CN110752677A - 用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机 - Google Patents

用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机，包括：n个超导线圈、x个集电线圈和悬浮线圈，n和x为正整数，n为8的整数倍，x为60n/8；n个超导线圈为两排N‑S循环排列；集电线圈为8字型线圈，每一排超导线圈对应的集电线圈的个数为x/2个，超导线圈的极距是集电线圈极距的15/2倍；悬浮线圈为两排8字型线圈，悬浮线圈的中心与集电线圈的中心在同一水平线上，超导线圈中心低于所述悬浮线圈，超导线圈的极距为悬浮线圈极距的3倍；超导线圈安装于车体上，集电线圈安装于所述超导线圈的杜瓦外壳外侧，悬浮线圈安装于轨道上。该发电机能够在磁悬浮列车行驶的各种工况下使用，提高能源利用率。

Description

用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机
技术领域
本发明涉及轨道交通供电技术领域，尤其涉及一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机。
背景技术
磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车，在运行时依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中，克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题,实现列车与地面轨道间的无机械500km/h以上的高速行进。
由于磁悬浮列车速度高达500km/h，传统的受电弓接触受流十分困难，高速摩擦易产生大量的热且弓网关系极其不稳定。同时，受电弓在列车高速运行时风阻很大，影响列车运行。高速磁悬浮列车速度高达500km/h以上，传统机械接触式供电方式已经不再适用，易出现寿命短、发热、稳定性差、风阻力大等问题。另一方面，燃料发电系统虽然可以实现车载，但存在安全隐患大、排气困难和环保性差等问题。
因此，高速悬浮列车车载无接触供电的车载直线发电机成为用于高速磁悬浮列车的必要技术。
发明内容
本发明提供了一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机，以实现无接触的车载辅助系统供电。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本实施例提供了一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机，包括：n个超导线圈、x个集电线圈和悬浮线圈，n和x为正整数，n为8的整数倍，x为60n/8，n为8的整数倍，且取值随列车车厢数改变而改变，x为60n/8；
所述的n个超导线圈为两排N-S循环排列；
所述集电线圈为8字型线圈，所述的每一排超导线圈对应的集电线圈的个数为x/2个，所述超导线圈的极距是所述集电线圈极距的15/2倍；
所述的悬浮线圈为两排8字型线圈，所述的悬浮线圈的中心与所述集电线圈的中心在同一水平线上，所述超导线圈中心低于所述悬浮线圈，超导线圈的极距为所述悬浮线圈极距的3倍；
所述超导线圈安装于车体上，与同侧悬浮线圈的水平距离为185mm，所述集电线圈安装于所述超导线圈的杜瓦外壳外侧，与同侧超导线圈的水平距离为70mm，所述悬浮线圈安装于轨道上，与同侧集电线圈的水平距离为115mm。
优选地，n为8，所述的x为60。
优选地，超导线圈为跑道型。
优选地，悬浮线圈和集电线圈的绕线方式为先在8字型线圈的上半部线圈顺时针从外向内绕线，完成后将绕组在8字型线圈下部分从内向外逆时针绕线，完成后再引出绕组。
由上述本发明的用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机提供的技术方案可以看出，本发明发电机的集电线圈采用上半圈和下半圈分别集中绕制，然后引出线再连接的形式采用8字型绕法，易于拾取，通过集电线圈充分利用气隙磁场高次谐波进行发电；悬浮8字线圈，具有轻量化和高效的特点；本发明的发电机能够在磁悬浮列车行驶的各种工况下使用，具有极强的适应性和绿色环保特性，可以在高速行驶的过程中为高速悬浮列车的蓄电池充电，提高能源利用率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机结构正视示意图；
和图2为本实施例提供的一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机结构侧视示意图；
图3为实施例的超导线圈结构示意图；
图4为的8字型线圈结构示意图；
图5为车载直线发电机中各个线圈的横向结构分布图；
图6为车载直线发电机中各个线圈的纵向结构分布图；
图7为采用实施例的装置进行仿真的结果示意图。
附图标记说明：
1悬浮线圈 2集电线圈 3超导线圈 4车体 5轨道
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
图1和图2分别为本实施例提供的一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机结构正视和侧视示意图，参照图1和图2，车载直线发电机包括：8个超导线圈3、60个集电线圈2和悬浮线圈1。因超导线圈与集电线圈的极距关系，故每2个超导线圈对应15个集电线圈，并且由于每节车厢因的长度限制，最多只能装8个超导线圈和60个集电线圈。
8个超导线圈3为两排N-S排列的安装于磁悬浮列车上，与同侧悬浮线圈的水平距离为185mm。
图3为本实施例的超导线圈结构示意图，参照图3，超导线圈为跑道型。
图4为的8字型线圈结构示意图，其中，集电线圈为8字型线圈，集电线圈安装于超导线圈的杜瓦外壳外侧，当列车在运行时，列车上的超导线圈产生强磁场,列车快速驶过时,车两边的超导线圈磁场便会切割地面悬浮线圈，在悬浮线圈上感应出电流，使列车悬浮。车上的集电线圈同样会切割悬浮线圈产生的高次谐波感应磁场(主要为5次谐波)，从而产生感应电流进行发电，供车上用电系统使用。
每一排超导线圈对应的集电线圈的个数为30个，集电线圈安装于杜瓦外壳外侧，与同侧超导线圈的水平距离为70mm，超导线圈的极距是集电线圈极距的15/2倍，可以使相邻集电线圈的感应电流相差120°，为三相交流电。每个集电线圈中感应电流相差120°，故将集电线圈每隔两个串联起来组成一相，即可组成发电机输出的三相交流电，每相由10个集电线圈构成。
悬浮线圈为两排8字型线圈，铺设于沿所述磁悬浮列车前进方向的地面轨道上，与同侧集电线圈的水平距离为115mm，当列车上超导磁体经过导轨两侧的8字形线圈时，由于电磁感应作用，8字形线圈变为磁体，车载发电机利用该磁体在空间形成高次谐波磁场进行感应发电。
图5和图6分别为车载直线发电机中各个线圈的横向结构分布图和纵向结构分布图，参照图5和图6，悬浮线圈的中心与集电线圈的中心在同一水平线上，用于使所述悬浮线圈与所述集电线圈之间有最大的耦合区域，进而可以产生最大的感应电流。超导线圈中心低于悬浮线圈，用于保证悬浮线圈能够从超导线圈磁场中感应出足够大的感应电流，从而悬浮线圈有足够的悬浮力使列车悬浮。
超导线圈的极距为悬浮线圈极距的3倍，可以使得相邻的悬浮线圈上的感应电流相位相差60°，当感应电流表达式如下式(1)所示：
Figure BDA0002262615280000051
Figure BDA0002262615280000061
iA…iF为集电线圈的感应电流，Im为感应电流的峰值，ω为电流的频率。
当t＝0时可以得出悬浮线圈感应电流磁动势的傅里叶分解表达式如下式(2)所示：
通过傅里叶分析得出悬浮线圈中感应电流产生的磁场分量主要为基波与5次谐波。
Fm为线圈的磁动势，ω为电流的频率，τ为超导线圈的级距，n为自然数。
悬浮线圈和集电线圈的绕线方式为先在8字型线圈的上半部线圈顺时针从外向内绕线，完成后将绕组在8字型线圈下部分从内向外逆时针绕线，完成后再引出绕组。
采用本实施例的装置进行工作时，工作状态如下：
(1)列车启动阶段(速度小于等于300km/h)
磁悬浮列车处于低速行驶工况下，超导线圈磁场切割悬浮线圈的速度不够，使得悬浮线圈感应电流所产生的磁场磁感应强度低，从而使得集电线圈所产生的电力不足以完全供给车上的用电设备消耗，此时采用车上的蓄电池与集电线圈共同来提供电能。
(2)列车正常运行阶段
磁悬浮列车在正常运行阶段(速度大于等于500km/h)时，其集电线圈产生电能开路电压有效值可达150V，所提供的电能不仅可以满足列车用电系统的需求，同时也能够为车上的蓄电池充电，满足续航要求。
图7为采用本实施例的装置进行仿真的结果示意图，参照图7，采用Maxwell在500km/h的速度下进行三维瞬态场仿真，通过图7可以看出，当列车速度达到500km/h的时候，A相集电线圈的开路电压有效值约为150V，周期约为3ms，可达到对列车进行供电的要求。
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
图1仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于高速磁悬浮列车的车载直线发电机，其特征在于，包括：n个超导线圈、x个集电线圈和悬浮线圈，n和x为正整数，n为8的整数倍，x为60n/8，n为8的整数倍，且取值随列车车厢数改变而改变，x为60n/8；
所述的n个超导线圈为两排N-S循环排列；
所述集电线圈为8字型线圈，所述的每一排超导线圈对应的集电线圈的个数为x/2个，所述超导线圈的极距是所述集电线圈极距的15/2倍；
所述的悬浮线圈为两排8字型线圈，所述的悬浮线圈的中心与所述集电线圈的中心在同一水平线上，所述超导线圈中心低于所述悬浮线圈，超导线圈的极距为所述悬浮线圈极距的3倍；
所述超导线圈安装于车体上，与同侧悬浮线圈的水平距离为185mm，所述集电线圈安装于所述超导线圈的杜瓦外壳外侧，与同侧超导线圈的水平距离为70mm，所述悬浮线圈安装于轨道上，与同侧集电线圈的水平距离为115mm。
2.根据权利要求1所述的车载直线发电机，其特征在于，所述的n为8，所述的x为60。
3.根据权利要求1所述的车载直线发电机，其特征在于，所述的超导线圈为跑道型。
4.根据权利要求1所述的车载直线发电机，其特征在于，所述的悬浮线圈和集电线圈的绕线方式为先在8字型线圈的上半部线圈顺时针从外向内绕线，完成后将绕组在8字型线圈下部分从内向外逆时针绕线，完成后再引出绕组。
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