CN111016677A - 一种永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造 - Google Patents

一种永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造，包括磁浮列车车体1，空气弹簧2，列车悬浮架3，轨道支撑梁4以及悬浮导向机构与直线驱动机构构成，车体1通过空气弹簧2安在列车悬浮架3上。所述悬浮导向机构与直线驱动机构由永磁混合型横向磁通直线同步电机5一体完成；同步电机5整体结构包括初级长定子轨道和次级短动子部分，初级长定子轨道沿列车运行方向的左右两侧安装在轨道支撑梁4两侧构成悬浮轨道；次级短动子安装在列车悬浮架3两侧构成短动子电磁铁。本发明利用了单边磁拉力来作为磁浮系统中的悬浮力，同时通过合理的配置初、次级极距的大小，优化极槽配合关系，进一步达到了减小定位波动的目的。

Description

一种永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车 构造
技术领域
本发明涉及常导电磁吸力型磁浮交通领域，具体涉及一种集悬浮，导向与驱动三种功能与一体的，永磁混合型横向磁通直线同步电动机。
背景技术
随着高速铁路和城市轨道交通的快速发展，轨道交通的多样性开始受到越来越多的关注，其中磁浮轨道交通技术在运行速度、爬坡能力、转弯半径、静噪等方面存在的诸多优势使其在众多新型轨道交通方式中脱颖而出。我国目前已经建成多条中低速磁浮列车商业运营线，运营状况良好稳定。同时广东清远市的磁浮列车旅游线也正在稳步推进，预计明年可以正式上线，这些现象证明了磁浮列车在轨道交通领域中的潜力。
横向磁通式电机具有磁路平面垂直于动子运动方向的特点，也正是由于磁回路垂直使得电机的等效励磁极面积相比于传统电机更大，同时使得电机容易获得更大的推力密度；此外，横向磁通电机因为其等效磁路短的特点，减小了电机内磁阻，进而减小铁耗使其可以获得更高的效率。因为这些优点，近些年来直线型的横向磁通电机渐渐推广应用于电磁发射，精密加工以及轨道交通等领域，尤其是在磁浮交通领域有着天然的优势和巨大的潜力。
本发明利用横向磁通电机的结构特点，提出了永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造。将电机的定子固定在轨道支撑梁上作为悬浮轨道，将带有永磁体和可控线圈的动子安装在列车的悬浮架上，定子和动子之间存在机械气隙。列车依靠动子上安装的永磁体提供悬浮的主磁通，同时通过控制动子上的可控线圈内的电流动态调整列车的悬浮稳定性，使得气隙保持固定的大小。动子除了具有悬浮功能之外，还作为同步电机的励磁端，向轨道定子的线圈内通入三相交流电就可以使列车产生前进的推力。另外，由于横向磁通电机的初、次级铁芯均使用了U型结构，利用铁芯的端部效应可以使列车在出现横向偏移的时候具有自回复能力，也就是使得列车具备了导向功能。这种同时具有悬浮、驱动和导向三种功能合一的直线驱动系统集合了U型电磁铁和直线同步电机的功能，同时由于横向磁通结构，电机的三维力之间本身就存在解耦关系，这样的特性对于简化控制系统的设计具有天然的优势。横向磁通类型的电机通常存在单边磁拉力以及定位力大的缺点，本发明中正是利用了单边磁拉力来作为磁浮系统中的悬浮力，同时通过合理的配置初、次级极距的大小，优化极槽配合关系，进一步达到了减小定位波动的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁混合型横向磁通悬浮导向与同步驱动一体化磁浮列车方案，旨在简化和整合中低速磁浮列车中实现悬浮、导向和驱动关键功能的装置，发明中提及的电机采用横向磁通结构，具有结构简单，推力密度大，定位力波动小以及电磁负荷解耦等优点。
为了达到上述优点以及实现车载驱动电机三合一功能，本发明采用如下技术方案：
一种永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造，包括磁浮列车车体1，空气弹簧2，列车悬浮架3，轨道支撑梁4以及悬浮导向机构与直线驱动机构构成，车体1通过空气弹簧2安在列车悬浮架3上。所述悬浮导向机构与直线驱动机构由永磁混合型横向磁通直线同步电机5一体完成；同步电机5整体结构包括初级长定子轨道和次级短动子部分，初级长定子轨道沿列车运行方向的左右两侧安装在轨道支撑梁4两侧构成悬浮轨道；次级短动子安装在列车悬浮架3两侧构成短动子电磁铁：每侧长定子轨道下方对应位置为次级悬浮电磁铁；初级和次级之间存在固定的悬浮气隙并保证二者之间无接触；其中：
初级长定子由若干个结构相同的定子单元6构成，定子单元沿列车运行方向以相同的间距排布；短动子同样由若干个结构相同的动子单元7构成，沿列车运行方向每两个动子单元与三个定子单元长度，对应安装在列车上；
所述定子单元6由一个U型铁芯以及两个可控定子激励线圈组成，可控定子激励线圈线圈绕组截面填满U型电磁铁的窗口，U型铁芯采用硅钢片叠压而成；两块永磁体分别安装在U型铁芯的两端，且安装后的永磁体充磁方向相反；
所述动子单元7由一个U型铁芯，两块永磁体以及两个可控动子激励线圈组成，可控动子激励线圈绕组截面填满U型电磁铁的窗口，U型铁芯采用硅钢片叠压而成；动子单元沿列车前进方向安装，且动子一侧的永磁体永磁方向交错排布。
这样，长定子轨道由结构相同的定子单元沿列车运行方向铺设，为纯电激励结构，有源可控线圈安装在U型铁芯的两端，所有定子单元安装的间距相等。
动子单元为混合励磁结构，每个动子单元的U型铁芯两侧安装两块冲刺方向相反的永磁体，然后再在带有永磁体的U型铁芯上安装悬浮绕组。动子单元两个一组构成一个动子大单元，动子大单元间再以一个较大的极距沿列车运行方向安装在列车的悬浮架上。
优选的，长定子与短动子所使用的铁芯均采用硅钢片冲叠而成，这样的目的在于减小列车以较高速度运行是产生的铁芯损耗。
本发明的工作原理为：由动子单元上安装的永磁体产生的主磁路，使列车可以基本依靠永磁体产生的悬浮力达到悬浮状态，但是根据恩绍定理，仅仅依靠永磁体无法使列车实现稳定悬浮的，因此还需要动子上的可控有源线圈对主磁路进行动态调整使列车保持稳定的悬浮气隙；当动子相对于定子产生左右偏移时，由于U型铁芯的存在横向端部效应，可以产生导向力使列车回复到轨道正中；进一步，向定子线圈内通入三相交流电，由于驱动线圈产生的磁场与动子产生的励磁磁场相互作用，就会在动子上产生持续的推力驱动列车前进。
本发明的有益效果为：相比于普通的直线同步电动机，横向磁通式直线电机的有效励磁面积更大，可以产生足够的悬浮力以及拥有更大的推力密度；此外电机的结构简单，定动子均采用模块化设计，更利于电机的安装与散热；永磁混合型动子的使用可以使电磁铁达到理论上的零功率悬浮，使系统更为低碳节能；相比于传统的直线同步电动机只具有驱动功能，本发明中提出的电机系统将磁浮列车必须的悬浮以及导向系统也集合进去，形成了三合一功能的驱动系统，简化了磁浮列车中关键环节的设计，对列车的轻量化以及系统效率的提高都有所裨益。
附图说明
图1为本发明永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造的安装位置示意图；
图2为图1的局部放大图。
图3为本发明定子单元和动子单元的一个动子大单元的结构爆炸图；
图4为本发明定子单元和动子单元整体机构示意图；
图5为本发明实施例中一对动子单元去掉有源可控线圈的结构示意图；
图6为本发明实施例长定子三相线圈安装示意图；
图7为本发明实施例一对动子大单元永磁体极性安装示意图；
图8为本发明实施例工作在悬浮状态下时的磁力线分布图；
图9为本发明实施例工作在悬浮和导向状态下时的磁力线分布图；
图10为本发明实施例工作在驱动模式下定子轨道与动子电磁铁磁极极性分布示意图；
下面结合附图对本发明的具体操作方法进一步详细说明。
参照附图1，本发明中提出的一种永磁混合型横向磁通悬浮导向与同步驱动一体化磁浮列车方案应用中磁浮列车上时，包括磁浮列车车体1，空气弹簧2，列车悬浮架3，轨道支撑梁4，以及兼具悬浮导向与同步驱动功能的直线电动机。其中车体1通过空气弹簧2安在列车悬浮架3上，直线电动机的次级动子部分也同样安装在列车悬浮架3两侧，长定子部分安装在轨道支撑梁4两侧。
参照附图2，本发明一体化磁浮列车中的直线驱动部分，包括铺设在轨道支撑梁4上的长定子6和安装在列车悬浮架两侧的短动子7，当列车处于静止悬浮状态时，长定子6与短动子7的中心平面应重合。其中长定子6由若干个结构相同的定子单元60沿列车运行方向安装在轨道上，定子单元之间以相同的间距铺设；短动子7由结构相同M个的动子单元70构成，两个动子单元为一组组成共
Figure BDA0002352927100000041
个动子大单元以相同的间距安装在列车悬浮架上。
参照附图3，三个定子单元和一对动子单元的结构爆炸图，定子单元为电励磁结构，每个单元由一个定子单元铁芯8和两个可控定子激励线圈9组成，定子线圈9绕在定子单元铁芯的两端且优选的，定子线圈9总截面积占满定子单元铁芯8的窗口面积；一个动子大单元包含一对动子单元，每个动子单元有一个动子单元铁芯12、两块永磁体11和两个可控动子激励线圈10组成，永磁体11安装在动子单元铁芯12的两端，可控动子激励线圈10绕在包含了永磁体11的U型铁芯12的两端且优选的，可控动子激励线圈10的总截面积占满由动子单元铁芯12和永磁体11组成U型铁芯的窗口面积。
定子单元铁芯8与动子单元铁芯12均为U型结构，虽然二者尺寸略有不同，但是都采用了硅钢片冲叠而成以降低电机的铁芯损耗，冲片的厚度选择应根据列车的额定运行速度来确定。
结合附图2和5，每个动子单元的动子单元铁芯12两端安装了永磁体11-1和永磁体11-2，两端永磁体的充磁方向相反；同时沿着列车运行方向，永磁体充磁方向交错排布。这样的排布方式保证了主磁通面垂直与列车的运行方向，而列车前进方向由于定子铁芯单元间存在较大的间隙故不存在纵向磁路。
附图6中所示长定子上安装的可控定子激励线圈分为上下两侧，上侧线圈9-1与下侧线圈9-2的尺寸与结构相同，每个定子单元上的上下侧线圈串联且电流方向相反，例如一个定子单元中，上侧线圈9-1电流顺时针流动，则下侧线圈9-2中电流逆时针流动。定子线圈按照列车前进方向通入三相交流电，两相之间间距120度，图5所示，上侧线圈9-1侧两对极距内的定子线圈通电相序为(A+、B-、C+、A-、B+、C-)，下侧线圈9-2侧两对极距内的定子线圈通电相序则为(A-、B+、C-、A+、B-、C+)。
附图7中所示为短动子上安装的永磁体和线圈同样分为上下两侧，上侧10-2与下侧线圈10-1的尺寸与结构相同，每个动子单元上的上下侧线圈串联且电流方向相反，同时动子单元上下侧的永磁体充磁方向也相反；一侧永磁体沿着动子的运行方向交错排布，即相邻的两个动子单元一侧永磁体充磁方向也相反；另外，永磁体的厚度应该经过计算后进行优选，即一定厚度的永磁体提供的等效安匝数可以满足列车实现理论上的零功率悬浮。
参照附图6和7所示，两个定子单元间间距为τs；一个动子大单元内的两个动子单元间间距为
Figure BDA0002352927100000051
同时大动子单元间间距为
Figure BDA0002352927100000052
这样的结构设计可以使本发明中的横磁通直线电机的输出推力波动最小；另外，长定子与短动子中铁芯的长度设计应该在满足上述极距配合关系以及线圈截面积可以通过足够励磁电流的前提下尽量取大以保证悬浮力足够。
附图8和9分别显示了本发明所提出的一种永磁混合型横向磁通悬浮导向与同步驱动一体化磁浮列车方案工作在悬浮和导向状态下的磁力线分布图。电机工作在悬浮状态下，主磁通路径为由永磁体11-2N极开始，经过-2侧气隙，定子铁芯8，-1侧气隙，永磁体11-1以及动子铁芯12，回到永磁体11-2S极形成回路，由永磁体产生的主磁通基本可以提供磁浮列车所需的悬浮力，悬浮线圈10-1和10-2只需微调激励电流即可以调整列车的悬浮状态保证列车温度运行在额定气隙下；当电机工作在导向模式时，动子与定子之间存在横向位移，主磁通路径与前面所述相同，但是由于U型铁芯具有的边端效应可以使动子在出现偏移时产生导向力，
附图10所示为本发明工作驱动模式，如前所述，定子线圈内通入三相交流电后将在气隙中产生行波磁场，行波磁场的运行速度与动子机械速度相同；电机的控制过程中，以位置传感器检测得到的动子磁链为直轴，将定子电流与交轴之间的夹角控制为零，即采用内功率因数角为零(或称id＝0)控制方法，这样的控制方法下可以使电机的驱动与悬浮/导向功能之间完全解耦，同时保证电机的输出推力最大。
上述针对示例性实施例的具体描述为参照附图说明的关于本发明的一些相关原理，而本发明的保护范围并不局限于这一种示例性实施例。凡是根据上述描述作出各种可能的替换以及改变的实施例，都被认为属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造，包括磁浮列车车体1，空气弹簧(2)，列车悬浮架(3)，轨道支撑梁(4)以及悬浮导向机构与直线驱动机构构成，车体通过空气弹簧(2)安在列车悬浮架(3)上；其特征在于，所述悬浮导向机构与直线驱动机构由永磁混合型横向磁通直线同步电机(5)一体完成；同步电机(5)整体结构包括初级长定子轨道和次级短动子部分，初级长定子轨道沿列车运行方向的左右两侧安装在轨道支撑梁(4)两侧构成悬浮轨道；次级短动子安装在列车悬浮架(3)两侧构成短动子电磁铁：每侧长定子轨道下方对应位置为次级悬浮电磁铁；初级和次级之间存在固定的悬浮气隙并保证二者之间无接触；其中：初级长定子由若干个结构相同的定子单元(6)构成，定子单元沿列车运行方向以相同的间距排布；短动子同样由若干个结构相同的动子单元(7)构成，沿列车运行方向每两个动子单元与三个定子单元长度，对应安装在列车上；
所述定子单元(6)由一个U型铁芯以及两个可控定子激励线圈组成，可控定子激励线圈线圈绕组截面填满U型电磁铁的窗口，U型铁芯采用硅钢片叠压而成；两块永磁体分别安装在U型铁芯的两端，且安装后的永磁体充磁方向相反；
所述动子单元(7)由一个U型铁芯，两块永磁体以及两个可控动子激励线圈组成，可控动子激励线圈绕组截面填满U型电磁铁的窗口，U型铁芯采用硅钢片叠压而成；动子单元沿列车前进方向安装，且动子一侧的永磁体永磁方向交错排布。
2.如权利要求1所述的永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造，其特征在于：在电机初级定子轨道与次级动子之间存在固定的机械气隙；列车运行时，列车依靠永磁体提供主要磁通，次级动子上安装的线圈提供调节磁通，使机械气隙保持恒定。
3.如权利要求1所述的永磁混合型横向磁通悬浮导向同步驱动一体化磁浮列车构造，其特征在于：所述U型铁芯采用硅钢片叠压而成。
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