CN101752982A - 一种轻自重的单边直线感应电动机 - Google Patents

Abstract

一种轻自重的单边直线感应电动机，为短初级、长次级式。其初级[11]由多相电枢绕组[112]及硅钢片迭成的铁芯构成。初级铁芯为两端削角结构，且两端部设置单层绕组的槽[113]，其槽深为中部放置双层绕组槽深的一半。初级绕组[112]采用铝线制成。其次级[12]为复合式，由导电薄板[121]与导磁铁轭[122]共同构成。本发明可用于需要直线驱动的各种场合，特别是需要减轻初级重量的场合，例如直线电机驱动的轨道交通运输系统，如城市轨道交通、地铁等。

Description

一种轻自重的单边直线感应电动机

技术领域

本发明涉及一种用于交通运输系统驱动的单边直线感应电动机。

技术背景

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。直线电机可以看作是由旋转电机演变而来：将旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展成直线，就可得到直线电机。与旋转电机的定子、转子相对应，直线电机由初级和次级构成。

直线电机可用于任何需要直线驱动的场合，交通运输是其重要的应用领域。

与旋转电机相比，采用直线电机驱动车辆的最大优点是取消了中间机械传动变换装置，使原来的旋转驱动变为直接驱动，不再需要粘着力，因此车辆的牵引力不再受轮轨粘着条件的限制，车辆的爬坡及加速性能得以改善。中间传动转换机构的取消，还可使机车的传动损耗及噪声减少，因此非粘着形式的直线驱动是最适合交通运输驱动的方式。

短初级长次级式单边直线感应电动机常用于市内公共交通系统。图5是目前既有的用于市内地铁和轻轨的直线电机轨道交通系统的结构示意图。其短初级51放置在车厢下部的转向架上，长次级52放置在轨道上，51与52之间为电机气隙53。54是车轮及轨道；该系统中单边直线感应电动机的短定子及其驱动控制系统放置在车上，由地面铺设的第三轨或架空线通过接触受电器向车上牵引逆变器供电。复合反应板式长次级铺设在轨道中间，两侧有车轮和轨道进行支撑和导向。电机初级由带齿槽的铁芯及三相绕组构成，复合式反应板长次级由轭铁及其上覆盖的铜板或铝板复合构成，初、次级之间的机械气隙，约为10mm左右。其工作原理如下：车上的逆变器向电机的短初级三相电枢绕组提供可变频、变压的三相交流电；气隙中因此产生行波磁场，地面的长次级导体板中产生感生涡流及磁力，驱动列车前进。改变电机初级电压及频率可控制列车的前进速度；改变磁场移动方向，车辆运行方向则随之改变。

直线电机轨道交通系统具有传统轮轨交通系统无可比拟的优点：能产生直接驱动力，不受轮轨之间粘着系数限制，能获得优良的动力性能和爬陡坡能力，转弯半径可减小至80m，提高了线路规划的灵活性；结构简单，无齿轮箱等机械传动变换机构，系统维护成本低，运行噪声小；采用电力牵引，无污染、环境友好等，具有很好的社会经济效益，是当今先进的轨道交通系统。但与旋转感应电机相比，直线感应电机的气隙较大，因此使得直线感应电机效率及功率因数较低。为了充分发挥直线感应电机车辆的优点，尽量降低车重是一项有用的措施，采用铝合金车体，小而轻的径向转向架等都是目前已经采用的减轻车重的措施。由于直线感应电机的初级放置在车上，尽量减小电机初级自重，也可对减轻车重有所贡献。

另外单边直线感应电动机也常用于磁浮列车，例如用于城市交通的中低速磁浮列车就采用了单边直线感应电动机驱动，其初级设置在车上。减轻电机初级重量，就可减轻车重，不但能节省磁浮所需电能，也可使车载电源体积重量减小。因此减轻初级重量对采用单边直线感应电动机驱动的中低速磁浮列车来说，要求更为迫切。

图6是单边直线感应电动机初级电枢的常规结构示意图，采用双层绕组，且铁芯未采用削角结构。与旋转电机结构连续不同，由于直线感应电机铁芯两端断开，在两端部槽中只能为半填充槽，也就是说如果采用双层绕组，在端部一些槽中只能放单层绕组，这些半填充槽中只有绕组元件的上层边或下层边。由于半填充槽中导体数仅为中部全填充槽的一半，因此端部比中间部分磁场强度小。采用电磁场有限元法对直线感应电机磁场研究发现，在两端部磁力线明显比中部稀疏，在两端部角上的磁密很小，即磁力线极少通过两端轭部角处。

由于铜的比重为8.9g/cm³，而铝的比重为2.7g/cm³，只有铜的0.303倍，因此采用铝制电枢绕组代替现在所用铜制电枢绕组也不失为减轻电机初级重量的一个有效措施。但铜的电阻率为2.17×10^-8Ωm(75℃)，铝电阻率比铜高为3.46×10^-8Ωm(75℃)。为达到相同的导电能力，在同长度、同电阻率的条件下(当其它条件相同时，输送同样的电能，则损耗也相同)，则铝、铜重量比为0.4837( $\frac{G_{\mathrm{Al}}}{G_{\mathrm{Cu}}}=\frac{d_{\mathrm{Al}}}{d_{\mathrm{Cu}}}\frac{V_{\mathrm{Al}}}{V_{\mathrm{Cu}}}=\frac{d_{\mathrm{Al}}}{d_{\mathrm{Cu}}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Al}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}}=\frac{2.7}{8.9}\·\frac{3.46}{2.17}=0.4837$ )。由此可知，在不降低电机功率情况下，用铝线可使电枢自重大大降低。

发明内容：

本发明的目的是克服现有直线感应电机效率、功率因数不够理想的缺点，充分发挥直线感应电机车辆的优点，尽量减小车重，提供一种具有轻自重的直线感应电机。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的轻自重单边直线感应电动机为短初级、长次级结构，短初级放置在车厢下方的转向架上，随车辆一起运动。长次级为铝板或铜板与铁板形成的复合次级，铺设在地面轨道中间。短初级由带齿槽的铁芯及嵌入槽中的多相(两相、三相或更多相)电枢绕组构成。

本发明的特征在于：所述的短初级带齿槽铁芯的两端部为削角结构，在铁芯两端靠近轭部采用直线削角或采用折线构成端部削角结构。所述的削角可以是一根直线构成，也可由两段折线构成，所述的两段折线形成的夹角为θ，90°∠θ∠180°；也可由多段相互垂直的折线构成，类似于楼梯式折线，且所述的垂直折线各段长度可等长，也可不等长。

本发明的特征还在于：所述的短初级带齿槽的铁芯两端嵌放端部单层绕组，短初级带齿槽的铁芯中间部分放置双层绕组，铁芯两端嵌放端部单层绕组的槽深为中间部分嵌放双层绕组槽的槽深的一半。

本发明的特征还在于：所述的短初级多相电枢绕组采用铝线构成。

直线感应电动机的长次级为常规结构，是采用导体板与导磁铁轭构成的复合次级。此复合次级包含两种结构：一种由平板形导体板与导磁铁轭形成的平板形长次级；另一种为梯形导体与平板形导磁铁轭形成的梯形长次级。

复合长次级中，其导体材料为铜或铝，其导磁材料为铁、钢或硅钢片。

本发明具有如下优点：短初级铁芯采用削去两端轭部的两端削角结构，而且短初级铁芯端部为半槽，不但可以减轻铁芯重量，而且不影响电机原有磁场分布；初级绕组采用比重较小的铝线代替常用的铜线，可以在保持原有导体长度及原有电流密度等相关指标不变时，有效降低电枢绕组重量。铁芯及绕组重量的降低，使得车载重量减少，有利于提高电机驱动效率。

附图说明

图1以平板形导体长次级为例的本发明的横截面结构示意图，图中，11短初级，12长次级。其中121铝板或铜板形成的反应板，122导磁材料形成的次级铁轭；

图2轻自重的单边直线感应电动机采用直线削角的短初级的横截面结构示意图，图中，111直线削角铁芯，112电枢绕组，113端部半槽；

图3轻自重的单边直线感应电动机采用垂直折线削角的短初级的横截面结构示意图，图中，114垂直折线削角的铁芯；

图4轻自重的单边直线感应电动机采用两折线削角的短初级的横截面结构示意图，图中，115两折线削角铁芯；

图5是既有的一种直线感应电机驱动的轮轨交通系统横截面结构示意图；

图6是单边直线感应电动机初级电枢的常规结构横截面示意图，图中：双层绕组61，未采用削角结构的铁芯62，等槽深的槽63。

具体实施方式：

下面结合以平板形导体长次级为例的附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的轻自重单边直线感应电动机的具体实施方式主要由短初级11，长次级12组成。其中短初级11放置在车上，它包括带齿槽的铁芯111、114、115，嵌入槽中的多相(两相、三相或更多相)铝制电枢绕组112。长次级12沿轨道布置，为单边直线感应电动机的常规结构。长次级12可采用几种构成方式，如：由平板形导体板如铝板或铜板121与铁磁材料122形成的复合平板次级；梯形导体板与铁磁材料122形成的复合次级；平板鼠笼形复合次级与铁磁材料122形成的复合次级等。梯形导体板及平板鼠笼形反应板也可采用常规方式构成。复合平板式长次级12与短初级11由气隙δ隔开相对。

在建设直线电机轨道交通线时，可以根据需要选择所需使用的复合次级，如全线选用一种次级或在需大推力之处选择梯形导体板或平板鼠笼形复合次级，其它路段选择平板形复合次级，以降低次级制造成本等。

所述的短初级带齿槽铁芯的两端部为削角结构。下面结合图2~图4说明各种初级铁芯的构成方式。初级铁芯111、114及115是由硅钢片迭装而成的，其铁芯冲片的设计与常规电机相同。铁芯111、114及115两端部削角尺寸可采用电磁场有限元或磁路计算确定，确定的基本原则是保证端部轭部导磁面积足够大，端部铁芯削角处最大磁密值应稍低或接近于所用导磁材料的饱和磁密，以充分利用材料，尽量减轻铁芯重量。

图2～图4所示为初级铁芯111、114及115的结构。如图2所示，初级铁芯111的端部削角采用一根直线构成。如图3所示，初级铁芯114的端部削角采用多根垂直折线构成，其中所述的垂直折线各段长度可等长，也可不等长；如图4所示，初级铁芯115的端部削角采用两段折线构成，两段折线形成的夹角为θ，且有90°∠θ∠180°。图2所示的铁芯111结构最简单，但在削角构成上不够灵活。相比之下，图3～图4所示的折线削角增加了构成上的灵活性，为更多地减轻初级重量并兼顾轭部导磁面积提供了多种选择。

所述的短初级带齿槽铁芯中间部分放置双层绕组，两端嵌放端部单层绕组。

铁芯111、114及115放置绕组的槽有两种槽深：放置双层绕组的中部槽为一个整槽深，放置单层端部绕组的端部槽113为半个槽深，即如果中部槽的深度为一个整槽深，则端部槽113的深度取半槽深，半槽深的深度为整槽深的一半。半个槽深的槽[113]的槽数为每端各y1个(y1为绕组节距，以槽数计)，如采用每极每相槽数q＝3槽，短距为2槽的双层三相短距绕组，则两端半个槽深的槽[113]的数量各为y1＝3×3-2＝7槽。

图2～图4中的多相(两相、三相或更多相)电枢绕组采用双层铝制电枢绕组112，在电机电磁设计时按铝绕组计算即可。铝制电枢绕组112采用常规方式构成，如采用波绕组、迭绕组或混合绕组等。

电枢绕组112的嵌放可按常规直线感应电机的嵌放方式及工艺进行。

Claims (4)

1.一种轻自重的单边直线感应电动机，为短初级、长次级结构，所述的短初级[11]设置在车上，长次级[12]沿轨道铺设在地面上；所述的短初级[11]由带齿槽的铁芯[111、114、115]及嵌入槽中的多相电枢绕组[112]构成，其特征在于所述的铁芯[111、114、115]由硅钢片叠成，为两端削角结构。

2.按照权利要求1所述的轻自重的单边直线感应电动机，其特征在于所述的铁芯[111、114、115]为一根直线构成的削角铁芯，或两段折线构成的削角铁芯，或多根垂直折线构成的削角铁芯。

3.按照权利要求1或2所述的铁芯[111、114、115]两端设置放置端部单层绕组的槽[113]，槽[113]的深度是铁芯中部放置双层绕组的槽的深度的一半。

4.按照权利要求1所述的轻自重的单边直线感应电动机，其特征在于所述的多相电枢绕组[112]采用铝线制成。

Images