CN111342634A - 一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机 - Google Patents

一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机 Download PDF

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Abstract

一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机，包括直线电机长定子和直线电机动子。所述直线电机长定子由定子电枢模块排列组成。所述定子电枢模块由电枢线圈和主动控制屏蔽线圈模块组成。所述电枢线圈和主动控制屏蔽线圈模块同心布置，主动控制屏蔽线圈模块与电枢线圈产生的磁场交链。所述主动控制屏蔽线圈包括屏蔽开关和屏蔽线圈，屏蔽开关与所述屏蔽线圈串联。当所述屏蔽开关闭合时，所述的屏蔽线圈与所述电枢线圈产生的磁场交链抵消。本发明长电枢直线电机可有效降低长电枢直线电机定子段的漏感。本发明还可用于其他形式的直线电机中，提升直线电机的功率因数，减少电机驱动变流器的容量，降低电机驱动系统的成本。

Description

一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机
技术领域
本发明涉及一种长电枢直线电机。
背景技术
长电枢直线电机具有结构简单、效率高、节能、噪音小、反应速度快、可控性好、推力平稳等优点。变流器驱动的长电枢直线电机作为牵引动力机构，在高速电磁弹射设备和高速磁悬浮列车领域中具有广阔的应用前景。
采用变流器驱动的长电枢直线电机主要分为长电枢直线同步电机和长电枢直线异步电机。长电枢直线同步电机由于推力密度较大、控制简单、调速性能好等优点，在长距离电磁发射和磁悬浮列车中广泛应用。文献《基于场路结合法的电磁弹射用新型永磁直线同步电机的研究》(杜超[J]电机与控制学报,2019,23(09):65-74.)指出采用双边长电枢直线同步电机可为长距离的电磁弹射装置提供较大的牵引力。文献《德国磁悬浮列车的悬浮与驱动系统》)(王江潮[J]德国磁悬浮列车的悬浮与驱动系统,国外铁道车辆,2004(03):1-5.)，指出在德国磁悬浮列车中采用单边长电枢直线同步电机作为牵引机构，并且仅在车辆所在区段的电枢绕组供电。文献《Results of Running Tests and Characteristics ofthe Dynamics of the MLX01 Yamanashi Maglev Test Line Vehicle》(H.Yoshioka[J],Yamanashi:Maglev’s 1998Proceedings,1998,1:225-230)指出日本高速磁悬浮列车中采用两个单边长电枢直线同步电机提供牵引力，并且直线电机动子磁极采用超导磁体，供电方式采用分段供电。长电枢直线感应电机具有结构简单、加工成直线电机动子质量轻等优势亦被广泛应用于电磁弹射领域。文献《一种考虑电流过零的直线电机分段供电策略》(马伟明[J]海军工程大学学报,2019,31(04):11-16.)将采用分段供电的双边长电枢直线感应电机应用于电磁弹射系统中。以上应用的共同特点在于：当长电枢直线电机运行在长距离的牵引场合时，直线电机的电枢作为定子布置在地面，直线电机长定子分为按一定次序排列、长度较短的定子模块。为降低驱动系统成本，一台变流器供电的一段直线电机长定子长度大于直线电机动子长度。
因此，当直线电机长定子中通入电流后，未被直线电机动子磁极覆盖的定子产生的磁场无法与直线电机动子磁场形成相互作用，形成漏磁场。这部分漏磁场会在供电系统中形成无功功率，导致长电枢直线电机功率因数降低，逆变器的直流母线电压升高，从而导致驱动系统成本较高。
专利CN 209313557 U《一种小空冷汽轮发电机定子端部漏磁短路环屏蔽降损结构》提出采用短路环屏蔽旋转电机端部漏磁的方法。但是该类方法是针对旋转电机的横向端部，并且目的在于减小电机结构部件的附加损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机，以有效降低未被直线电机动子覆盖的定子电枢线圈漏磁场，从而提升分段供电的长电枢直线电机的功率因数，降低供电系统的无功功率，降低供电系统的容量及供电系统的成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机，包括直线电机长定子和直线电机动子。
所述直线电机长定子由定子电枢线圈模块排列组成；所述的定子电枢线圈模块包括一个电枢线圈和一个主动控制屏蔽线圈模块。所述电枢线圈和所述主动控制屏蔽线圈模块平行布置，当所述的电枢线圈通入电流后，所述主动控制屏蔽线圈模块交链所述电枢线圈产生的磁场。所述的定子电枢线圈模块为多个。
所述主动控制屏蔽线圈模块包括屏蔽开关和屏蔽线圈；所述屏蔽开关串接在所述屏蔽线圈上。
所述直线电机动子由磁极等距离排列组成。所述磁极的充磁方向垂直于直线电机动子的运动方向，且相邻所述磁极磁场方向相反。所述磁极为多个。所述磁极可以选用超导磁体或电励磁磁体或永磁体。多个所述定子电枢线圈模块等距离排列成一排，组成所述直线电机长定子。所述直线电机长定子放置在所述直线电机动子的一侧或两侧；所述直线电机动子的运动方向平行于所述定子电枢线圈模块的排列方向。
所述屏蔽开关为断路器或空气开关或半导体开关器件。
所述主动控制屏蔽线圈模块布置在所述电枢线圈的任意一侧。所述主动控制屏蔽线圈模块独自形成环路，与所述电枢线圈没有电气联接。主动控制屏蔽线圈模块位于电枢线圈的内部或外部，若所述电枢线圈为多匝，则所述主动控制屏蔽线圈也可布置在电枢线圈的匝间。当所述电枢线圈是其他布置方式，如波绕组时，则所述主动控制屏蔽线圈模块布置方式选取可以交链电枢线圈产生的磁场。
定义所述定子电枢模块总数为N，所述直线电机动子的长度为Lm，相邻定子电枢模块中心线之间的距离为Ls；沿直线电机动子运动方向建立一维坐标轴，标定第1个定子电枢模块的中心线位置坐标为0，第2个定子电枢模块的中心线坐标为2Ls，以此类推，第N个定子电枢模块的中心线坐标为(N-1)×Ls，直线电机动子沿运动方向的前端坐标为x，直线电机动子沿运动方向的后端坐标为x-Lm。在直线电机动子运动过程中，当直线电机动子的前端坐标为x时，中心线坐标位于[(x-Lm)-m×Ls,x+m×Ls]区间内的定子电枢线圈模块的主动控制屏蔽线圈模块中的屏蔽开关为关断状态，该区间定义为主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段；中心线坐标位于[(x-Lm)-m×Ls,x+m×Ls]区间以外的定子电枢线圈模块的屏蔽开关为导通状态，该区间定义为：主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关导通段。为了避免主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关导通后干扰直线电机动子磁场，影响电机推力，因此主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段的长度应大于或等于直线电机动子的长度。m定义为去耦合长度系数，为主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段的长度减去直线电机动子长度的值与相邻定子电枢模块中心线间距比值的1/2。去耦合长度系数可以依据需要在[0,N]的数值区间内选取，即0≤m≤N。屏蔽开关均导通的定子电枢模块在其屏蔽线圈中产生抵消漏磁场的屏蔽电流，从而可以提高长电枢直线电机的功率因数、降低长电枢直线电机的容量，降低供电系统的成本。
本发明可应用于长初级的直线感应电机、长电枢直线同步电机、其他形式的长电枢的直线电机，以及长定子的各种直线电机。
附图说明
图1为本发明单边定子结构长电枢直线电机的结构图；
图2为双边定子结构的本发明单边定子结构长电枢直线电机的结构图；
图3a、图3b、图3c和图3d为本发明定子电枢模块中主动控制屏蔽线圈模块和电枢线圈的四种典型布置方式，其中图3a为主动控制屏蔽线圈模块布置在电枢线圈一侧的定子电枢模块，图3b为主动控制屏蔽线圈模块布置在上下分层的电枢线圈层间的定子电枢模块，图3c为主动控制屏蔽线圈模块布置在电枢线圈内层的定子电枢模块，图3d为主动控制屏蔽线圈模块布置在内外分层的电枢线圈层间的定子电枢模块；
图4为本发明一个定子电枢模块的等效电路图；
图5为本发明的定子电枢模块中主动控制屏蔽线圈模块的开关方式；
图6为长电枢直线电机在使用主动控制屏蔽线圈前后的相电压波形图；
图7a和图7b为长电枢直线电机使用主动控制屏蔽线圈前后的推力波形图，其中图7a为不采用主动控制屏蔽线圈的推力波形图，图7b为采用主动控制屏蔽线圈的推力波形图。
具体实施方式
本发明长电枢直线电机的实施例如图1所示。如图1所示，本发明长电枢直线电机的实施例包括多个定子电枢模块101，本实施例中定子电枢模块101的数量为50个。所述定子电枢模块101等距排列组成直线电机长定子1；直线电机动子2包括多个磁极201。所述磁极201的数量为4个。4个所述磁极201等距排列组成直线电机动子2。直线电机动子2与直线电机长定子1平行放置，且所述直线电机动子2的运动方向为定子电枢模块101的排列方向。直线电机动子2的长度完全覆盖Ns个所述定子电枢模块101，即直线电机动子2的长度和Ns个定子电枢模块101排列的长度相等，Ns为被所述直线电机动子2覆盖的定子电枢模块101的数量，本实施例中Ns为5。
如图3所示，定子电枢模块101包括电枢线圈1011和主动控制屏蔽线圈模块1012。所述电枢线圈1011和所述主动控制屏蔽线圈模块1012均为环形。以方形环状的电枢线圈1011和主动控制屏蔽线圈模块1012的本发明实施例说明。在该实施例中给出了电枢线圈1011和主动控制屏蔽线圈模块1012的四种典型的具体布置方式。如图3a所示，所述主动控制屏蔽线圈模块1012放置在所述电枢线圈1011的一侧；如图3b所示，电枢线圈1011分为上下两层，主动控制屏蔽线圈模块1012放置在上下两层电枢线圈1011之间。如图3c所示，主动控制屏蔽线圈模块1012放置在电枢线圈1011的内环表面。如图3d所示，所述电枢线圈1011分为内外两层，所述主动控制屏蔽线圈模块1012放置在内外两层电枢线圈1011之间。这四种放置方法的原则为：使所述主动控制屏蔽线圈模块1012尽可能多的交链所述电枢线圈1011产生的磁场，所述电枢线圈1011和所述主动控制屏蔽线圈模块1012同心布置。
图4为本发明所述直线电机长定子1中的所述定子电枢模块101的等效电路图。
如图4所示，所述主动控制屏蔽线圈模块1012包括屏蔽开关10121和屏蔽线圈10122。
所述屏蔽开关10121和屏蔽线圈10122串联。所述电枢线圈1011和所述主动控制屏蔽线圈模块1012之间存在互感M。所述电枢线圈1011中通入交流电流iph。当所述屏蔽开关10121闭合后，所述屏蔽线圈10122由楞次定律产生屏蔽电流ish。屏蔽电流ish通过互感M在所述电枢线圈1011中产生与所述电枢线圈1011的自感Lph上电压相位相反的感应电压，从而达到减小所述电枢线圈1011漏感的目的。
所述的屏蔽开关10121可采用断路器或半导体开关，本实施例以断路器为例说明。当所述屏蔽开关10121接收断开信号时，所述屏蔽开关10121在最近的屏蔽电流过零点关断。
图5为在本发明长电枢直线电机运行时，所述定子模块101中的主动控制屏蔽线圈模块1012的工作过程。
如图5所示，定义所述定子电枢模块总数为N，所述直线电机动子2的长度为Lm，所述相邻定子电枢模块101中心线之间的距离为Ls。本实施例中，N取值为50。沿直线电机动子运动方向建立一维坐标轴，标定第1个所述定子电枢模块101的中心线位置坐标0，第2个所述定子电枢模块101的中心线坐标为2Ls，以此类推，第50个所述定子电枢模块101的中心线坐标为49×Ls，直线电机动子2沿运动方向的前端坐标为x，直线电机动子2沿运动方向的后端坐标为x-Lm。在直线电机动子2运动的过程中，当直线电机动子2的前端坐标为x时，中心线坐标位于[(x-Lm)-m×Ls,x+m×Ls]区间内的定子电枢线圈模块101的主动控制屏蔽线圈模块1012中的屏蔽开关10121为关断状态，该区间定义为：主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段；中心线坐标位于[(x-Lm)-m×Ls,x+m×Ls]区间以外的所述定子电枢线圈模块101的屏蔽开关10121为导通状态，该区间定义为：主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关导通段。为了避免主动控制屏蔽线圈模1012块的屏蔽开关10121导通后干扰直线电机动子2磁场，影响电机推力，因此主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段的长度应大于或等于直线电机动子2的长度。m定义为去耦合长度系数，为主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段的长度减去直线电机动子2长度的值与相邻定子电枢模块101中心线间距比值的1/2。去耦合长度系数可以依据需要在[0,N]的数值区间内选取，即0≤m≤50。本实施例中，去耦合长度系数m取值为2，也即是说，中心线坐标位于[(x-Lm)-2×Ls,x+2×Ls]区间内的定子电枢线圈模块101的主动控制屏蔽线圈模块1012中的屏蔽开关10121为关断状态；中心线坐标位于[(x-Lm)-2×Ls,x+2×Ls]区间以外的所述定子电枢线圈模块101的屏蔽开关10121为导通状态。
图6为本实施例电枢线圈1011在通入同等相电流的条件下，使用主动控制屏蔽线圈前后的相电压波形图。可见采用主动控制屏蔽线圈1012可以有效降低长电枢同步直线电机的相电压：屏蔽前峰值为1800V，屏蔽后为1100V，也即减小了被所述直线电机动子2覆盖的所述电枢线圈1011的漏感。
图7a和图7b分别为本实施例电枢线圈1011在通入同等相电流的条件下，不采用主动控制屏蔽线圈模块1012和采用主动控制屏蔽线圈模块1012的长电枢直线电机电磁推力波形图。可见采用主动控制屏蔽线圈模块1012完全不影响长电枢直线电机的推力性能，屏蔽前后推力均为20kN。
长电枢直线电机的功率因数pf可依据公式(1)计算，其中|U|和|I|分别为电机的相电压有效值和相电流有效值，mph为相数，F为电磁推力，v为所述直线电机动子2的运动速度。在本实施例中，依据图6中相电压波形以及图7a和图7b的推力波形，长电枢直线电机在采用本发明的主动控制屏蔽线圈模块1012后，相电压有效值|U|减小，而相数mph、相电流有效值|I|、电磁推力F和直线电机动子速度v均保持不变。因此依据公式(1)可知，采用本发明的主动控制屏蔽线圈模块1012后可有效提升长电枢直线电机的功率因数。
Figure BDA0002396284700000061

Claims (8)

1.一种带有主动控制屏蔽线圈的长电枢直线电机，包括直线电机长定子(1)和直线电机动子(2)，所述的直线电机长定子(1)由多个定子电枢模块(101)沿直线电机动子(2)的运动方向顺序排列组成，其特征在于：所述的定子电枢模块(101)包括一个电枢线圈(1011)和一个主动控制屏蔽线圈模块(1012)；主动控制屏蔽线圈模块(1012)与电枢线圈(1011)产生磁场交链；所述的主动控制屏蔽线圈模块(1012)包括一个屏蔽开关(10121)和一个屏蔽线圈(10122)；屏蔽开关(10121)串接在所述的屏蔽线圈(10122)上；所述定子电枢模块(101)布置在长电枢直线电机动子(2)的两侧或者一侧；所述直线电机动子由多个磁极等距离排列组成，所述磁极的充磁方向垂直于直线电机动子的运动方向，且相邻所述磁极磁场方向相反。
2.如权利要求1所述的长电枢直线电机，其特征在于：所述的电枢线圈(1011)和所述的主动控制屏蔽线圈模块(1012)为环形，独自形成环路；所述电枢线圈(1011)和所述主动控制屏蔽线圈模块(1012)平行，同心布置。
3.如权利要求2所述的长电枢直线电机，其特征在于：所述的主动控制屏蔽线圈模块(1012)放置在所述电枢线圈(1011)的一侧。
4.如权利要求2所述的长电枢直线电机，其特征在于：所述的电枢线圈(1011)分为上下两层，主动控制屏蔽线圈模块(1012)放置在上下两层电枢线圈之间。
5.如权利要求2所述的长电枢直线电机，其特征在于：所述的主动控制屏蔽线圈模块(1012)放置在所述电枢线圈(1011)的内环表面。
6.如权利要求2所述的长电枢直线电机，其特征在于：所述的电枢线圈(1011)分为内外两层，所述主动控制屏蔽线圈模块(1012)放置在内外两层电枢线圈(1011)之间。
7.如权利要求1所述的长电枢直线电机，其特征在于：定义所述直线电机长定子(1)包含的所述定子电枢模块(101)总数为N，所述直线电机动子(2)的长度为Lm，相邻定子电枢模块(101)中心线之间的距离为Ls；沿直线电机动子运动方向建立一维坐标轴，标定第1个所述定子电枢模块(101)的中心线位置坐标为0，第2个所述定子电枢模块(101)的中心线坐标为2Ls，以此类推，第N个所述定子电枢模块(101)的中心线坐标为(N-1)×Ls，直线电机动子(2)沿运动方向的前端坐标为x，直线电机动子(2)沿运动方向的后端坐标为x-Lm；中心线坐标位于[(x-Lm)-m×Ls,x+m×Ls]区间内的定子电枢线圈模块(101)的主动控制屏蔽线圈模块(1012)中的屏蔽开关(10121)为关断状态，该区间定义为主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段；中心线坐标位于[(x-Lm)-m×Ls,x+m×Ls]区间以外的定子电枢线圈模块(101)的屏蔽开关(10121)为导通状态，该区间定义为主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关导通段；为了避免所述主动控制屏蔽线圈模块(1012)的屏蔽开关(10121)导通后干扰直线电机动子(2)磁场，影响电机推力，因此主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段的长度须大于或等于直线电机动子(2)的长度；m定义为去耦合长度系数，为主动控制屏蔽线圈模块的屏蔽开关关断段的长度减去直线电机动子(2)长度的值与相邻定子电枢模块(101)中心线间距比值的1/2，去耦合长度系数在[0,N]的数值区间内选取，即0≤m≤N。
8.依据权利要求7所述的长电枢直线电机，其特征在于：当所述屏蔽开关(10121)闭合时，在所述屏蔽线圈(10122)中产生涡流，抵消与其交链的所述电枢线圈(1011)产生的磁场。
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