CN106828184A - 无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车 - Google Patents

无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车,包括车体、高温超导悬浮系统以及直线电机推进系统,所述直线电机推进系统设置在所述轨道梁下方两侧或轨道梁上方中部。本发明的无齿槽型永磁同步电机的绕组采用非铁磁材料等固定安装,其具有导热性能较好、安装方便等优点;车载永磁次级无需车载供电、次级重量轻、车辆有效载荷大等;采用单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动时,永磁体与长定子背铁间的磁吸力可作为磁悬浮车系统悬浮力,提高了磁悬浮车的整体悬浮能力;采用双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动时,车载永磁体横向受力小且无垂向力;直线电机推进系统对车辆悬浮系统的扰动小,系统运行动态稳定性好。

Description

无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车
技术领域
[0001]本发明涉及交通工具领域,具体涉及一种无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超 导磁悬浮车。
背景技术
[0002]磁悬浮列车是一种没有车轮的陆上无接触式有轨交通工具,它采用电磁悬浮和电 力牵引。这种列车根据电磁悬浮原理不同,可分为常导吸力型悬浮和超导斥力型悬浮两大 类。
[0003]现有高温超导磁悬浮车系统中均采用直线感应电机驱动方案。直线感应电机具有 结构简单,成本低,控制系统简单可靠等优点,但其同时存在推力小、效率低、功率因素低、 尚速性能差等缺点,因此较适用于中低速磁悬浮驱动系统。
[0004]相比直线感应电机,而永磁同步直线电机具有推力大,效率和功率因素高等诸多 优点,适合中高速磁悬浮驱动系统,如图1所示,常规的永磁同步直线电机(即齿槽铁芯型永 磁同步直线电机)包括:铁芯100、永磁体200、电机绕组300以及齿槽400。但常用的永磁同步 直线电机的法向磁吸力大,法向力大约为推力的10倍左右,且在运动过程中电机法向力和 推力均存在大的波动,法向力波动会对悬浮系统的稳定性造成扰动,且推力波动会影响磁 悬浮车的运行舒适性,因此齿槽铁芯型永磁同步直线电机不适用于高温超导磁悬浮驱动系 统。
[0005]因此,有必要提供一种采用无齿槽型永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮 车,提高磁悬浮车的整体悬浮能力,使得车载永磁体横向受力小且无垂向力,减小直线电机 推进系统对车辆悬浮系统的扰动,提高系统运行动态稳定性。
发明内容
[0006]本发明针对上述现有技术中存在的缺陷,提供了一种无齿槽永磁同步直线电机驱 动的高温超导磁悬浮车。
[0007] 本发明提供的技术方案如下:
[0008] —方面,提供了一种单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车, 包括车体、使所述车体悬浮和对所述车体进行导向的高温超导悬浮系统以及与供所述车体 行驶的轨道梁连接,用于驱动所述车体沿所述轨道梁进行运动的直线电机推进系统;所述 车体包括:具有竖直中心轴线的主体;所述主体左右两侧分别向底部延伸出的、沿所述竖直 中心轴线对称设置的第一延伸部以及第二延伸部,且所述第一延伸部的底端形成有第一弯 折部;所述第二延伸部的底端形成有第二弯折部;所述第一弯折部与第二弯折部的自由端 相对,且两自由端沿所述竖直中心轴线对称设置;所述直线电机推进系统设置在所述轨道 梁下方两侧。
[0009]优选的,所述高温超导悬浮系统包括沿所述竖直中心轴线对称设置在所述轨道梁 上方两侧的、沿所述轨道梁连续铺设的永磁轨道;以及与所述永磁轨道相对的、沿所述竖直 中心轴线对称设置在所述车体下方的高温超导块材。
[0010] 优选的,所述高温超导块材容纳在车载杜瓦瓶中。
[0011] 优选的,所述直线电机推进系统包括:
[0012] 背铁,其设置在所述轨道梁下方两侧,且沿所述轨道梁连续铺设;
[0013] 电机绕组,其与所述背铁连接,且沿所述轨道梁连续铺设;
[0014] 以及车载永磁体,其设置在所述第一弯折部以及第二弯折部上,并与所述电机绕 组相对;
[0015] 所述背铁、电机绕组以及车载永磁体均沿所述竖直中心轴线对称设置。
[0016] 优选的,所述的车载永磁体为表贴式永磁体结构、内嵌式永磁体结构或者Halbach 永磁体结构。
[0017] 另一方面,还提供了一种双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮 车,包括具有竖直中心轴线的车体、使所述车体悬浮和对所述车体进行导向的高温超导悬 浮系统以及与供所述车体行驶的轨道梁连接,用于驱动所述车体沿所述轨道梁进行运动的 直线电机推进系统,所述直线电机推进系统设置在所述轨道梁上方中部。
[0018] 优选的,所述高温超导悬浮系统包括沿所述竖直中心轴线对称设置在所述轨道梁 上方两侧的、沿所述轨道梁连续铺设的永磁轨道;以及与所述永磁轨道相对的、沿所述竖直 中心轴线对称设置在所述车体下方的高温超导块材。
[0019] 优选的,所述高温超导块材容纳在车载杜瓦瓶中。
[0020] 优选的,所述直线电机推进系统包括:
[0021] 背铁,其设置在所述轨道梁上方中部,且沿所述轨道梁连续铺设;
[0022] 电机绕组,其与所述背铁之间通过非铁磁材料固定连接,且两自由端相对,并沿所 述轨道梁连续铺设;
[0023] 以及车载永磁体,其设置在所述车体下方;
[0024] 所述背铁、电机绕组以及车载永磁体均沿所述竖直中心轴线对称设置;对称设置 的所述电机绕组之间形成有用于容纳所述车载永磁体的容纳空间,所述车载永磁体位于所 述容纳空间的中心位置。
[0025] 优选的,所述的车载永磁体为表贴式永磁体结构、内嵌式永磁体结构或者Halbach 永磁体结构。
[0026]本发明的技术方案具有如下技术效果:
[0027] 1、无齿槽型永磁同步直线电机具有法向磁吸力小,因为电机不存在齿槽,因此电 机在运动过程中不存在齿槽力。电机通过F0C矢量控制,精确控制电机的d q轴电流,从而实 现对电机的推力和法向力大小精确控制。
[0028] 2、无齿槽型永磁同步电机的绕组采用非铁磁材料如环氧树脂聚合物等固定安装, 其具有导热性能较好、安装方便等优点。
[0029] 3、长定子永磁同步直线电机驱动高温超导磁悬浮车,其优点是:车载永磁次级无 需车载供电、次级重量轻、车辆有效载荷大等。
[0030] 4、单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的超导磁悬浮车,其优点是车载永磁体与 长定子背铁间的磁吸力可作为磁悬浮车系统悬浮力,提高了磁悬浮车的整体悬浮能力。 [0031] 5、双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的超导磁悬浮车,其优点是:车载永磁体 横向受力小且无垂向力;直线电机推进系统对车辆悬浮系统的扰动小,系统运行动态稳定 性好。
附图说明
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,以下将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图进行论述,显然,在结合附图进行描述的技术方案仅仅是 本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人贝而3,在不付出创造性方动的如提下,还可 以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
[0033] 图1是现有技术中齿槽铁芯型永磁同步直线电机的结构示意图;
[0034] 图2是本发明实施例一中单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮 车的结构示意图;
[0035] 图3是本发明实施例二中双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮 车的结构示意图。
具体实施方式
[0036] 以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚完整的描述,显然,所描 述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本 领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都在本发明所 保护的范围内。
[0037] 针对现有技术中存在的,常用的齿槽铁芯型永磁同步直线电机的法向磁吸力大, 法向力大约为推力的1〇倍左右,且在运动过程中电机法向力和推力均存在大的波动,法向 力波动会对悬浮系统的稳定性造成扰动,且推力波动会影响磁悬浮车的运行舒适性,因此 不适用于高温超导磁悬浮驱动系统的缺陷,提供了一种无齿槽永磁同步直线电机驱动的高 温超导磁悬浮车。
[0038] 实施例一:
[0039] 本实施例提供了一种单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车, 如图2所示,其包括车体、使所述车体悬浮和对所述车体进行导向的高温超导悬浮系统以及 与供所述车体行驶的轨道梁1连接,用于驱动所述车体沿所述轨道梁1进行运动的直线电机 推进系统;所述车体包括:具有竖直中心轴线Y的主体2;所述主体2左右两侧分别向底部延 伸出的、沿所述竖直中心轴线对称设置的第一延伸部3以及第二延伸部4,且所述第一延伸 部3的底端形成有第一弯折部5;所述第二延伸部4的底端形成有第二弯折部6;所述第一弯 折部5的自由端7与第二弯折部6的自由端8相对,且两自由端7和8沿所述竖直中心轴线Y对 称设置;其中,所述直线电机推进系统设置在所述轨道梁下方两侧。
[0040] 具体的,所述高温超导悬浮系统包括沿所述竖直中心轴线Y对称设置在所述轨道 梁上方两侧的、沿所述轨道梁连续铺设的永磁轨道9和9’ ;以及与所述永磁轨道9和9’相对 的、沿所述竖直中心轴线Y对称设置在所述车体下方的高温超导块材1〇和10’。优选的,为保 证所述高温超导块材能够稳定的发挥其超导性能,所述高温超导块材容纳在车载杜瓦瓶 中。
[0041] 所述直线电机推进系统包括直线电机包括电机长定子和短动子,其中所述长定子 具体包括:
[0042] 背铁11和11’,其设置在所述轨道梁1下方两侧,且沿所述轨道梁1连续铺设;
[0043] 电机绕组12和12’,其分别与所述背铁11和11’之间可通过非铁磁材料固定连接连 接,且沿所述轨道梁i连续铺设;优选的,所述非铁磁材料包括环氧树脂聚合物等材料;
[0044] 以及车载永磁体13和13’,其分别设置在所述第一弯折部5以及第二弯折部6上,并 分别与所述电机绕组12和12’相对;
[0045] 所述背铁11和11’、电机绕组12和12’以及车载永磁体13和13’均沿所述竖直中心 轴线Y对称设置。
[0046] 本实施例中,由于所述直线电机推进系统对称倒挂于轨道梁1下方两侧,因此车载 永磁体13和13’与电机定子背铁11和11’间存在持续的磁吸力,因电机背铁11和11’固定于 轨道梁下方,因此对车辆来讲,该磁吸力表现为向上的垂向力,即可为车辆提供稳定的悬浮 力,增强了磁悬浮车的悬浮能力。
[0047] 进一步的,所述的车载永磁体为表贴式永磁体结构、内嵌式永磁体结构或者 Halbach永磁体结构。上述各永磁体结构均为现有技术,在此不再多加描述。采用上述车载 永磁体作为永磁同步直线电机的励磁磁场,其相比传统的车载励磁线圈式同步直线电机, 其优点是:车辆不需为车载永磁次级供电、次级重量轻、车辆有效载荷大等。
[0048] 实施例二:
[0049] 本实施例提供了一种双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车, 如图3所示,该双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车包括具有竖直中 心轴线Y’的车体2’、使所述车体2’悬浮和对所述车体2’进行导向的高温超导悬浮系统以及 与供所述车体2’行驶的轨道梁1’连接,用于驱动所述车体2’沿所述轨道梁1’进行运动的直 线电机推进系统,其中,所述直线电机推进系统设置在所述轨道梁1’上方中部。
[0050] 具体的,所述高温超导悬浮系统包括沿所述竖直中心轴线Y’对称设置在所述轨道 梁1’上方两侧的、沿所述轨道梁1’连续铺设的永磁轨道14和14’ ;以及与所述永磁轨道14和 14’相对的、沿所述竖直中心轴线Y’对称设置在所述车体2’下方的高温超导块材15和15’。 优选的,为保证所述高温超导块材能够稳定的发挥其超导性能,所述高温超导块材15和15’ 容纳在车载杜瓦瓶中。
[0051] 所述直线电机推进系统包括直线电机包括电机长定子和短动子,其中所述长定子 具体包括:
[0052] 背铁16和16’,其设置在所述轨道梁1’上方中部,且沿所述轨道梁1’连续铺设;
[0053] 电机绕组17和17’,其与所述背铁16和16’之间通过非铁磁材料固定连接,且所述 电机绕组17的自由端18和所述电机绕组17’的自由端18’相对,两自由端18和I8’沿所述轨 道梁1’连续铺设;优选的,所述非铁磁材料包括环氧树脂聚合物等材料;
[0054] 以及车载永磁体19,其设置在所述车体下方;
[0055] 所述背铁16和16’、电机绕组17和17’以及车载永磁体19均沿所述竖直中心轴线Y’ 对称设置;对称设置的所述电机绕组17和17’之间形成有用于容纳所述车载永磁体19的容 纳空间,所述车载永磁体I9位于所述容纳空间的中心位置。
[0056] 本实施中,直线电机推进系统布置于整个系统的中心位置,使得车载永磁体I9与 双边背铁16和16’之间同时存在持续的磁吸力,因此理论上车载永磁体19处于中心彳立置时 (即双边气隙相等)受到的磁吸力合力为零。在实际运动过程中,由于车辆的横向偏移使得 车载永磁体19偏离中心位置时,假设车辆向左偏移,则左边气隙小于右边气隙,车载永磁体 对电机左背铁的磁吸力F左大于车载永磁体对电机右背铁的磁吸力F右,其合力表现为车辆受 到向左的作用力F合,最终该磁吸力F合与悬浮系统的导向力相平衡。并且无齿槽型永磁同步 直线电机的磁吸力远小于齿槽型永磁同步直线电机,因此当车辆产生横向移动之后,车辆 受到的横向力较小。且运动过程中,车载永磁体19不会受到垂向力,直线电机推进系统对车 辆悬浮系统的扰动小,可有效提高系统运行动态的稳定性。
[0057]同样的,所述的车载永磁体为表贴式永磁体结构、内嵌式永磁体结构或者Halbach 永磁体结构。
[0058]综上所述,本发明中的无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车采用无 齿槽型(单边型和双边型)永磁同步直线电机进行驱动,因此其法向磁吸力小,因为电机不 存在齿槽,因此电机在运动过程中不存在齿槽力。电机通过F0C矢量控制,精确控制电机的d q轴电流,从而实现对电机的推力和法向力大小精确控制;同时无齿槽型永磁同步电机的绕 组采用非铁磁材料如环氧树脂聚合物等固定安装,其具有导热性能较好、安装方便等优点; 长定子永磁同步直线电机驱动高温超导磁悬浮车,其优点是:车载永磁次级无需车载供电、 次级重量轻、车辆有效载荷大等。具体的,单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的超导磁悬 浮车,其优点是车载永磁体与长定子背铁间的磁吸力可作为磁悬浮车系统悬浮力,提高了 磁悬浮车的整体悬浮能力;而双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的超导磁悬浮车,其优 点是:车载永磁体横向受力小且无垂向力;直线电机推进系统对车辆悬浮系统的扰动小,系 统运行动态稳定性好。
[0059]本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合,通过这种组合得到的 技术方案,也在本发明的范围内。
[M60]显然,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,本领域技术人员可以对本发明进 行各种改动和变型。如果对本发明的这些改动和变型是在本发明的权利要求及其等同方案 的范围之内,则本发明也将包含这些改动和变型。

Claims (10)

1. 一种单边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车,包括车体、使所述 车体悬浮和对所述车体进行导向的高温超导悬浮系统以及与供所述车体行驶的轨道梁连 接,用于驱动所述车体沿所述轨道梁进行运动的直线电机推进系统;所述车体包括:具有竖 直中心轴线的主体;所述主体左右两侧分别向底部延伸出的、沿所述竖直中心轴线对称设 置的第一延伸部以及第二延伸部,且所述第一延伸部的底端形成有第一弯折部;所述第二 延伸部的底端形成有第二弯折部;所述第一弯折部与第二弯折部的自由端相对,且两自由 端沿所述竖直中心轴线对称设置;其特征在于,所述直线电机推进系统设置在所述轨道梁 下方两侧。
2. 如权利要求1所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述高温超导悬浮系统包括沿 所述竖直中心轴线对称设置在所述轨道梁上方两侧的、沿所述轨道梁连续铺设的永磁轨 道;以及与所述永磁轨道相对的、沿所述竖直中心轴线对称设置在所述车体下方的高温超 导块材。
3. 如权利要求2所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述高温超导块材容纳在车载 杜瓦瓶中。
4. 如权利要求1所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述直线电机推进系统包括: 背铁,其设置在所述轨道梁下方两侧,且沿所述轨道梁连续铺设; 电机绕组,其与所述背铁连接,且沿所述轨道梁连续铺设; 以及车载永磁体,其设置在所述第一弯折部以及第二弯折部上,并与所述电机绕组相 对; 所述背铁、电机绕组以及车载永磁体均沿所述竖直中心轴线对称设置。
5. 如权利要求4所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述的车载永磁体为表贴式永 磁体结构、内嵌式永磁体结构或者Halbach永磁体结构。
6. —种双边型无齿槽永磁同步直线电机驱动的高温超导磁悬浮车,包括具有竖直中心 轴线的车体、使所述车体悬浮和对所述车体进行导向的高温超导悬浮系统以及与供所述车 体行驶的轨道梁连接,用于驱动所述车体沿所述轨道梁进行运动的直线电机推进系统,其 特征在于,所述直线电机推进系统设置在所述轨道梁上方中部。
7. 如权利要求6所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述局温超导悬浮系统包括沿 所述竖直中心轴线对称设置在所述轨道梁上方两侧的、沿所述轨道梁连续铺设的永磁轨 道;以及与所述永磁轨道相对的、沿所述竖直中心轴线对称设置在所述车体下方的高温超 导块材。
8. 如权利要求7所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述尚温超导块材容纳在车载 杜瓦瓶中。
9. 如权利要求6所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述直线电机推进系统包括: 背铁,其设置在所述轨道梁上方中部,且沿所述轨道梁连续铺设; 电机绕组,其与所述背铁之间通过非铁磁材料固定连接,且两自由端相对,并沿所述轨 道梁连续铺设; 以及车载永磁体,其设置在所述车体下方; 所述背铁、电机绕组以及车载永磁体均沿所述竖直中心轴线对称设置;对称设置的所 述电机绕组之间形成有用于容纳所述车载永磁体的容纳空间,所述车载永磁体位于所述容 纳空间的中心位置。
10.如权利要求6所述的高温超导磁悬浮车,其特征在于,所述的车载永磁体为表贴式 永磁体结构、内嵌式永磁体结构或者Halbach永磁体结构。
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