CN110014846A

CN110014846A - 一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统

Info

Publication number: CN110014846A
Application number: CN201910070636.6A
Authority: CN
Inventors: 曹瑞武; 陆鸣航; 苏恩超
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: CN110014846B; WO2020151174A1

Abstract

本发明公开了一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统。基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统由若干子系统构成。基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统包括车厢、轨道和直流供电系统。车厢包括车厢主体、转向架、i*2^p个永磁磁通切换直线电机的初级、逆变器及电机控制器。轨道包括列车导轨以及永磁磁通切换直线电机的次级。j*2^q个基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统组成一个完整的牵引系统。本发明具有次级结构简单、系统效率高、系统功率因数高的特点，并且提出了牵引系统中永磁磁通切换直线电机初级空间距离的设定规则，可以有效降低系统牵引力的波动，进而降低列车运行时的噪声，提高稳定性。

Description

一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统

技术领域

本发明涉及的是一种基于永磁磁通切换直线电机驱动的列车系统，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术

在城市化进程中，轨道交通扮演着不可或缺的角色。由传统旋转电机驱动的列车需要依靠机械传动装置，将旋转力矩转换为黏着式牵引力，导致效率较低，并且输出牵引力受到轨道状况、摩擦系数等因素影响，因此爬坡能力与拐弯能力较差，路线规划不便，成本较高，其应用受到了一定的限制。与旋转电机相比，直线电机驱动系统直接产生电磁力，电磁力为非黏着牵引力，摆脱了轨道状况的影响，同时直线电机无需机械传动装置，因此体积小、功率密度高的优点，因此在轨道交通领域应用前景光明。

目前，直线感应电机在国内外轨道交通领域应用广泛。直线感应电机的次级仅由感应板与导磁板构成，初级由电枢绕组与铁心构成，具有结构简单，体积小，成本低的优点，但是直线感应电机涡流损耗较高，因此效率与功率因数较低，同时直线感应电机的控制较为复杂，因此其长期运营成本与系统成本较高。

传统永磁直线同步电机的效率、功率因数、功率密度均较高；然而该类电机的永磁体置于次级，沿轨道铺设，次级成本高昂，且定位力较大，同时，传统永磁电机的弱磁性能较差，难以实现高速下的恒功率控制，调速范围有限，这些缺点极大地限制了其在长行程领域的应用。

近年来，永磁磁通切换直线电机引起了国内外学者的广泛关注，该类电机次级结构简单，仅由导磁材料构成，成本较低、便于维护，同时具有功率密度高、功率因数高、效率高的显著优点。研究结果表明，其长期运营成本低于感应电机，并且对系统容量要求更低。但是，该类电机运用于轨道交通领域时牵引力波动较大，会造成明显的噪声，并且降低电机运行的可靠性，这限制了该类电机在轨道交通领域的应用。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统，该牵引系统通过合理设计驱动电机的空间排列方式，可以有效降低列车驱动电机的牵引力输出谐波，在不降低牵引力输出平均值的情况下，达到明显降低牵引力波动的效果，进而减小运行时的噪声，并提高系统的稳定性。

本发明提出的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统，包括车厢10、轨道11和直流供电系统12；

所述车厢10包含车厢主体100、转向架101、i*2^p个永磁磁通切换直线电机的初级102、以及逆变器与电机控制器103；

所述轨道11包含列车导轨110以及永磁磁通切换直线电机的次级111，所述永磁磁通切换直线电机的次级111包含次级齿1110与次级轭部1111。

进一步地，对属于同一子系统的所述永磁磁通切换直线电机的初级102依次编号，记作电机M1至电机电机M_a与电机M_b的中心线间距离记为λ_(a，b)；相邻次级齿1110中心线间距离为τ_s；对任一所述永磁磁通切换直线电机运行时的牵引力进行傅利叶分解，得到各次牵引力的幅值，根据牵引力前p+q项谐波的幅值大小，对谐波次数进行排列编号，记作h₁至hp+q；

属于同一子系统的所述永磁磁通切换直线电机的初级(102)间距离，满足如下条件：

其中，x为正整数，mod(a，b)表示a除以b的余数，t、k为满足如下条件的数组：

t·2^k+2^k-1+1≤2^p (3)

其中t为非负整数，k为正整数；

当不存在使(1)具有实际意义的x时，(1)视为恒成立；当不存在满足(3)的t、k数组时，(2)式视为恒成立；

作为一种优选，对同一子系统的所述永磁磁通切换直线电机的初级102移动τ_s的整倍数距离，以实现不同电机间的顺序调换，形成新的排列方式；

进一步地，j*2^q个基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统组成一个完整的牵引系统；

对子系统依次编号，记作子系统S₁至子系统子系统S_a与子系统S_b的中心线间距离记为Λ_(a，b)；子系统间的Λ_(a，b)满足如下条件：

其中，x为正整数，t、k为满足如下条件的数组：

t·2^k+2^k-1+1≤2^q (6)

其中t为非负整数，k为正整数；

当不存在使(4)具有实际意义的x时，(4)视为恒成立；当不存在满足(6)的t、k数组时，(5)式视为恒成立；

作为一种优选，对不同子系统移动τ_s的整倍数距离，以实现不同子系统间的顺序调换，形成新的排列方式；

作为一种优选，根据优先需要消除的谐波次数，对h₁至h_p+q的值进行调整，形成基于新的h₁至h_p+q构成的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统及其构成的牵引系统。

本发明电机主要存在如下优点：

本发明提出的一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统，课题通过合理设计驱动电机的空间排列方式，针对性的消除指定次数的谐波，进而有效降低列车驱动电机的整体牵引力输出谐波，在不降低平均牵引力输出的前提下，达到明显降低牵引力波动的效果，进而减小运行时的噪声，并提高系统的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是实施例1中一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统的结构示意图；

图2是实施例1中一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统的轨道正视图；

图3是实施例1中一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统的驱动电机结构示意图；

图4是实施例1中一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统的牵引力波形图；

图5是实施例2中一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统的结构示意图；

其中，10-车厢，11-轨道，12-直流供电系统，100-车厢主体，101-转向架，102-永磁磁通切换直线电机的初级，103-逆变器与电机控制器，110-列车导轨，111-永磁磁通切换直线电机的次级，1110-次级齿，1111-次级轭部。

具体实施方式

本发明提供一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

进一步地，对属于同一子系统的所述永磁磁通切换直线电机的初级102依次编号，记作电机M₁至电机电机M_a与电机M_b的中心线间距离记为λ_(a，b)；相邻次级齿1110中心线间距离为τ_s；对任一所述永磁磁通切换直线电机运行时的牵引力进行傅利叶分解，得到各次牵引力的幅值，根据牵引力前p+q项谐波的幅值大小，对谐波次数进行排列编号，记作h₁至h_p+q；

t·2^k+2^k-1+1≤2^p (3)

其中，t为非负整数，k为正整数；

其中，x为正整数，t、k为满足如下条件的数组：

t·2^k+2^k-1+1≤2^q (6)

其中t为非负整数，k为正整数；

实施例1

参见图1，图1为本发明的一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统，本实施例中共4个基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统，由于各子系统中电机空间分布方式相同，且列车各子系统在空间中等距分布，故图1中仅展示了其中前两个。为了更清晰的展示本实施例中各部分，图1放大了车厢10增加了轨道11之间的距离，实际情况中，两者通过轮轨紧密接触，如图2所示。

本实施例中，i＝1，p＝1，j＝4，q＝0。本实施例中，基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统，包括车厢10、轨道11和直流供电系统12；车厢10包含车厢主体100、转向架101、i*2^p＝2个永磁磁通切换直线电机的初级102、以及逆变器与电机控制器103。轨道11包含列车导轨110以及永磁磁通切换直线电机的次级111，所述永磁磁通切换直线电机的次级111包含次级齿1110与次级轭部1111。j*2^q＝4个基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统组成一个完整的牵引系统。为子系统编号，自左向右分别记作S1，S2，S3，S4；为S1中的电机编号，自左向右分别记作M1，M2。

对于同一子系统内的永磁磁通切换直线电机初级，中心线距离满足如下条件：

t·2^k+2^k-1+1≤2^p (3)

其中t为非负整数，k为正整数；

代入i＝1，p＝1，j＝4，q＝0。(1)式表明λ_(x，x+2)为τ_s的整倍数，由于每节车厢仅有2台电机，因此(1)式视为恒成立；满足(3)式的k、t有：k＝1，t＝0；因此(2)式表明M1与M2的中心线距离λ_(1，2)为τ_s的整数加1/2h₁倍。

本实施例选取的永磁磁通切换直线电机参见图3，其永磁体充磁方向如图中箭头方向所示。有限元仿真表明，该电机额定情况下，牵引力含有大量二次谐波，因此选取h₁＝2；结合(2)式结论，即M1与M2与次级齿的相对位置错开1/4个齿距。

子系统的Λ_(a，b)满足如下条件：

其中，x为正整数，t、k为满足如下条件的数组：

t·2^k+2^k-1+1≤2^q (6)

其中t为非负整数，k为正整数；

代入i＝1，p＝1，j＝4，q＝0。(4)式表明Λ_(x，x+1)为τ_s的整倍数，即S1、S2、S3与S4四个子系统的中心线距离均为τ_s的整倍数；满足(6)式的k、t不同时存在，因此(5)式不具有实际意义，视为恒成立，不进一步限制子系统在空间的分布。

参见图4，经过有限元仿真后，将本实施例中的每台电机单独运行的牵引力波形，以及采用本实施例中牵引系统输出牵引力除以16(平均至每台电机)后波形进行对比。由图可知，每台电机单独运行时的牵引力波动为1.27kN，采用本实施例中牵引系统结构之后，平均到每台电机的牵引力波动仅为0.29kN，明显小于前者，因此达到了削减谐波，改善牵引力波动，减小噪声，提高系统稳定性的作用。

值得注意的是，本发明提出的利用空间排布以抵消直线电机牵引力谐波的方法不仅仅适用于永磁磁通切换直线电机，该方法同样适用于其他类型的直线电机。对于某一给定的直线牵引电机，只需求得该电机的推力波动谐波分布情况，即可通过本发明提出的方法减小其推力波动，此时τ_s为该电机定子或次级的一个基本结构周期长度。

实施例2

参见图5，图5为本发明的一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统。本实施例与实施例1的区别在于，本实施例增加了电机数量，以达到削减更多次数牵引力谐波的目的。由于各子系统中电机空间分布方式相同，且各子系统在空间中等距分布，故图5中仅展示了其中前两个子系统。

本实施例中，i＝1，p＝2，j＝2，q＝1。即每个车厢10包含车厢主体100、转向架101、i*2^p＝4个永磁磁通切换直线电机的初级102。j*2^q＝4个基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统组成一个完整的牵引系统。为子系统编号，自左向右分别记作S1，S2，S3，S4；为S1中的电机编号，自左向右分别记作M1，M2，M3，M4。

t·2^k+2^k-1+1≤2^p(3)

其中t为非负整数，k为正整数；

代入i＝1，p＝2，j＝2，q＝1。(1)式表明λ_(x，x+2)为τ_s的整倍数，即M1与M3，M2与M4的中心线距离为τ_s的整倍数；满足(3)式的k、t组合有：(k＝1，t＝0)、(k＝1，t＝1)以及(k＝2，t＝0)；(2)式表明λ_(1，2)与λ_(3，4)为τ_s的整数加1/2h₁倍，λ_(1，3)为τ_s的整数加1/2h₂倍。其中，h₁与h₂为根据实际需要，决定消除的牵引力谐波次数。即M1与M2和次级齿的相对位置错开1/2h₁个齿距，M3与M4和次级齿的相对位置错开1/2h₁个齿距，即M1与M3和次级齿的相对位置错开1/2h₂个齿距。

子系统的Λ_(a，b)满足如下条件：

其中，x为正整数，t、k为满足如下条件的数组：

t·2^k+2^k-1+1≤2^q (6)

其中t为非负整数，k为正整数；

代入i＝1，p＝2，j＝2，q＝1。(1)式表明Λ_(x，x+2)为τ_s的整倍数，即S1与S3，S2与S4的中心线距离均为τ_s的整倍数；式的k、t组合有：k＝1，t＝0；(6)式表明Λ_(1，2)为τ_s的整数加1/2h₃倍。其中，h₃为根据实际需要，决定消除的牵引力谐波次数。

本实施例的特点在于，与实施例相比，进一步削减了牵引力谐波，在对驱动电机数量需求更大的轨道交通场合具有良好应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统，包括车厢(10)、轨道(11)和直流供电系统(12)，其特征在于，

所述车厢(10)包含车厢主体(100)、转向架(101)、i*2^p个永磁磁通切换直线电机的初级(102)、以及逆变器与电机控制器(103)；

所述轨道(11)包含列车导轨(110)以及永磁磁通切换直线电机的次级(111)，所述永磁磁通切换直线电机的次级(111)包含次级齿(1110)与次级轭部(1111)。

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统，其特征在于，

对属于同一子系统的所述永磁磁通切换直线电机的初级(102)依次编号，记作电机M₁至电机M_i*2 ^p，电机M_a与电机M_b的中心线间距离记为λ_(a，b)；相邻次级齿(1110)中心线间距离为τ_s；对任一所述永磁磁通切换直线电机运行时的牵引力进行傅利叶分解，得到各次牵引力的幅值，根据牵引力前p+q项谐波的幅值大小，对谐波次数进行排列编号，记作h₁至h_p+q；

t·2^k+2^k-1+1≤2^p (3)

其中t为非负整数，k为正整数；

当不存在使(1)具有实际意义的x时，(1)视为恒成立；当不存在满足(3)的t、k数组时，(2)式视为恒成立。

3.根据权利要求2所述的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统，其特征在于，对同一子系统的所述永磁磁通切换直线电机的初级(102)移动τ_s的整倍数距离，以实现不同电机间的顺序调换，形成新的排列方式。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统构成的完整牵引系统，其特征在于，

j*2^q个基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统组成一个完整的牵引系统；

对子系统依次编号，记作子系统S₁至子系统S_j*2 ^q，子系统S_a与子系统S_b的中心线间距离记为Λ_(a，b)；子系统间的Λ_(a，b)满足如下条件：

其中，x为正整数，t、k为满足如下条件的数组：

t·2^k+2^k-1+1≤2^q (6)

其中t为非负整数，k为正整数；

当不存在使(4)具有实际意义的x时，(4)视为恒成立；当不存在满足(6)的t、k数组时，(5)式视为恒成立。

5.根据权利要求4所述的一种基于永磁磁通切换直线电机的轨道交通牵引系统，其特征在于，对不同子系统移动τ_s的整倍数距离，以实现不同子系统间的顺序调换，形成新的排列方式。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统及其构成的牵引系统，其特征在于，根据优先需要消除的谐波次数，对h₁至h_p+q的值进行调整，形成基于新的h₁至h_p+q构成的一种基于永磁磁通切换直线电机的城市轨道交通牵引系统的子系统及其构成的牵引系统。