CN110545023A - 一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机 - Google Patents

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马志勋
母思远
孙彦
林国斌
康劲松
任林杰
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type

Abstract

本发明涉及一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，包括铺设在轨道上的定子绕组和安装在轨道列车上的动子，所述的定子绕组为分段无铁芯长定子绕组(3)，所述的动子包括车载永磁结构和固定于车载永磁结构外侧的铁轭(1)，所述的车载永磁结构为双侧双层凸极Halbach永磁结构。与现有技术相比，本发明采用双侧双层凸极Halbach永磁结构，可减小磁场谐波，降低电磁噪音，并使推力更平滑，车子运动更平稳，同时分段无铁芯长定子绕组分布简单，端部接线容易，可较好利用邻近永磁体材料的较强磁场。

Description

一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机
技术领域
本发明涉及一种直线同步电机，尤其是涉及一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机。
背景技术
直线电机驱动技术和磁浮技术在交通领域的应用是交通工具的一场重大技术创新。磁浮列车无机械接触的特性及环境方面的优势，使其在交通运输领域逐步受到关注。传统轮轨与直线电机驱动技术结合的轮轨直线电机驱动列车具有线路设计灵活，速度快，能耗低，低噪环保等优点，为城市轨道交通、大宗货物运输和港口物流提供了一种新的方式。
根据直线电机初级的长短和安装位置不同，可将目前常用的列车直线电机分为长定子直线同步电机和短定子直线感应电机。长定子直线同步电机的牵引变流设备设在轨道侧，列车的牵引控制由地面的牵引控制设备实现，不需要将牵引电能传递到车上，车辆重量轻，推重比较大。短定子直线感应电机的变流器设备安装在车上，需要在轨道侧设置供电导轨供电，电机效率相对较低且车辆较重。长定子直线同步电机在电机效率和推力输出方面有优势。德国和日本的高速磁浮列车驱动方式均为长定子直线同步电机。尽管两种磁浮交通系统车上磁极的励磁方式不同，地面长定子绕组分别为有铁芯和无铁芯的方式，但是驱动原理均可表述为地面长定子绕组产生的行波磁场与车载励磁磁极产生的励磁磁场相互作用，产生列车运行需要的驱动力。德国的长定子绕组采用了单层分布式波形线圈，三相绕组的线圈在铁心两侧端部有交叉，现场布线工艺较复杂，需要专门的绕线和布线设备。日本的长定子绕组采用了集中式双层线圈的方式，这种方式使得距励磁磁极较远的线圈处于相对较弱的磁场中。此外，长定子线圈的绕线方式对驱动电机制造和安装成本有较大影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，包括铺设在轨道上的定子绕组和安装在轨道列车上的动子，所述的定子绕组为分段无铁芯长定子绕组，所述的动子包括车载永磁结构和固定于车载永磁结构外侧的铁轭，所述的车载永磁结构为双侧双层凸极Halbach永磁结构。
所述的铁轭为下端开口的矩形管状结构。
所述的双侧双层凸极Halbach永磁结构包括对称固定在铁轭两侧内侧壁的双层凸极Halbach永磁体，进而构成电机时，所述的定子绕组位于两个双层凸极Halbach永磁体之间并留有间隙。
所述的双层凸极Halbach永磁体包括交错设置的轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体。
所述的轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体宽度不等，且轴向充磁永磁体的宽度大于切向充磁永磁体的宽度。
所述的分段无铁芯长定子绕组包括按顺序重复排布的A相线圈绕组、B相线圈绕组和C相线圈绕组。
所述的A相线圈绕组、B相线圈绕组和C相线圈绕组设置相同的线圈绕组安装槽，各线圈绕组安装槽中分别设置线圈绕组。
所述的线圈绕组为采用同心式绕法的绕组。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明铺设在轨道上的定子绕组和安装在轨道列车上的动子能实现模块化设计和制造，有利于制造周期和成本的降低；
(2)本发明车载永磁结构采用双侧双层凸极Halbach永磁结构，可减小磁场谐波，降低电磁噪音，并使推力更平滑，车子运动更平稳；
(3)本发明设置铁轭一方面能固定双侧双层凸极Halbach永磁结构，另一方面可以进一步限制磁场的路径，减少漏磁通的分布；
(4)本发明分段无铁芯长定子绕组分布简单，端部接线容易，可较好利用邻近永磁体材料的较强磁场；
(5)本发明永磁直线同步电机安装调节容易，能够降低工厂制造和现场安装成本。
附图说明
图1为本发明永磁直线同步电机的整体结构示意图；
图2为本发明永磁直线同步电机的侧视结构示意图；
图3为本发明双侧双层凸极Halbach永磁结构俯视结构示意图；
图4为本发明永磁直线同步电机的俯视结构示意图。
图中，1为铁轭，2为双层凸极Halbach永磁体，3为分段无铁芯长定子绕组，4为轴向充磁永磁体，5为切向充磁永磁体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1、图2所示，一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，包括铺设在轨道上的定子绕组和安装在轨道列车上的动子，定子绕组为分段无铁芯长定子绕组3，动子包括车载永磁结构和固定于车载永磁结构外侧的铁轭1，车载永磁结构为双侧双层凸极Halbach永磁结构。
分段无铁芯长定子绕组3包括按顺序重复排布的A相线圈绕组、B相线圈绕组和C相线圈绕组。A相线圈绕组、B相线圈绕组和C相线圈绕组设置相同的线圈绕组安装槽，各线圈绕组安装槽中分别设置线圈绕组。线圈绕组为采用同心式绕法的绕组。具体地，A、B、C三相顺序排开，每个线圈为一相，三相集中绕组沿轨道铺设方向重复延伸。三相集中绕组端部不交叉重叠，端部接线容易，各相绕组相邻槽之间的连线可以在工艺上解决。在实际应用中，无铁芯绕组分段长度均为模块化设计，根据电机设计的不同可调。
铁轭1为下端开口的矩形管状结构，双侧双层凸极Halbach永磁结构包括对称固定在铁轭1两侧内侧壁的双层凸极Halbach永磁体2，进而构成电机时，定子绕组位于两个双层凸极Halbach永磁体2之间并留有间隙。双侧双层凸极Halbach永磁结构的极距，模块规格，极对数可根据电机设计调节，为直线电机提供励磁磁场。
如图3所示，双层凸极Halbach永磁体2包括交错设置的轴向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5。轴向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5宽度不等，且轴向充磁永磁体4的宽度大于切向充磁永磁体5的宽度。图3中箭头方向为导磁方向，按照图中箭头方向依次按顺序重复排列，空间三维尺寸根据电机设计要求确定，在气隙中产生近似正弦的行波磁场。铁轭1可以进一步限制磁场的路径，减少漏磁通的分布。
图4为永磁直线同步电机的俯视结构示意图，可见，分段无铁芯长定子绕组3位于两侧的双层凸极Halbach永磁体2之间。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (8)

1.一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，包括铺设在轨道上的定子绕组和安装在轨道列车上的动子，其特征在于，所述的定子绕组为分段无铁芯长定子绕组(3)，所述的动子包括车载永磁结构和固定于车载永磁结构外侧的铁轭(1)，所述的车载永磁结构为双侧双层凸极Halbach永磁结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的铁轭(1)为下端开口的矩形管状结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的双侧双层凸极Halbach永磁结构包括对称固定在铁轭(1)两侧内侧壁的双层凸极Halbach永磁体(2)，进而构成电机时，所述的定子绕组位于两个双层凸极Halbach永磁体(2)之间并留有间隙。
4.根据权利要求3所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的双层凸极Halbach永磁体(2)包括交错设置的轴向充磁永磁体(4)和切向充磁永磁体(5)。
5.根据权利要求4所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的轴向充磁永磁体(4)和切向充磁永磁体(5)宽度不等，且轴向充磁永磁体(4)的宽度大于切向充磁永磁体(5)的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的分段无铁芯长定子绕组(3)包括按顺序重复排布的A相线圈绕组、B相线圈绕组和C相线圈绕组。
7.根据权利要求6所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的A相线圈绕组、B相线圈绕组和C相线圈绕组设置相同的线圈绕组安装槽，各线圈绕组安装槽中分别设置线圈绕组。
8.根据权利要求7所述的一种用于轨道交通的分段无铁芯长定子永磁直线同步电机，其特征在于，所述的线圈绕组为采用同心式绕法的绕组。
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