CN108736687B - 一种基于v型槽次级结构的直线感应电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于V型槽次级结构的直线感应电机，包括短初级和长次级，长次级为由导电板和导磁铁板构成的复合结构，次级导电板均匀开设V型槽，V型槽由导电板上的两个通孔组成，两个通孔可以连通，也可以不连通，导电板材料为铜或铝。次级导电板为U型或平板型，平铺在导磁铁板表面，且导电板横向两端均延伸出导磁铁芯。本发明对次级导电板开V型槽，通过限制次级涡流路径减小了横向边端效应，从而减小电机损耗，提高推力性能；除此之外，本发明还大大减少了直线电机在长行程应用中导电板材料的用量，如中低速磁浮列车、直线电机地铁等，进一步降低了系统成本。

Description

一种基于V型槽次级结构的直线感应电机

技术领域

本发明属于感应电机技术领域，具体涉及一种基于V型槽次级结构的直线感应电机。

背景技术

城市轨道交通具有运输量大、安全可靠性高、节约能源的优点，是城市交通拥堵解决的主要方向。与传统旋转电机驱动电力机车相比，直线电机以其结构的特殊性，具有结构简单、维护方便、直接驱动(无需中间链条、齿轮皮带等中间连接装置)、造价低、振动小、噪声低、爬坡能力强、安全性能好等突出优点，非常适合大中城市大中运量交通发展的要求。直线感应电机的次级为感应板，具有次级结构简单、推力波动小、成本低等优点，成为了直线电机城市轨道交通系统的首选电机。目前，采用直线感应电机的城市轨道交通系统，尤其是直线电机地铁与中低速磁浮列车系统，已经得到了广泛的应用。

直线感应电动机的工作原理为：当初级三相绕组通入三相交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力，如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。

但是，直线感应电机的动静态特性与旋转电机有所不同，由于大气隙导致了其电磁推力、功率因数、效率的下降，初、次级开断导致了边端效应的产生，其效率和功率因数较传统的旋转电机要差，在一定程度上制约了直线电机的应用；因此，如何降低直线感应电机的边端效应已成为研究热点。

次级作为直线电机的一部分，主要作用之一是产生感应电流，并与初级行波磁场相互作用产生推力；因此，次级的材料和结构对电机的特性有一定的影响。为进一步提高电机性能，国内外许多学者在该方面也展开许多研究，例如采用将次级背铁改成叠片结构、在次级铁芯开不同形状的槽等方法，以此减小边端效应，降低次级涡流损耗；但这些结构都是仅仅针对次级背铁部分，在加工成本与长距离运行方面有较大的局限性。

因此，在传统平板型的次级导电板基础上，也有人开发出一种梯形槽次级结构，其次级导电板包括一组栅形排列的矩形导条，连接相邻矩形导条的端部导条以及中间导条；该结构简单，且能进一步减小端部效应，但由于中间导条的影响，仍存在较大的横向边端效应，需进一步优化。

发明内容

鉴于上述，本发明在直线感应电机次级导电板的开槽结构上有所突破，提供了一种基于V型槽次级结构的直线感应电机，其结构简单，又能明显减小横向端部效应及次级损耗，从而提高电机推力性能。

一种基于V型槽次级结构的直线感应电机，包括短初级和长次级；

所述长次级上开设有栅形排列的多组V型槽，其采用由导电板与导磁板所组成的复合次级，所述导电板沿长度方向(即横向)并排开有多组纵截面为V型的栅形孔且导电板平铺于导磁板表面，从而形成了所述多组V型槽。

进一步地，所述栅形孔由导电板中心线两侧开设的条形通孔组成，两侧条形通孔可连通或不连通。

进一步地，所述短初级由初级铁芯以及绕置于初级铁芯上的电枢绕组构成。

进一步地，所述初级铁芯由硅钢片叠压而成，所述电枢绕组采用双层叠绕组。

进一步地，所述长次级的导电板为U型或平板型。

进一步地，所述长次级的导电板采用铜质或铝质材料。

进一步地，所述V型槽在长次级上均匀分布。

进一步地，所述V型槽的槽宽与槽距之比约为0.375。

进一步地，所述导电板的横向宽度大于初级铁芯的横向宽度。

与传统直线感应电机结构比较，本发明直线感应电机具有如下突出优点：

(1)本发明通过在次级导电板上开V型槽，限制电流路径，使次级涡流形成类似平行四边形的环流，减小次级感应电流在初级铁心区域的纵向分量，从而减小横向端部效应，明显提高电机推力性能，故本发明可适用于大推力长距离运输的轨道交通系统，如中低速磁浮列车系统、直线电机地铁等。

(2)本发明相较于鼠笼次级结构，结构简单，制造加工成本低，且推力波动小、法向力小，易于长距离应用。

附图说明

图1为本发明直线感应电机的总体结构示意图。

图2为本发明实施例一的长次级结构示意图。

图3为本发明实施例二的长次级结构示意图。

图4为实施例二中次级感应电流回路的简化示意图。

图5为传统平板复合次级感应电流的分布仿真图。

图6为本发明实施例二中次级感应电流的分布仿真图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一：

图1显示了本发明直线感应电机总体结构，其包括短初级1和长次级2，电机短初级1包括初级铁芯11与三相电枢绕组12；为了减小铁耗，初级铁芯11由硅钢片叠压而成，电枢绕组12采用双层叠绕组；长次级2包括次级导电板21以及次级导磁铁板22，导磁铁板22为平板状，次级导电板21为U型结构，平铺在导磁铁板22表面。

图2为本实施例中长次级的结构示意，此时V型槽由导电板上的两个连通的通孔组成，次级导电板21包括栅形排列的横向V型导电导条211以及连接相邻导电导条端部的导电端条212，导电导条211的两端部均延伸出导磁铁板22两端，且导电导条211的横向宽度大于初级铁芯11的横向宽度，导电端条212设置在导磁铁板22的侧部。

导电导条211与导电端条212一体连接，且形成V字栅形形状，具有多个封闭的回路，使得该电机产生的感应电流在次级上形成规范的四边形回路，次级电流纵向分量减小，因此损耗减小，同时电流横向分量增大，使得电机横向边端效应显著减少，推力增大。

导磁铁板22为整铁式结构，用导磁性能良好的低碳钢板制成；次级导电板21(包括导电导条211以及导电端条212)由导电性能良好的铜或铝制成；在本实施例中选用铝制成，次级导电性能好，质量小，制造(价格)成本低。

在本实施例中，为使电机性能达到最优，V型次级槽数与初级槽数之比选取为56/72，V型槽槽宽与槽距之比约为0.375。

实际使用时，本发明电机的初级设置在轨道列车转向架上，V型槽次级导电板则沿轨道铺设在F型导轨上，同时起悬浮与导向作用的电磁铁固定在车身下方；当初级线圈绕组通入三相交流电，产生磁场，带动电机的初级与电磁铁沿轨道直线运动。

当直线感应电机初级的三相绕组中通入三相对称正弦交流电后，初级与次级相互作用后在它们之间的气隙中会产生气隙磁场。当不考虑由于导磁铁板22两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间正弦变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动，这个磁场是平移的，因此称为行波磁场。

对于本实施例中的电机，次级为V型栅型次级，栅形排列的横向V型导电导条211在行波磁场切割下，将感应出电动势，并产生感应电流，而导电导条211的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，由于次级导轨是固定不动的，电机的初级就带动电磁铁，顺着行波磁场运动的方向作直线运动。

本发明基于V型槽次级结构的直线感应电机，首先从次级结构上看，与整体式次级、叠片式次级，以及鼠笼型次级完全不一样。传统直线感应电机常以次级背铁结构优化为研究方向，而本发明的结构设计仅对次级导电板做开槽，结构简单，同时由于开槽结构减少了铝的用量，降低了制造成本，因此更符合直线电机的运行原理，更能体现直线电机的优势和特点。从性能上看，由于直线感应电机产生的感应电流将在次级板上形成闭合回路，其大小与路径与次级结构、横向端部有很大关系；现有的直线感应电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，并不存在明显的导电导条，因此与本发明相比，在感应板上的感应电流无明显导向及导电铝板内电流的分布较乱，即端部电流会有很大的X轴(纵向)分量，导致电机涡流损耗增大，效率降低；同时感应电流的Z轴(横向)分量减小导致电机推力降低。而目前研究的鼠笼型次级，虽能有效减小边端效应，提高推力性能，但具有法向力大，推力波动大，结构复杂等缺点，不利于电机的长距离运行。本发明V型槽次级结构，由于次级V型栅格化导条的影响，规范了次级感应涡流的流通路径，即减小了涡流的纵向分量，从而减小边端效应，进一步提高直线感应电机的推力性能及效率。

实施例二：

图3为本实施例中长次级的结构示意，本实施结构与实施例一基本相同，其主要不同点为：此时V型槽由导电板上的两个不连通的通孔组成，即导电板中间存在连通导条213。图4显示了次级感应电流回路，图中I为初级1与次级2的耦合区域，II为次级导电导条211横向伸出初级铁芯的部分，III为次级导电端条212，作为感应电流的端部通路，其横向宽度将影响次级的电阻及涡流流通路径，择优选取为2.5mm。

图5和图6分别画出了传统平板复合次级导电体内的感应电流分布以及本实施例中次级导电板21内的感应电流分布。对比可见，相较于传统直接感应电机，本发明基于V型槽次级结构的直线感应电机，由于V型导电导条211的作用，次级导电板21上的涡流路径更规范，感应电流横向分量增大使得电机推力增大，电流纵向分量减小使得电机损耗减小；且由于开槽的影响，电机边端效应减小，相当于次级板电阻率增大，因此电流密度增大。

虽然相较于实施例一的结构，本实施例结构在次级导电板中间仍存在涡流(纵向分量)，导致当导条数较少时，推力偏小，但同时其更小的法向力有利于电机的稳定运行。此外，由于增加了中间连通导条213，双边导条的并联结构，使电机的次级等效电阻减小；因此，当导条数较多时，本实施例电机推力更大。除了力性能更好的优点，本实施例次级结构加工方便、机械稳固性更强，在中低速磁浮列车等轨道交通系统的长距离运行上，有更广泛的应用前景。

本实施例电机用于中低速磁浮列车时，推力比传统复合次级的直线电机推力理论上要增大约14％，比采用梯形槽次级的直线电机增大约6％。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于V型槽次级结构的直线感应电机，包括短初级和长次级；其特征在于：所述长次级上开设有栅形排列的多组V型槽，其采用由导电板与导磁板所组成的复合次级，所述导电板沿长度方向并排开有多组纵截面为V型的栅形孔且导电板平铺于导磁板表面，从而形成了所述多组V型槽；

所述栅形孔由导电板中心线两侧开设的条形通孔组成，两侧条形通孔连通或不连通；

所述短初级由初级铁芯以及绕置于初级铁芯上的电枢绕组构成；

所述初级铁芯由硅钢片叠压而成，所述电枢绕组采用双层叠绕组；

所述V型槽在长次级上均匀分布；

所述V型槽的槽宽与槽距之比为0.375；

所述导电板的横向宽度大于初级铁芯的横向宽度；

所述长次级的导电板为U型或平板型；

所述长次级的导电板采用铜质或铝质材料。

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