CN102025315B - 分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，涉及一种直线电机。所述低温容器包括两个长方体形状的箱形结构的上低温容器(9a)和下低温容器(9b)，在上低温容器和下低温容器底部分别放入绝缘层后，高温超导绕组(3)的一半分别单层排列在上低温容器和下低温容器底部的绝缘层上，再各自进行封装，分别形成上绕组冷却组件和下绕组冷却组件；在上低温容器和下低温容器的槽与初级铁芯(4)的齿间隙配合；再用上层挡板(16)和下层挡板(17)，分别把上绕组冷却组件和下绕组冷却组件支撑在初级铁芯的槽内，形成具有两层绕组结构的高温超导直线电机。使用该装置，交流损耗明显减小，超导材料临界电流提高，制冷费用大幅减小。

Description

分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种直线电机驱动装置，特别是涉及一种分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置。

背景技术

城市轨道交通车辆现在大多都是依靠轮轨来牵引和制动，它还存在全天候运行特性较差，机械振动和噪声较大，车辆轻量化和小型化相对困难等缺点。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，更容易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模式，运营适应性较好。目前全世界已有多个国家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铁路次级导体板上表面之间间隙(气隙)的变化，因此气隙设计得不能太小，一般在12mm左右。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；美国现在正进行10MW超导风电电机的研制，电机的转子用Y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，甚至初级线圈可以采用空心结构，电机的损耗和噪声都可以下降，体积和重量的可大幅度降低。

公开号CN101697461A所公开的，发明名称：节能型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置，它的铁芯分成上部铁芯和下部铁芯，初级组件分为两部分(初级组件的上部和初级组件的下部)，初级组件的上部由上部铁芯组成，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。在初级组件中，浸泡在液氮中的部分所产生的热量全部由冷却液散发，这样会消耗较多的液氮，直线电机的主要损耗来自初级铁芯中，由于初级铁芯一部分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。另外，高温超导绕组采取四层结构，高温超导绕组上的磁场较强，会造成的临界电流减小，交流损耗较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，减少液氮的消耗和高温超导绕组的交流损耗，提高高温超导绕组的临界电流，提供一种分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置。

本发明解决其技术问题的技术方案：

本发明是在公开号CN101697461A，发明名称为节能型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。

一种分离冷却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高温超导直线电机，所述可控变频电源设有变频电源和控制器，所述高温超导直线电机设有高温超导绕组、初级铁芯、次级导体板、绝缘层和次级导磁钢板，所述高温超导绕组与所述可控变频电源相连，所述初级铁芯的底部平面与次级导体板的上表面之间为气隙；高温超导绕组采用饼式结构、跑道型截面；所述初级铁芯采用非晶合金片叠加而成，固定在转向架上；次级导体板和次级导磁钢板固定在两轨之间的轨枕上；低温容器通过进出管路与冷却设备相通，高温超导绕组放置于低温容器中。

所述低温容器包括两个长方体形状的箱形结构的上低温容器和下低温容器，上低温容器和下低温容器结构和尺寸相同，上低温容器和下低温容器的壁由双层无磁不锈钢制成，双层之间抽成真空。

在上低温容器和下低温容器上对称设上下贯通的二十五个矩形槽，这些槽的位置及尺寸与初级铁芯的二十五个齿间隙配合，当初级铁芯的二十五个齿插入二十五个矩形槽时，初级铁芯两端的两个齿位于上低温容器和下低温容器两端的外部。

在上低温容器底部放入绝缘层后，高温超导绕组的一半单层排列在上低温容器底部的绝缘层上，在进行封装，形成上绕组冷却组件。

然后初级铁芯的每个齿插入上低温容器的矩形槽中，再用上层挡板把上低温容器支撑在初级铁芯的槽内。

在下低温容器底部放入绝缘层后，高温超导绕组的一半单层排列在下低温容器底部的绝缘层上，在进行封装，形成下绕组冷却组件。

然后低温容器的矩形槽插入初级铁芯的齿中，再用下层挡板把下低温容器支撑在初级铁芯的槽内。

本发明和已有技术相比所具有的有效效果是：

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，进一步发挥其优越的电磁特性。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，初级铁芯的损耗占总损耗的80％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80％以上；和四层结构排列相比，由于本发明采用上下两层排列的高温超导绕组，显著降低高温超导绕组上的磁场，提高超导材料的临界电流，即显著提高高温超导材料的通流能力，同时会进一步减小高温超导材料的交流损耗。

附图说明

图1分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置示意图。

图2图1中局部A处的放大图。

图3低温容器的主视图。

图4低温容器的左视图。

图5低温容器的A-A剖视图。

图6分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的侧视图。

图7初级组件的三维示意图。

图8初级组件的俯视图。

图9分离冷却型轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的使用示意图。

冷却通道入口1、次级导体板2、高温超导绕组3、初级铁芯4、列车转向架5、气隙6，次级导磁钢板7、冷却通道入口8、上低温容器9a、下低温容器9b、连杆10、绝缘层11、冷却设备12、控制变频电源13、冷却通道出口14、冷却通道出口15、上层挡板16、下层挡板17。

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、图2和图9，一种分离冷却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，所述可控变频电源13设有变频电源和控制器，所述高温超导直线电机设有高温超导绕组3、初级铁芯4、次级导体板2、绝缘层11和次级导磁钢板7，所述高温超导绕组3与所述可控变频电源13相连，所述初级铁芯4的底部平面与次级导体板2的上表面之间为气隙6；高温超导绕组3采用饼式结构、跑道型截面；所述初级铁芯4采用非晶合金片叠加而成，固定在转向架上；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；低温容器通过进出管路与冷却设备12相通，高温超导绕组3放置于低温容器中。

参照图2-8，所述低温容器包括两个长方体形状的箱形结构的上低温容器9a和下低温容器9b，上低温容器9a和下低温容器9b结构和尺寸相同，上低温容器9a和下低温容器9b的壁由双层无磁不锈钢制成，双层之间抽成真空。

在上低温容器9a和下低温容器9b上对称设上下贯通的二十五个矩形槽B1～B25，这些槽的位置及尺寸与初级铁芯4的二十五个齿间隙配合，当初级铁芯4的二十五个齿插入二十五个矩形槽B1～B25时，初级铁芯4两端的两个齿位于上低温容器9a和下低温容器9b两端的外部。

在上低温容器9a底部放入绝缘层11后，高温超导绕组3的一半单层排列在上低温容器9a底部的绝缘层11上，在进行封装，形成上绕组冷却组件。

然后初级铁芯4的每个齿插入上低温容器9a的矩形槽中，再用上层挡板16把上绕组冷却组件支撑在初级铁芯4的槽内。

在下低温容器9b底部放入绝缘层11后，高温超导绕组3的一半单层排列在下低温容器9b底部的绝缘层11上，在进行封装，形成下绕组冷却组件。

然后初级铁芯4的每个齿插入上低温容器9b的矩形槽中，再用下层挡板17把下绕组冷却组件支撑在初级铁芯4的槽内。

初级铁芯4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)。

参照图1、图2、图6和图9，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初级铁芯的底部平面和次级导体板接触，采用初级铁芯4底部平面和次级导磁钢板7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1，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也安置在列车上。使高温超导绕组3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1-9，为了使置于上低温容器9a和下低温容器9b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置于内部为液氮的上低温容器9a和下低温容器9b中，上低温容器9a、下低温容器9b和冷却设备12通过冷却通道入口1、冷却通道入口8、冷却通道出口14、冷却通道出口15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。

下面对本发明分离冷却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。

当列车驱动时，高温超导绕组3中通以三相交流电，经初级铁芯4、次级导体板2和次级导磁钢板7以及气隙6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。初级铁芯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)

1.一种分离冷却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，所述高温超导直线电机设有高温超导绕组(3)、初级铁芯(4)、次级导体板(2)、绝缘层(11)和次级导磁钢板(7)，所述高温超导绕组(3)与所述可控变频电源(13)相连，所述初级铁芯(4)的底部平面与次级导体板(2)的上表面之间为气隙(6)；高温超导绕组(3)采用饼式结构、跑道型截面；所述初级铁芯(4)采用非晶合金片叠加而成，固定在转向架上；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；低温容器通过进出管路与冷却设备(12)相通，高温超导绕组(3)放置于低温容器中；

其特征在于：

所述低温容器包括两个长方体形状的箱形结构的上低温容器(9a)和下低温容器(9b)，上低温容器(9a)和下低温容器(9b)结构和尺寸相同，上低温容器(9a)和下低温容器(9b)的壁由双层无磁不锈钢制成，双层之间抽成真空；

初级铁芯(4)设二十七个齿，在上低温容器(9a)和下低温容器(9b)上均等间距设贯通的二十五个矩形槽(B1～B25)，这些槽的位置及尺寸与初级铁芯(4)除两端的齿之外的二十五个齿间隙配合，初级铁芯(4)的二十五个齿插入上低温容器(9a)和下低温容器(9b)的二十五个矩形槽(B1～B25)，初级铁芯(4)两端的两个齿位于上低温容器(9a)和下低温容器(9b)两端的外部；

在上低温容器(9a)底部放入绝缘层(11)后，高温超导绕组(3)的一半单层排列在上低温容器(9a)底部的绝缘层(11)上，进行封装，形成上绕组冷却组件；

然后初级铁芯(4)除两端的齿之外的二十五个齿插入上低温容器(9a)的矩形槽中，用上层挡板(16)把上低温容器(9a)支撑在初级铁芯(4)的槽内；

在下低温容器(9b)底部放入绝缘层(11)后，高温超导绕组(3)的另一半单层排列在下低温容器(9b)底部的绝缘层(11)上，进行封装，形成下绕组冷却组件；

然后，初级铁芯(4)除两端的齿之外的二十五个齿插入下低温容器(9b)的矩形槽内，用下层挡板(17)把下低温容器(9b)支撑在初级铁芯(4)的槽内。

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