CN111071268A - 一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，包括供电子系统，列车车体、牵引驱动子系统以及列车轨道子系统。所述牵引子系统包括电机单元、逆变单元、位置检测单元及电机控制单元。列车轨道子系统可分为轮轨式与磁悬浮式，轮轨式列车轨道子系统包括导轨、列车车轮与转向架，磁悬浮式列车轨道子系统分为永磁轨道或电励磁轨道与悬浮单元。本发明采用次级分块式直线电机驱动，在具有大推力、高效率、高功率因数的优点的同时，次级结构简单可靠、成本较低且便于维护；此外本发明可采用轮轨式或磁悬浮式轨道，特别适合于中高速运行场合。

Description

一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统
技术领域
本发明涉及的是一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，属于交通工具技术领域。
背景技术
在城市化进程中，轨道交通系统扮演着不可或缺的角色。传统列车系统采用旋转电机牵引系统驱动。旋转电机依靠机械传动装置，将旋转力矩转换为黏着式牵引力，损耗较大，效率较低。此外，黏着式牵引力受到轨道状况、摩擦系数等因素影响，因此提供的牵引力不够理想，列车系统的爬坡能力与拐弯能力不足，需要额外开挖隧道、假设高架桥，这给道路规划带来的一定的困难，也增加了成本。
与基于旋转电机的轨道交通列车系统相比，基于直线电机驱动的列车系统由电机直接产生电磁力。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，因此基于直线电机驱动的列车系统具有体积小、功率密度高的优点，可以降低列车系统的体积，降低开挖隧道成本，同时简化道路规划，因此直线电机驱动的列车系统在轨道交通领域应用前景光明。
目前，我国的广州四号线、五号线以及首都机场线等轨道交通场合，均已采用直线电机驱动的轨道交通列车系统。用于驱动的直线感应电机的次级仅由感应板与导磁板构成，结构简单，体积小，成本低，同时输出牵引力大于旋转电机。但是直线感应电机涡流损耗较高，效率与功率因数较低，此外，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。
采用传统永磁直线同步电机驱动的轨道交通列车系统的效率、功率因数、功率密度均较高；然而该类牵引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。
随着材料科学发展，目前已有采用超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统。超导磁通切换直线电机具有优秀的电磁性能：高推力密度，高功率因数以及宽调速范围。但是，成本方面，超导材料成本高昂，如果在轨道交通列车系统中使用，造价造价过高；可靠性方面，如果列车运行时震动严重、或者电机运行时电流超过超导材料临界电流，将会导致材料失超，对电机造成不可逆的影响；维护方面，超导电机的维护需要考虑冷却装置，对技术要求较高。考虑到目前相关技术手段尚不成熟，因此实际应用有一定的困难。
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次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，该列车系统采用次级分块式磁通切换直线电机驱动，与同类电机相比，该电机采用永磁体与励磁绕组共同励磁的方式，并且次级结构简单、成本低。可以有效提升列车系统的牵引力输出，且具有良好的功率因数、效率与调速性能。并且与超导电机驱动的系统相比，该系统具有成本较低、更加可靠且便于维护的显著优点，还可采用磁悬浮式结构，进一步降低运行阻力，提升速度。
本发明提出的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，包括供电子系统1，列车车体2、牵引驱动子系统3以及列车轨道子系统4；
所述供电子系统1将电网提供的交流电整流成为直流电，提供给列车车体2和牵引驱动子系统3；
所述列车车体2包括若干节列车车厢20、列车车厢用电设备21；
所述牵引子系统3包括电机单元30、逆变单元31、位置检测单元32与电机控制单元33。
进一步的，所述牵引驱动子系统3中：
所述电机单元30包括若干台次级分块式磁通切换直线电机，所述次级分块式磁通切换直线电机包括固定于所述列车车体2下方的初级300与沿轨道铺设的次级301；
所述逆变单元31安装于车体2内，由电机控制单元33控制，将所述供电子系统1提供的直流电逆变为给定频率与幅值的三相交流电，提供给电机单元30；
所述位置检测单元32通过传感器获得反映当前次级分块式磁通切换直线电机所在位置的位置信号，将其提供给电机控制单元33；
所述电机控制单元33安装于车体2，用于控制电机单元30。
作为一种优选，所述电机单元30采用的次级分块式磁通切换直线电机为次级分块式永磁磁通切换直线电机或次级分块式混合励磁磁通切换直线电机。
作为一种优选，所述位置检测单元32的传感器为位置传感器320，或基于电流和电压信号的无位置传感器321，或安装于车轮的速度传感器322；
所述位置传感器320分为位置信号发生器3200与位置信号检测器3201，所述位置信号发生器3200安装于列车车体2下方的车板上，位置信号检测器3201沿轨道铺设；
所述基于电流和电压信号的无位置传感器321设于列车车体2，测量电机的电流与电压信号，提供给电机单元30计算并得到位置信号。
作为一种优选，所述列车轨道子系统4为轮轨式列车轨道子系统40或磁悬浮式列车轨道子系统41；
所述轮轨式列车轨道子系统40包括导轨400、列车车轮401与转向架402；
所述磁悬浮式列车轨道子系统41包括永磁轨道410或电励磁轨道411，以及悬浮单元412；
所述永磁轨道410包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的永磁体4100；
所述电励磁轨道411包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的直流线圈4110；
所述悬浮单元412为电励磁悬浮单元4120或超导悬浮单元4121；
所述电励磁悬浮单元4120包括若干个安装于列车车体2下方的线圈41200，线圈41200磁场方向与永磁轨道410或电励磁轨道411方向相反；
所述超导悬浮单元4121包括若干个安装于列车车体2下方的超导线圈41210，杜瓦装置41211与冷却装置41212；超导线圈41210设于杜瓦装置41211内，由冷却装置41212保证工作温度。
本发明电机主要存在如下优点：
本发明提出的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，通过采用次级分块式磁通切换直线电机，可以有效提升功率密度，同时具有高效率、高功率因数的优点。并且，与超导电机驱动的系统相比，该系统具有成本较低、更加可靠且便于维护的显著优点。此外，针对不同速度需要，本发明提供了传统轮轨式结构与磁悬浮结构，因此，本发明特别适合于中高速运行场合。
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是系统整体示意图；
图2是系统供电示意图；
图3是轮轨式列车轨道子系统示意图（采用位置传感器）；
图4是轮轨式列车轨道子系统示意图（采用速度传感器）；
图5是磁悬浮式列车轨道子系统示意图（采用基于电压电流信号的无位置传感器）；
图6是磁悬浮式列车轨道子系统细节示意图（电励磁导轨，电励磁线圈）；
图7是磁悬浮式列车轨道子系统细节示意图（永磁导轨，超导线圈）；
图8是次级分块式永磁磁通切换直线电机；
图9是次级分块式混合励磁磁通切换直线电机；
其中，1-供电子系统，2-列车车体， 3-牵引驱动子系统，4-列车轨道子系统，20-列车车厢，21-列车车厢用电设备， 30-电机单元，31-逆变单元，32-位置检测单元，33-电机控制单元，40-轮轨式次列车轨道子系统，41-磁悬浮式列车轨道子系统，300-初级，301-次级，320-位置传感器，321-基于电流和电压信号的无位置传感器，322-速度传感器，400-导轨，401-列车车轮，402-转向架，410-永磁轨道，411-电励磁轨道，412-悬浮单元， 3200-位置信号发生器，3201-位置信号检测器，4100-永磁体，4110-直流线圈，4120-电励磁悬浮单元，4121-超导悬浮单元，41200-电励磁悬浮单元中的线圈，41210-超导线圈，41211-杜瓦装置，41212-冷却装置。
具体实施方式
本发明提出的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，包括供电子系统1，列车车体2、牵引驱动子系统3以及列车轨道子系统4；
所述供电子系统1将电网提供的交流电整流成为直流电，提供给列车车体2和牵引驱动子系统3；
所述列车车体2包括若干节列车车厢20、列车车厢用电设备21；
所述牵引子系统3包括电机单元30、逆变单元31、位置检测单元32与电机控制单元33。
进一步的，所述牵引驱动子系统3中：
所述电机单元30包括若干台次级分块式磁通切换直线电机，所述次级分块式磁通切换直线电机包括固定于所述列车车体2下方的初级300与沿轨道铺设的次级301；
所述逆变单元31安装于车体2内，由电机控制单元33控制，将所述供电子系统1提供的直流电逆变为给定频率与幅值的三相交流电，提供给电机单元30；
所述位置检测单元32通过传感器获得反映当前次级分块式磁通切换直线电机所在位置的位置信号，将其提供给电机控制单元33；
所述电机控制单元33安装于车体2，用于控制电机单元30。
作为一种优选，所述电机单元30采用的次级分块式磁通切换直线电机为次级分块式永磁磁通切换直线电机或次级分块式混合励磁磁通切换直线电机。
作为一种优选，所述位置检测单元32的传感器为位置传感器320，或基于电流和电压信号的无位置传感器321，或安装于车轮的速度传感器322；
所述位置传感器320分为位置信号发生器3200与位置信号检测器3201，所述位置信号发生器3200安装于列车车体2下方的车板上，位置信号检测器3201沿轨道铺设；
所述基于电流和电压信号的无位置传感器321设于列车车体2，测量电机的电流与电压信号，提供给电机单元30计算并得到位置信号。
作为一种优选，所述列车轨道子系统4为轮轨式列车轨道子系统40或磁悬浮式列车轨道子系统41；
所述轮轨式列车轨道子系统40包括导轨400、列车车轮401与转向架402；
所述磁悬浮式列车轨道子系统41包括永磁轨道410或电励磁轨道411，以及悬浮单元412；
所述永磁轨道410包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的永磁体4100；
所述电励磁轨道411包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的直流线圈4110；
所述悬浮单元412为电励磁悬浮单元4120或超导悬浮单元4121；
所述电励磁悬浮单元4120包括若干个安装于列车车体2下方的线圈41200，线圈41200磁场方向与永磁轨道410或电励磁轨道411方向相反；
所述超导悬浮单元4121包括若干个安装于列车车体2下方的超导线圈41210，杜瓦装置41211与冷却装置41212；超导线圈41210设于杜瓦装置41211内，由冷却装置41212保证工作温度。
实施例1
参见图1，图1为本发明的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统整体示意图。如图所示，列车系统分为四个子系统，分别为供电子系统1，列车车体2，牵引子系统3以及列车轨道子系统4。其中供电子系统1一端与电网相连，另一端与列车车体2相连，驱动子系统3安装于列车车体2下方，列车轨道子系统4负责引导列车前进方向以及支撑列车车厢。
参见图2，图2为本实施例的供电示意图。如图所示，供电子系统1一端与电网相连，通过整流，将电网提供的交流电转变为高压直流电；供电子系统1的另一端与列车车体2相连，为其提供高压直流电。由电机控制单元33控制，逆变单元31将高压直流电逆变成为给定幅值和频率的三相交流电，提供给电机单元30。
参见图3，图3为本实施例的列车轨道子系统。为了更清晰的说明列车系统的结构，图3中不仅显示了列车轨道子系统4，还显示了一部分牵引驱动子系统3。如图3，本实施例采用的是轮轨式列车轨道子系统40，该子系统包括导轨400、列车车轮401与转向架402。
图3所示的牵引驱动子系统3中，电机单元30的初级300安装于车体2的下方，电机单元30的次级301则沿轨道铺设，位于轨道的中间，与初级300相对。本实施例中，位置检测单元32采用的是位置传感器320。位置传感器320分为位置信号发生器3200与位置信号检测器3201，其中，位置信号发生器3200安装于列车车体2下方的车板上，位置信号检测器沿次级301安装，与位置信号发生器3200相对。列车运行时，位置信号发生器3200以某一预设频率发出信号，位置信号检测器3201收到该信号，以此确定初级300与次级301之间的相对位置，并提供给安装于列车车体2的电机控制单元33，以便电机控制单元33控制电机单元30。
此外，为了更好地说明不同传感器的特点，本实施例也给出了采用速度传感器322而不采用位置传感器320的情况。图4为采用速度传感器322的牵引子系统3示意图，速度传感器322安装于列车车轮上，通过检测车轮的运行速度，得到列车的运行速度，并将其速度信号传递给电机控制单元34，经过计算处理得到位置信号。
参见图8，图8为本实施例采用的电机单元示意图。如图所示，本实施例中的电机采用的是次级分块式永磁磁通切换直线电机。该电机的初级300由铁芯、电枢绕组与永磁体构成。铁芯为齿槽结构，永磁体表贴在铁芯的齿表面，电枢绕组缠绕在齿上，两者交替分布。所有永磁体采用竖直方向充磁，相邻永磁体充磁方向相反，如箭头所示。次级301为分块式结构，次级块等间距分布。
本实施例的特点在于：由于采用次级分块式永磁磁通切换直线电机驱动，本实施例具有高功率密度，高效率，高功率因数，次级结构简单可靠且成本较低的优点，在轨道交通领域具有良好的应用前景。
实施例2
本实施的基本结构与实施例1相同，两者的区别在于，本实施例采用磁悬浮式列车轨道子系统41，次级分块式混合励磁磁通切换直线电机驱动。为了更好地说明磁悬浮式列车轨道子系统41中永磁轨道410或电励磁轨道411各自的特点，下文将对两者均进行介绍。
图6展示了采用电励磁轨道411与电励磁悬浮单元4120的磁悬浮式列车轨道子系统41。由于该子系统两边对称，图中仅显示了单边的结构。如图6所示，该子系统采用电励磁轨道411提供浮力，电励磁轨道411中，空心的直流线圈4110等间距排布，所有直流线圈4110磁场方向相同，并与与其相对的电励磁悬浮单元4120中的线圈41200极性相反。电励磁轨道411的优点在于建设成本较低，并且励磁可调。
图7展示了采用永磁磁轨道410与超导悬浮单4121的磁悬浮式列车轨道子系统41。由于该子系统两边对称，图中仅显示了单边的结构。如图7所示，该子系统采用永磁轨道410提供浮力，超导悬浮单元4121置于车体2下方，永磁轨道410沿轨道铺设，与超导悬浮单元4121相对。超导悬浮单元4121中，超导线圈41210等间距排布，所有超导线圈通电41210后磁场方向相同，所有超导线圈41210置于杜瓦装置41211内，由冷却装之41212保证工作温度，防止失超。永磁轨道410中，极性相同的永磁体4100等间距排布，并且与与其相对的超导悬浮单元4121中的超导线圈41210极性相反。永磁轨道410的优点在于维护方便，磁场强度强，无需后续供电。
本实施例中，位置检测单元32采用的是基于电流和电压的无位置传感器321。列车运行时，基于电流和电压的无位置传感器321通过测量电机单元30的初级300中的三相电压和电流，并提供给安装于列车车体2的电机控制单元33，以便电机控制单元33计算初级300与次级301的相对位置，以控制电机单元30。
参见图9，图9为本实施例采用的电机单元示意图。如图所示，本实施例中的电机采用的是次级分块式混合励磁磁通切换直线电机。该电机的初级300由铁芯、电枢绕组、励磁绕组与永磁体构成。铁芯为齿槽结构，电枢绕组和励磁绕组交替缠绕在齿上，两者交替分布，永磁体表贴在绕有励磁绕组的铁芯的齿表面，。所有永磁体采用竖直方向充磁，相邻永磁体充磁方向相反，如箭头所示，根据实际调磁的需要，励磁绕组可同时通入正向或反向电流。次级301为分块式结构，次级块等间距分布。
本实施例的特点在于：由于采用次级分块式混了历次磁通切换直线电机驱动，本实施例具有高功率密度，高效率，高功率因数，易于调速，次级结构简单可靠且成本较低的优点；同时，由于采用磁悬浮结构，本实施例的运行阻力大大减小，适合在中高速场合运行。
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 (4)

1.一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，包括供电子系统（1），列车车体（2）、牵引驱动子系统（3）以及列车轨道子系统（4），其中，
所述供电子系统（1）将电网提供的交流电整流成为直流电，提供给列车车体（2）和牵引驱动子系统（3）；
所述列车车体（2）包括若干节列车车厢（20）、列车车厢用电设备（21）；
所述牵引子系统（3）包括电机单元（30）、逆变单元（31）、位置检测单元（32）与电机控制单元（33）；其特征在于，
所述电机单元（30）包括若干台次级分块式磁通切换直线电机，所述次级分块式磁通切换直线电机包括固定于所述列车车体（2）下方的初级（300），与沿轨道铺设的次级（301）；
所述逆变单元（31）安装于车体（2）内，由电机控制单元（33）控制，将所述供电子系统（1）提供的直流电逆变为给定频率与幅值的三相交流电，提供给电机单元（30）；
所述位置检测单元（32）通过传感器获得反映当前次级分块式磁通切换直线电机所在位置的位置信号，将其提供给电机控制单元（33）；
所述电机控制单元（33）安装于车体（2），用于控制电机单元（30）。
2.根据权利要求1所述的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，其特征在于，所述电机单元（30）采用的次级分块式磁通切换直线电机为次级分块式永磁磁通切换直线电机或次级分块式混合励磁磁通切换直线电机。
3.根据权利要求1或2所述的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，其特征在于，
所述位置检测单元（32）的传感器为位置传感器（320），或为基于电流和电压信号的无位置传感器（321），或为安装于车轮的速度传感器（322）；
所述位置传感器（320）分为位置信号发生器（3200）与位置信号检测器（3201），所述位置信号发生器（3200）安装于列车车体（2）下方的车板上，位置信号检测器（3201）沿轨道铺设；
所述基于电流和电压信号的无位置传感器（321）设于列车车体（2），测量电机的电流与电压信号，提供给电机单元（30）计算并得到位置信号。
4.根据权利要求3所述的一种次级分块式磁通切换直线电机驱动的列车系统，其特征在于，
所述列车轨道子系统（4）为轮轨式列车轨道子系统（40）或磁悬浮式列车轨道子系统（41）；
所述轮轨式列车轨道子系统（40）包括导轨（400）、列车车轮（401）与转向架（402）；
所述磁悬浮式列车轨道子系统（41）包括永磁轨道（410）或电励磁轨道（411），和悬浮单元（412）；
所述永磁轨道（410）包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的永磁体（4100）；
所述电励磁轨道（411）包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的直流线圈（4110）；
所述悬浮单元（412）为电励磁悬浮单元（4120）或超导悬浮单元（4121）；
所述电励磁悬浮单元（4120）包括若干个安装于列车车体（2）下方的线圈（41200），线圈（41200）磁场方向与永磁轨道（410）或电励磁轨道（411）的磁场方向相反；
所述超导悬浮单元（4121）包括若干个安装于列车车体（2）下方的超导线圈（41210），杜瓦装置（41211）与冷却装置（41212）；超导线圈（41210）设于杜瓦装置（41211）内，由冷却装置（41212）保证工作温度。
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