面紧贴在低温容器内部的下表面上，低温容器内部的下表面同时充当下部铁芯支撑面。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果是：

在结构上，本发明提出高温超导直线电机内初级铁芯的上部铁芯放置在低温容器外的结构，明显降低了高温超导直线电机制冷费用，充分发挥其优越的电磁特性。由于电磁驱动为非接触式电磁力驱动，而且采用了高温超导电磁系统，高温超导电磁铁本身由于绕组选择高温超导材料，绕组电阻趋近于零，高温超导绕组本身电能损耗极小，所以损耗主要来自初级铁芯内部的损耗，上部铁芯的损耗占铁芯内部的损耗的50％以上，当把这部分拿出低温容器后，高温超导直线电机制冷费用会降低50％以上；由于绕组选择超导材料，所以绕组中可以通以非常大的电流，因此产生的磁场强度也非常的大，这样，就可以弥补由于初级铁芯被分开后造成的影响。通过计算分析得知，在初级铁芯被分开情况下，当高温超导线的电流增加一倍时，产生的驱动力和初级铁芯没有分开时的情况相同。只要电流不超过临界电流，高温超导绕组的损耗增加的很少。相对于初级铁芯没有分开情况，初级铁芯被分开后，产生同样驱动力时，高温超导直线电机制冷费用有明显减小，运行成本可以显著降低，该技术广泛应用在其它不同种类的高温超导电机的设计技术中。

附图说明

图1节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的主视图；

图2节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的侧视图；

图3冷却系统、初级组件及可控变频电源连接示意图。

固定挡板1、次级导体板2、高温超导绕组3、上部铁芯4、列车转向架5、气隙6，次级导磁钢板7、冷却液进管8、低温容器9、连杆10、绝缘层11、冷却设备12、可控变频电源13、冷却液出管14，下部铁芯15，无磁不锈钢板16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1和图3，一种节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，包括：可控变频电源13和高温超导直线电机。

高温超导直线电机包括：初级组件、次级导体板2和次级导磁钢板7和超导冷却系统；超导冷却系统包括：冷却液进管8、低温容器9、冷却设备12和冷却液出管14。

参照图1-3，初级铁芯分成上部铁芯4和下部铁芯15两部分，上部铁芯4为初级铁芯的铁轭部分；下部铁芯15由二十八个齿焊接在2mm厚的无磁不锈钢板16上制成。初级组件分为两部分：初级组件的下部包括下部铁芯15和高温超导绕组3，初级组件的下部置于低温容器9内，上部铁芯4与初级组件下部铁芯15对齐，紧贴低温容器9的上表面，上部铁芯通过连杆10连接，固定在转向架5上，下部铁芯的上表面紧贴在低温容器内部上表面。下部铁芯的下表面紧贴在低温容器内部下表面上，低温容器内部下表面同时充当下部铁芯支撑面。

上部铁芯4的下表面与下部铁芯15的上表面之间距离是低温容器9的壁厚和无磁不锈钢板16的厚度和为8mm。

高温超导绕组3采用饼式结构、跑道型截面，且绕组层状排列在初级铁芯的下部铁芯15的槽内，各个初级绕组之间加绝缘层11，固定挡板1将高温超导绕组3固定在下部铁芯15内。

高温超导绕组3使用的铁芯结构同常规电磁铁使用的铁心结构完全相同，但是采用了非晶合金材料。高温超导绕组3导线使用超导材料铋2223(Bi2223)或钇钡铜氧(YBCO)带材制成(或其它高温超导材料)。

次级导体板2和次级导磁钢板7固定在两轨之间的轨枕上。

参照图1和2，初级铁芯4底部平面和次级导体板2上表面间不产生意外接触的安全高度为气隙6，高度为11mm。

气隙6根据实际轨道和列车的情况试验确定，尽可能使气隙高度小但又要考虑到实际运行中防止低温容器9的底部平面和次级导体板2接触，采用低温容器9的底部平面和次级导体板2间不产生意外接触的安全高度，最优设计值为11～15mm。气隙的宽度和次级导磁钢板7的宽度相近；空气隙的长度则根据具体的单元超导涡流驱动装置的驱动力调整，气隙的长度越长，驱动力越大。

参照图3，可控变频电源13设有变频电源和控制器，高温超导绕组3与可控变频电源13连接。可控变频电源13安置在列车上。使高温超导绕组处于超导状态的超导冷却系统以及如何产生高温超导绕组交流电流的可控变频电源，均采用目前公知的设备。

参照图1、2和3，为了使置于低温容器9中的高温超导绕组3处于超导状态，设有冷却设备12。高温超导绕组3置于内部为液氮的低温容器9中，低温容器9和冷却设备12通过冷却液进出管8和14相连接，使液氮循环，以保持高温超导绕组3一直处于超导状态。冷却设备12安置在列车上。

下面对本发明节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的工作过程做出说明。

当静止的列车驱动时，高温超导绕组3中通以三相交流电，经导磁钢板7、次级导体板2、气隙6、低温容器9的下部的箱壁、下部铁芯15、无磁不锈钢板16、低温容器9的上部的箱壁、上部铁芯4形成闭合磁路。在次级导体板2中产生涡流，这样，在高温超导绕组3和初级铁芯形成的电磁场与次级导体板2上的涡流产生的驱动电磁力使列车启动。上部铁芯4产生的热通过运动过程中的流动空气散布在空气中，仅仅下部铁芯15和高温超导绕组由于损耗产生的热由冷却液冷却。

Claims (1)

1.一种节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，包括一可控变频电源(13)和高温超导直线电机；所述可控变频电源(13)设有变频电源和控制器；所述直线电机包括固定在转向架(5)上的高温超导绕组(3)和初级铁芯组成初级组件；固定在两轨之间的轨枕上的次级导体板(2)和次级导磁钢板(7)；初级铁芯的底部平面与次级导体板(2)的上表面之间具有气隙(6)；高温超导绕组(3)与可控变频电源(13)相连；初级组件部分置于低温容器(9)中，低温容器(9)通过冷却液进管(8)和冷却液出管(14)与冷却设备(12)相通；

其特征在于：初级铁芯分成上部铁芯(4)和下部铁芯(15)两部分，上部铁芯(4)为初级铁芯的铁轭；下部铁芯(15)是将齿焊接在无磁不锈钢板(16)上制成；初级组件分为两部分，初级组件的上部是初级铁芯的铁轭，初级组件的下部包括下部铁芯(15)和高温超导绕组(3)，初级组件的下部置于低温容器(9)内，上部铁芯(4)与初级组件下部铁芯(15)对齐，上部铁芯(4)紧贴并焊接在低温容器(9)的上表面，上部铁芯(4)通过连杆(10)固定在转向架(5)上；下部铁芯(15)的上表面紧贴在低温容器(9)内部的上表面，下部铁芯(15)的下表面紧贴在低温容器(9)内部的下表面上，低温容器(9)内部的下表面同时充当下部铁芯(15)的支撑面。

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