CN111086395A - 中低速磁浮列车牵引装置与中低速磁浮列车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中低速磁浮列车牵引装置，包括电动机和驱动电机。电动机包括感应板和轮形转子，感应板沿着中低速磁浮列车行进的轨道铺设在路面上；轮形转子设置于中低速磁浮列车上；轮形转子在其径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体；并且驱动电机驱动轮形转子绕着平行于感应板的轴线旋转，以使得轮形转子与感应板相互作用而产生推动中低速磁浮列车运动的电磁推力。此外，本发明还提供一种中低速磁浮列车。采用本发明能够克服现有中低速磁浮直线感应电机功率因数低的问题，大为提高了能量利用效率。

Description

中低速磁浮列车牵引装置与中低速磁浮列车

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，特别地，涉及一种中低速磁浮列车的牵引系统与中低速磁浮列车。

背景技术

磁浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的列车系统。它依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道的无机械接触，并利用直线电机驱动列车运行。按照车辆运行速度来划分，磁浮列车可以分为高速和中低速两种类型：高速磁浮列车运行最高速度可达500km/h以上，采用EMS和EDS两种悬浮方式，适用于长大干线和大城市间的旅客运输；中低速磁浮列车运行速度在100km/h左右，主要采用EMS悬浮方式，特别适合城市内部或城市与卫星城之间的运输。

现有中低速磁浮列车的工作原理为：列车的悬浮力由悬浮系统提供，在车体下部安装的电磁铁吸引F形钢轨的下方，与之发生反作用将列车浮起，电磁铁与轨道之间的空隙由空隙传感器对电流值进行控制，以保证悬浮力和空隙的恒定；牵引力是由中低速磁浮列车上的直线感应电机来实现的，车辆上搭载VVVF逆变器对直线感应电机供电，在其线圈中产生直线运动的行波磁场，感应轨道侧安装的铝板，铝板中产生感应涡流，涡流场与行波磁场相互作用产生车辆运动所需的牵引力。

目前，采用直线感应电机牵引的中低速车辆，存在以下几个方面需要改进：

1)功率因数

与一般旋转感应电机类似，直线感应电机由初级电流提供励磁，需要初级绕组输入无功电流来建立励磁磁场。因此其功率因数不可避免地较同步电机低。此外，目前中低速磁浮直线感应电机短初级与轨道上铝感应板之间的气隙长度一般为11～13mm，远大于同等功率旋转感应电机的气隙长度。而气隙的磁阻远大于导磁部件(初级铁芯和F轨的铁轭)的磁阻，为了获得同样的励磁磁场，初级绕组所需提供的励磁电流也大为增加，使得中低速磁浮直线感应电机的功率因数进一步降低。由于上述原因，目前中低速磁浮直线感应电机的功率因数一般为0.6，不仅远低于一般的同步电机，也要低于一般的旋转感应电机，严重影响了其能量利用效率。

2)纵向边端效应

纵向即与列车运行方向一致或相反的方向。目前中低速磁浮所用直线感应电机的铁芯在纵向上是断开的，即定子铁芯的纵向端部无法如旋转电机一样闭合。因此，当列车运行经过某段轨道时，直线感应电机纵向端部附近轨道上的铝感应板将从零磁通转换为有磁通穿过的状态(或从有磁通穿过转换为零磁通状态)，这一磁通变化在铝感应板上产生的涡流总会阻碍该磁通变化，因而中低速磁浮所用直线感应电机的定子铁芯与轨道铝感应板之间的气隙在纵向开断处是突变的，开断处气隙磁阻沿纵向方向变化剧烈，从而对列车运行产生阻力。列车运行速度越快，这一阻力越大，纵向端部效应也就越明显。

3)牵引效率

中低速磁浮目前采用的单侧直线感应电机牵引的形式会产生法向力，即短初级与长次级之间在垂直方向上的相互作用力。该法向力主要由两部分组成。其一是短定子初级与轨道铝感应板之间的法向斥力，其二是短定子初级与轨道铝感应板下方F轨铁轭之间的法向吸力。在中低速磁浮系统中，该法向力表现为短定子初级和轨道次级之间的吸引力。

中低速磁浮轨道次级铝感应板厚度一般仅为4mm，而滑差频率一般为13～16Hz，铝感应板厚度小于其涡流透入深度，不能完全将短定子初级产生的磁通排斥在外。初级磁通在抵消涡流产生的磁场后，进入铝感应板下方的轨道次级铁轭，铁轭为导磁部件，从而在短定子初级和轨道次级铁轭之间产生吸力。短定子初级和轨道次级铁轭之间的吸力要大于与铝感应板之间的斥力，从而表现为法向的吸力。

法向吸力与悬浮系统的悬浮力相互矛盾，会增大悬浮系统的负担。如果提高滑差频率，可以减小法向吸力从而减轻悬浮系统的负担，但滑差频率的提高会导致直线感应电机牵引效率的降低。在工程实践中，为了尽量减小法向吸力对列车悬浮的影响，一般会选择较高的滑差频率，从而降低了系统的牵引效率。

此外，中低速磁浮所用直线感应电机的初级绕组裸露，环境适应性要求高。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，本发明第一方面提供一种中低速磁浮列车牵引装置，包括电动机和驱动电机。电动机包括感应板和轮形转子，感应板沿着中低速磁浮列车行进的轨道铺设在路面上；轮形转子设置于中低速磁浮列车上；轮形转子在其径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体；并且驱动电机驱动轮形转子绕着平行于感应板的轴线旋转，以使得轮形转子与感应板相互作用而产生推动中低速磁浮列车运动的电磁推力。

优选地，感应板为铝板，并且电动机还包括与感应板贴合的钢板，作为次级磁轭。

优选地，驱动电机的旋转轴线与轮形转子的旋转轴线重合或者平行。

优选地，驱动电机与轮形转子一体地设置。

优选地，驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至轮形转子。

优选地，驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至同轴设置的两个轮形转子。

本发明第二方面提供一种中低速磁浮列车，中低速磁浮列车沿着轨道行进，感应板沿轨道铺设在路面上，中低速磁浮列车包括多个轮形转子和驱动电机，轮形转子在其径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体；驱动电机，驱动电机驱动轮形转子绕着平行于感应板的轴线旋转，以使得轮形转子与感应板相互作用而产生推动中低速磁浮列车运动的电磁推力。

优选地，驱动电机的旋转轴线与轮形转子的旋转轴线重合或者平行。

优选地，驱动电机与轮形转子一体地设置。

优选地，驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至轮形转子。

优选地，驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至同轴设置的两个轮形转子

本发明不改变既有中低速磁浮列车的轨道结构，但不再采用直线感应电机产生牵引力。与现有技术中采用直线感应电机相比的中低速磁浮列车牵引装置相比，具有如下优点：

1)功率因数高

在本发明的技术方案中，励磁由在径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体的轮形转子提供，无需额外的励磁电流。如果驱动电机使用永磁同步电机或无刷直流电机，本发明的推进装置中由轮形转子和感应板组成的电机的功率因数可接近1。因而系统总体的功率因数也可接近1，从而可克服现有中低速磁浮直线感应电机功率因数低的问题，大为提高了能量利用效率；

2)可改善纵向边端效应

在本发明的技术方案中，轮形转子为环形，其与轨道铝感应板之间的气隙是渐变的，气隙磁阻沿纵向方向的变化率相对较小，从而可在一定程度上改善纵向端部效应，减小列车运行的阻力；

3)牵引效率高

在本发明的技术方案中，励磁由轮形转子提供，轮形转子由采用永磁同步电机等电机的驱动电机驱动，可在较宽的滑差速度范围内仍保持较高的牵引效率。因而轮形转子可以采用较高的旋转速度，产生较大的法向斥力，从而减小对悬浮系统的影响。即在减小法向力对悬浮系统的影响的同时，仍能保持较高的牵引效率。

此外，与现有中低速磁浮列车的直线感应电机相比，本发明的中低速磁浮列车牵引装置省略了在上方暴露于外界环境的直线感应电机初级绕组，因此环境适应性更好。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1为沿中低速磁浮列车行进方向观看的本发明第一实施例的中低速磁浮列车牵引装置的安装位置示意图。

图2为沿中低速磁浮列车侧向观看的本发明第一实施例的中低速磁浮列车牵引装置的安装位置示意图。

图3示出本发明第一实施例的中低速磁浮列车牵引装置的结构示意图。

图4示出本发明第二实施例的中低速磁浮列车牵引装置的结构示意图。

图5示出本发明第三实施例的中低速磁浮列车牵引装置的结构示意图。

图6至图7描述通过永磁同步电机驱动永磁Halbach转子、并且使得中低速磁浮列车起浮的方法。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

图1至图3示出本发明第一实施例，其中图1提供一种中低速磁浮列车牵引装置的安装示意图。为简略起见，图1仅示出沿着中低速磁浮列车侧向(图中z方向)上一侧的结构。沿着图中z方向上另一侧具有与图1中所示的结构沿着垂直轴对称设置的结构。

每一中低速磁浮列车牵引装置包括电动机20和永磁同步电机10，永磁同步电机10作为本发明驱动电机的示例，除此之外本发明的驱动电机还可以采用永磁直流电机、异步电机、开关磁阻电机、直流电机等类型。

电动机20包括初级组件和次级组件。初级组件包括作为本发明中轮形转子示例的永磁Halbach转子22，永磁Halbach转子22设置于中低速磁浮列车上；图2中虚线示出沿着中低速磁浮列车行进方向(图中x方向)设置的多个悬浮托臂的位置，在多个悬浮托臂2中相邻两个悬浮托臂之间的列车下部，能够安装多个永磁Halbach转子22，该多个永磁Halbach转子22能够排成沿着高速磁浮列车行进方向上的两排，分别沿着高速磁浮列车车辆两侧延伸。次级组件包括铝感应板21，铝感应板21沿着中低速磁浮列车行进的轨道铺设在路面上，此处铝感应板21是本发明中感应板的示例，感应板不仅限于铝材料的铝感应板21，也可以是铜等导电材料构成的感应板。铝感应板21置在永磁Halbach转子22的下方，靠近永磁Halbach转子22，起导电作用。

优选地，次级组件还可以包括起磁路聚磁作用的钢板31，该钢板31设置在铝感应板21的下侧，与铝感应板21形成铝铁复合结构，该钢板31同时作为次级的结构支撑件。

永磁同步电机10作为驱动电机驱动永磁Halbach转子22绕着转轴11旋转，永磁同步电机10的旋转轴线与永磁Halbach转子22的旋转轴线重合或者平行。参见图1，该转轴11的轴线平行于铝感应板21，以使得永磁Halbach转子22与铝感应板21相互作用而产生推动中低速磁浮列车运动的电磁推力。永磁Halbach转子22外侧在z方向上略超出铝感应板21一小段距离，永磁Halbach转子22内侧(即，靠近永磁同步电机10一侧)在z方向上距铝感应板21内侧一小段距离。这样布置可以利用中低速磁浮列车两侧的永磁Halbach转子22与铝感应板21之间的z向斥力产生自动导向力。

下面参照图3至图7描述永磁Halbach转子22的结构。具体地，将若干永磁体按照不同方向充磁，例如按图3至图7中任一图所示的方向充磁并组成永磁Halbach环形阵列，从而在永磁Halbach转子22外围形成较强的单边磁场，其极对数、内径、外径、宽度以及布置个数可根据永磁材料、工艺以及车辆需求的悬浮力、牵引力和轨道结构经优化比较后确定。

利用永磁同步电机10驱动永磁Halbach转子22旋转，永磁Halbach转子22旋转磁场将在轨道铝感应板21上感应涡流，该涡流产生的磁场将阻碍永磁Halbach转子22旋转磁场的变化，从而产生牵引力F_T，同时可产生部分悬浮力F_L，以减轻悬浮系统的负担。

图4中示出本发明第二实施例，其与第一实施例的区别在于，第一实施例中作为驱动电机的永磁同步电机10与永磁Halbach转子22分离地设置，而第二实施例中作为驱动电机的永磁同步电机10与永磁Halbach转子22一体地设置，具体说明如下。

在图4中示出的永磁Halbach转子22最外侧是组成Halbach环形阵列的多个永磁体221。在组成Halbach环形阵列的多个永磁体221的内侧是作为驱动电机的永磁同步电机10的转子永磁体12，并且组成Halbach环形阵列的多个永磁体221与转子永磁体12之间通过隔磁槽222进行磁路隔离。转子永磁体12与组成Halbach环形阵列的多个永磁体221以相同的旋转速度一起旋转。

组成Halbach环形阵列的多个永磁体221的极数与永磁同步电机10的极数无关，可多于、等于、少于永磁同步电机10的极数。永磁同步电机10的定子设置在转子永磁体12内侧，设于定子槽中的定子绕组13可为单层、双层多分数槽绕组结构。

换言之，上述永磁同步电机10为外转子永磁电机，在远离永磁同步电机10和永磁Halbach转子22的旋转轴线11的方向上依次设置有外转子永磁电机的内定子绕组、外转子永磁电机的转子永磁体、隔磁槽和组成Halbach环形阵列的多个永磁体221。

图5中示出本发明第三实施例，其与第一实施例的区别在于，第一实施例中作为驱动电机的永磁同步电机10用于驱动一个永磁Halbach转子22，而第三实施例中作为驱动电机的永磁同步电机10通过驱动轴瓦系统4连接至同轴设置的两个永磁Halbach转子22。在第一实施例和第三实施例中，驱动电机既可以是内转子电机也可以为外转子电机，可根据使用需求选取。

本发明第二方面提供一种中低速磁浮列车，为简略起见，图1仅示出沿着中低速磁浮列车侧向(图中z方向)上一侧的结构。沿着图中z方向上另一侧具有与图1中所示的结构沿着垂直轴对称设置的结构。参见图1和图2，中低速磁浮列车沿着图中x方向，即轨道延伸方向行进，铝感应板21沿轨道铺设在路面上。中低速磁浮列车包括多个作为本发明中轮形转子示例的永磁Halbach转子22和作为本发明驱动电机的示例的永磁同步电机10，除此之外本发明的驱动电机还可以采用永磁直流电机、异步电机、开关磁阻电机、直流电机等类型。图2中虚线示出沿着中低速磁浮列车行进方向设置的多个悬浮托臂的位置，在多个悬浮托臂中相邻两个悬浮托臂之间的列车下部，能够安装多个永磁Halbach转子22，该多个永磁Halbach转子22能够排成沿着中低速磁浮列车行进方向的两排。

永磁Halbach转子22在其径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体。具体地，将若干永磁体按照不同方向充磁，并组成永磁Halbach环形阵列，其极对数、内径、外径、宽度以及布置个数可根据永磁材料、工艺以及车辆需求的悬浮力、牵引力和轨道结构经优化比较后确定，从而在永磁Halbach转子22外围形成较强的单边磁场。利用永磁同步电机10驱动永磁Halbach转子22旋转，永磁Halbach转子22旋转磁场将在轨道铝感应板21上感应涡流，该涡流产生的磁场将阻碍永磁Halbach转子22旋转磁场的变化，从而产生牵引力F_T，同时可产生部分悬浮力F_L，以减轻悬浮系统的负担。

优选地，永磁同步电机10的旋转轴线与永磁Halbach转子22的旋转轴线重合。

优选地，永磁同步电机10与永磁Halbach转子22一体地设置，即，永磁Halbach转子22与永磁同步电机10的转子永磁体12固定在一起，同步旋转。参见图4，永磁Halbach转子22最外侧是组成Halbach环形阵列的多个永磁体221。在组成Halbach环形阵列的多个永磁体221的内侧是作为驱动电机的永磁同步电机10的转子永磁体12，并且组成Halbach环形阵列的多个永磁体221与转子永磁体12之间通过隔磁槽222进行磁路隔离。转子永磁体12与组成Halbach环形阵列的多个永磁体221以相同的旋转速度一起旋转。

优选地，永磁同步电机10通过驱动轴瓦系统4连接至永磁Halbach转子22。

优选地，参见图5，永磁同步电机10通过驱动轴瓦系统4连接至同轴设置的两个永磁Halbach转子22。

下面将参照图6描述根据中低速磁浮列车运行速度v_x及对中低速磁浮列车运行的要求，控制每组中低速磁浮列车牵引装置中永磁Halbach转子22的旋转速度的方法。具体地，当永磁Halbach转子22旋转的周向速度v_c大于中低速磁浮列车行进速度v_x时，即滑差速度v_slip＝v_c-v_x且v_slip＞0时，产生与v_x方向一致的牵引力，其中

r为永磁Halbach转子22外径。当永磁Halbach转子22旋转的周向速度v_c小于中低速磁浮列车行进速度，即滑差速度v_slip＜0时，或v_c与v_x方向一致时，产生与v_x方向相反的制动力。通过控制永磁Halbach转子22的旋转速度和方向，能够达到控制中低速磁浮列车的行驶速度的目的。

下面将参照图7描述通过永磁同步电机10驱动永磁Halbach转子22以使得中低速磁浮列车起浮的方法。

当中低速磁浮列车停落在轨道上需要起浮时，如图7所示，可通过相应的永磁同步电机10驱动多对永磁Halbach转子22，其中每一对永磁Halbach转子22中的两个永磁Halbach转子22a、22b沿着中低速磁浮列车行进方向排列，以使得两个永磁Halbach转子22a、22b按照相同的旋转速度、相反的旋转方向旋转，例如图7中永磁Halbach转子22a以旋转速度ω_m逆时针方向旋转，提供向上的悬浮力FLa和指向图中左侧的牵引力FTa。永磁Halbach转子22b以旋转速度ω_m顺时针方向旋转,提供向上的悬浮力FLb和指向图中右侧的牵引力FTb。此时这两个永磁Halbach转子22提供的牵引力FTa、FTb大小相同且方向相反，其与轨道上的铝感应板21之间均为法向斥力，即悬浮力FLa、FLb，从而可以减轻中低速磁浮列车起浮时悬浮系统的负担，降低起浮时所需的悬浮电流。

中低速磁浮列车起浮后，按照中低速磁浮列车行驶方向，可通过相应的永磁同步电机10驱动每一对永磁Halbach转子22中的两个永磁Halbach转子22a、22b中的其中一个永磁Halbach转子22a停止旋转，并且而后将其旋转方向改变为与另一个永磁Halbach转子22b旋转方向相同，使每一对永磁Halbach转子22中的两个永磁Halbach转子22a、22b提供同一方向的牵引力。

现有技术相比，本发明具有如下优点：

a.功率因数高。

在本发明中，励磁由永磁Halbach转子22提供，无需额外的励磁电流。如果使用永磁同步电机10或无刷直流电机驱动永磁Halbach转子22旋转，电动机20的功率因数可接近1。因而系统总体的功率因数也可接近1，从而可克服中低速磁浮直线感应电机功率因数低的问题，大为提高了能量利用效率；

b.可改善纵向边端效应。

本发明所提出的形式中，永磁Halbach转子22为环形，组成Halbach环形阵列的多个永磁体221与轨道上的铝感应板21之间的气隙是渐变的，气隙磁阻沿纵向方向的变化率相对较小，从而可在一定程度上改善纵向端部效应，减小列车运行的阻力；

c.牵引效率高。

在本发明公布的形式中，励磁由永磁Halbach转子22提供，永磁Halbach转子由永磁同步电机等驱动，可在较宽的滑差速度范围内仍保持较高的牵引效率。因而永磁Halbach转子可以采用较高的旋转速度，产生较大的法向斥力，从而减小对悬浮系统的影响。即在减小法向力对悬浮系统的影响的同时，仍能保持较高的牵引效率；

此外，在目前中低速磁浮列车每台直线感应电机所对应的长度上，可布置多个永磁同步电机10和永磁Halbach转子22，从而进一步提高了本发明的中低速磁浮列车牵引装置的冗余性。并且与现有中低速磁浮列车的直线感应电机相比，本发明的中低速磁浮列车牵引装置省略了在上方暴露于外界环境的直线感应电机初级绕组，因此环境适应性更好。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种中低速磁浮列车牵引装置，包括电动机和驱动电机，其特征在于：

所述电动机包括：

感应板，所述感应板沿着所述中低速磁浮列车行进的轨道铺设在路面上；

轮形转子，所述轮形转子设置于所述中低速磁浮列车上；所述轮形转子在其径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体；并且

所述驱动电机驱动所述轮形转子绕着平行于所述感应板的轴线旋转，以使得所述轮形转子与所述感应板相互作用而产生推动中低速磁浮列车运动的电磁推力。

2.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车牵引装置，其特征在于，

所述感应板为铝板，并且所述电动机还包括与所述感应板贴合的钢板，作为次级磁轭。

3.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车牵引装置，其特征在于，

所述驱动电机的旋转轴线与所述轮形转子的旋转轴线重合或者平行。

4.根据权利要求3所述的中低速磁浮列车牵引装置，其特征在于：

所述驱动电机与所述轮形转子一体地设置。

5.根据权利要求4所述的中低速磁浮列车牵引装置，其特征在于：

所述驱动电机为外转子永磁同步电机，所述外转子永磁同步电机布置在所述组成Halbach环形阵列的多个永磁体在径向方向上的内侧。

6.根据权利要求3所述的中低速磁浮列车牵引装置，其特征在于：

所述驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至所述轮形转子。

7.根据权利要求6所述的中低速磁浮列车牵引装置，其特征在于：

所述驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至同轴设置的两个所述轮形转子。

8.一种中低速磁浮列车，所述中低速磁浮列车沿着轨道行进，感应板沿所述轨道铺设在路面上，

所述中低速磁浮列车包括：

多个轮形转子，所述轮形转子在其径向外侧具有组成Halbach环形阵列的多个永磁体；

驱动电机，所述驱动电机驱动所述轮形转子绕着平行于所述感应板的轴线旋转，以使得所述轮形转子与所述感应板相互作用而产生推动中低速磁浮列车运动的电磁推力。

9.根据权利要求8所述的中低速磁浮列车，其特征在于，

所述驱动电机的旋转轴线与所述轮形转子的旋转轴线重合或者平行。

10.根据权利要求9所述的中低速磁浮列车，其特征在于，

所述驱动电机与所述轮形转子一体地设置。

11.根据权利要求10所述的中低速磁浮列车，其特征在于：

所述驱动电机为外转子永磁同步电机，所述外转子永磁同步电机布置在所述组成Halbach环形阵列的多个永磁体在径向方向上的内侧。

12.根据权利要求8所述的中低速磁浮列车，其特征在于：

所述驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至所述轮形转子。

13.根据权利要求10所述的中低速磁浮列车，其特征在于：

所述驱动电机通过驱动轴瓦系统连接至同轴设置的两个所述轮形转子。

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