CN112230145A - 一种模块化直线感应电机旋转试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直线感应电机动态性能检测设备，具体为一种模块化直线感应电机旋转试验装置。模块化直线感应电机动态试验装置主要由初级支架、次级支架、底板、初级装配一、初级装配二、次级装配、顶部支撑座、底部支撑座、底部轴承支撑座、拉力传感器和气隙调整螺栓组组成。本发明解决了直线感应电机在地面无法进行动态试验、法向力试验、联调试验的弊端，能够准确有效直接的测试电机的各项性能，验证设计方案；结合现有试验场地条件因地制宜的制定产品方案，同时采用模块化的设计使得本发明具有广泛的适用性和拓展性。
Description
技术领域
本发明涉及直线感应电机动态性能检测设备，具体为一种模块化直线感应电机旋转试验装置。
背景技术
目前在城市轨道交通领域线性地铁和中低速磁悬浮列车技术已得到越来越广泛的应用，作为其驱动动力的大功率短初级直线感应牵引电机也越来越受到人们的关注。相较于传统的旋转电机，直线电机在运行时更需要关注其水平推力以及法向力，并且在动态运行过程中其气隙也会发生变化，对其各项性能指标产生影响。然而在地面试验时因为直线电机特殊的拓扑结构，对其水平推力、法向力以及动态特性的测试很难进行，尤其需要改变气隙测试其在不同气隙下的动态性能时，常规的旋转电机转矩测试方式显然不能满足测试需求。因此，需要特殊的检测装置能够同时检测推力和法向力，能够模拟牵引电机的牵引、制动等工况下的动态特性，并且测量在不同气隙条件下电机的性能状况。
现有的直线感应电机动态性能测试方法有两种，一个是以仿真计算的数据来代替试验检测，另一个是电机随实际车辆试验时对其动态推力进行测试。仿真计算的方法虽然能够得到其推力、法向力和速度的关系，但是仿真数据与产品实际数据仍然存在较大的差异，其准确性及误差较大，对控制策略产生的影响较大。车辆试验时其推力是根据车辆的加速度推算，推算的误差较大，且计算的是整车的推力，对单个电机的性能无法准确掌握；另外车辆试验无法测试电机的法向力。
有相关专利采用磁悬浮原理提出无接触的直线感应电机动推力与垂向力测试装置，但是其检测的垂向力是通过悬浮电磁铁的电流值计算得出，动推力是通过位置传感器检测的位置变化计算出加速度变化进而计算动推力，检测数值均不直接，存在检测与计算误差。且在该专利中未发现针对悬浮小车的防护措施，若电机较大相对的安全性较差。
有相关专利提出采用滚筒形直线感应电机性能测试装置进行直线感应电机动态特性的测试，但是该专利仅为方案设想，并无具体的工程实施细节，且其只能检测额定气隙下的电机性能，对不同气隙的性能无法测试。其设想中的压力传感器布置方案并不能直接得出电机法向力的大小，仍需通过安装角度进行换算，误差较大。另外，因电机推力可以通过次级滚筒的扭矩测得，其设想中在初级两侧安装推力传感器没有实施的必要，且工程中安装难度较大。
有相关专利提出采用圆盘形直线感应电机进行动态性能测试，能够完成电机不同气隙条件下的动态性能测试，但是该专利使用圆盘形次级，在初级较大的情况下圆盘直径会非常大，与地面无论是水平放置还是垂直放置，所需空间面积均很大，对现有试验台位，试验场地等的要求很高，可实施性较差。
发明内容
本发明针对直线感应电机动态性能无法有效测试的问题，提供了一种模块化直线感应电机旋转试验装置。通过合理选取极数、初级槽数、电磁负荷、铝反应板、气隙长度等实现直线感应电机的电磁方案设计；结合现有试验台位的中心高，通过合理的支架布置和初级弧形的选取，实现电机推力到转矩的转化，同时实现两种不同气隙下电机动态特性的检测；通过合理的拉力传感器布置，在实现法向力检测的前提下使检测过程具有更高的可靠性与安全性；通过合理的支撑座设计与布置，顶轴螺栓的设计，实现电机装配后的气隙微调；通过合理的结构设计，初级铁心和次级铁心均可做为独立模块进行拆卸更换，具有更高的灵活性，可实现不同电机方案的试验测试功能；通过同轴的模块拓展，实现多台电机的联调测试。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种模块化直线感应电机旋转试验装置，包括口字型固定框架、初级装配一、次级装配、次级支架、顶部支撑座、底部支撑座、拉力传感器和气隙调整螺栓组；固定框架内上端左侧固定顶部支撑座，固定框架内下端左侧固定底部支撑座，次级支架固定在固定框架下端中间位置，且前后两个次级支架分别位于固定框架的前端和后端，初级装配一包括初级框架，初级框架内有弧形初级铁心，弧形初级铁心上嵌有初级绕组；初级装配一由固定框架内左侧的底部支撑座和顶部支撑座固定；次级装配包括转轴、轴承单元、圆盘状的次级铁心和次级铝反应板，次级铁心热套至转轴上，次级铝反应板设置在在次级铁心外侧，轴承单元设置在次级支架上，转轴前后两端分别装配在前后轴承单元上，装配后初级装配一的初级铁心弧形口朝向次级装配，次级铁心与初级装配一的弧形初级铁心之间形成气隙；气隙调整螺栓组包括推螺栓和拉螺栓，气隙调整螺栓组设置在固定框架的左侧边框上，推螺栓的端部和初级框架背面接触，拉螺栓的端部和初级框架背面上的螺栓孔连接；固定框架左侧边框和初级装配一初级框架背面之间安装拉力传感器。本发明初级装配一和次级装配的组合相当于直线感应牵引电机，初级装配接电后推动次级装配转动，次级装配转轴驱动负载。电磁方案设计在满足电机牵引、制动特性前提下，合理的选取电机的电磁负荷，优化电磁方案，同时满足推力要求和最大电流限制，提升电机效率。
通过对直线模型（直线感应牵引电机）和圆弧模型（本发明）的电磁方案进行对比分析，直线模型的水平推力特性能够准确的转化为圆弧模型的转矩特性，故检测圆弧模型的转矩即相当于检测直线模型的水平推力。
直线电机运行过程中气隙大小会随着悬浮高度的变化而变化，所以在本发明中在次级装配一侧设置一个初级装配，能够测试额定气隙下电机性能，同时通过气隙调整螺栓组推拉初级装配，能够测试在气隙变化后的电机性能变化；还可以通过更换不同半径的次级铁心实现其他不同气隙下的电机性能测试。
法向力检测时，解除初级装配和顶部、底部支撑座的连接。本发明将初级铁心安装在初级框架中，将圆弧面转化为垂直平面，在初级框架背面和初级支架之间安装拉力传感器；拉力传感器的合力即为电机的法向力，保证试验测得的法向力与仿真得到的法向力在同一方向，可直接进行对比分析，无需进行任何的角度转化计算，提高测试结果的准确性。
上述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，还包括初级装配二，初级装配二包括初级框架，初级框架内有弧形初级铁心，弧形初级铁心上嵌有初级绕组，固定框架内上端右侧也固定顶部支撑座，固定框架内下端右侧也固定底部支撑座，初级装配二由固定框架内右侧的底部支撑座和顶部支撑座固定，初级装配一的弧形初级铁心和初级装配二的弧形初级铁心的弧形口相对，初级装配二的初级铁心弧形口朝向次级装配，次级铁心夹在初级装配一和初级装配二之间，次级铁心与初级装配二的弧形初级铁心之间形成气隙，气隙调整螺栓组还设置在固定框架的右侧边框上，推螺栓的端部和初级框架背面接触，拉螺栓的端部和初级框架背面上的螺栓孔连接，固定框架右侧边框和初级装配一初级框架背面之间安装拉力传感器。本发明初级装配二和次级装配的组合也相当于直线感应牵引电机，初级装配接电后推动次级装配转动，次级装配转轴驱动负载。一套装置可实现两种不同直线电机的测试。
上述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，还包括底部轴承支撑座，底部轴承支撑座包括底座、支撑轴和轴承，底座上安装一排支撑轴，轴承安装在支撑轴上，底部轴承支撑座安装在底部支撑座内，初级装配底部支撑在底部轴承支撑座的轴承上，顶部支撑座、底部支撑座的侧面与初级装配侧面存在间隙；在做法向力检测时，拆除顶部支撑座、底部支撑座侧面与初级装配侧面的固定螺栓，顶部支撑座侧面、底部支撑座侧面不会和初级装配侧面接触产生摩擦力，初级装配底部支撑在轴承上，尽可能减小滑动摩擦对法向力测试的影响。
上述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，初级装配一和初级装配二可以采用相同的电磁方案，也可采用不同的电磁方案，还可设计为不同直径的弧形结构形成不同的气隙，在采用相同的电磁方案的情况下，单个试验装置可以通过轴向串联的方式扩展为多个同轴的圆弧形直线电机试验台。
上述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，每个初级装配由4只拉力传感器测法向力。4只拉力传感器数量确定是通过强度计算，能够有效抵抗转矩产生的应力。
上述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，初级装配一和初级装配二采用全叠片焊接结构，将弧形叠片叠压进初级框架中，通过拉杆拉紧后焊接外侧压板形成初级铁心，然后经嵌线，连线，真空压力浸漆，焊接电缆工序形成初级装配。
上述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，口字型固定框架由初级支架和底板构成。
本发明解决了直线感应电机在地面无法进行动态试验、法向力试验、联调试验的弊端，能够准确有效直接的测试电机的各项性能，验证设计方案；结合现有试验场地条件因地制宜的制定产品方案，同时采用模块化的设计使得本发明具有广泛的适用性和拓展性。
附图说明
图1为本发明所述模块化直线感应电机动态试验装置正视图。
图中：1-初级支架，2-初级装配一，3-拉力传感器，4-气隙调整螺栓组，5-底部支撑座，6-底板，7-次级装配，8-次级支架，9-初级装配二，10-顶部支撑座。
图2为本发明所述模块化直线感应电机动态试验装置侧视图。
图3为本发明所述模块化直线感应电机动态试验装置及局部剖视图(A-A)。
图中：8-次级支架，11-底部轴承支撑座。
图4为本发明所述模块化直线感应电机动态试验装置底部轴承支撑座三维视图。
图5为本发明所述模块化直线感应电机动态试验装置轴向拓展视图。
图中：12-直线感应电机动态试验装置一，13-直线感应电机动态试验装置二。
具体实施方式
模块化直线感应电机动态试验装置单机主要由初级支架1、次级支架8、底板6、初级装配一2、初级装配二9、次级装配7、顶部支撑座10、底部支撑座5、底部轴承支撑座11、拉力传感器3和气隙调整螺栓组4组成。
初级支架1采用槽钢、钢板焊接而成，起到支撑初级装配和安装拉力传感器3的作用。
次级支架8由钢板焊接而成，起到支撑次级装配7的作用。
底板6由钢板焊接而成，用于安装初级支架1和次级支架8，底板6和初级支架1组成口字型固定框架。
初级装配一2和初级装配二9采用全叠片焊接结构，将弧形叠片叠压进初级框架中，通过拉杆拉紧后焊接外侧压板形成初级铁心，然后经嵌线，连线，真空压力浸漆，焊接电缆等工序形成初级装配，两个初级装配可以采用相同的电磁方案，也可采用不同的电磁方案，还可设计为不同直径的弧形结构形成不同的气隙。初级装配侧面预留有吊装孔，可通过专用吊具在不拆卸支架的情况下更换初级装配。
次级装配7由转轴，轴承单元，次级铁心，次级铝反应板组成，转轴采用高强度合金锻钢加工制作，转轴两端一致，便于后期轴向拓展；次级铁心由钢板焊接制作热套至转轴上；次级铝反应板由铝板折弯后铆接在次级铁心外侧。
顶部支撑座10和底部支撑座5由钢板焊接制作，起到辅助支撑初级装配的作用，同时在不进行法向力检测时，其侧面通过螺栓与初级装配连接，进一步提高试验装置的安全性。顶部和底部支撑座与初级装配的侧面固定孔设置为腰孔，配合带轴承的支撑座以及支架侧面的螺栓组，可实现初级铁心的左右滑动，保证装配气隙的准确性。
底部轴承支撑座11由底座，支撑轴，轴承组成，安装到底部支撑座5上，起到支撑初级装配，减小滑动摩擦的作用。底部支撑座5内安装有两排底部轴承支撑座11，在支撑初级装配的同时尽可能减小滑动摩擦对法向力测试的影响；顶部支撑座10、底部支撑座5的侧面与初级装配侧面存在间隙，在拆除固定螺栓后其不会和铁心接触产生摩擦力，进一步保证法向力检测的准确性。
通过仿真计算确定拉力传感器3所收到的法向拉力以及转矩带来的剪切应力，从而进行合适的传感器选型及布置位置。
气隙调整螺栓组4由一组M12的螺栓组成，通过螺栓旋转调整初级装配位置从而调整装配气隙。
本发明中两边的初级装配和次级装配均可作为独立模块在不拆除初级支架的情况下进行更换，可以同时进行不同电磁方案的验证，极大的提升了试验装置的适用性和设计效率。
本发明单个试验装置可以通过轴向串联的方式扩展为多个同轴的圆弧形直线电机试验台，通过不同的电气连接方式模拟直线电机实际运行状态，实现牵引系统的地面联调试验功能。模块化直线感应电机动态试验装置的轴向拓展可通过联轴节将转轴的轴头相连，方便快捷的实现轴向拓展，用于多机联调试验。
Claims (7)
1.一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：包括口字型固定框架、初级装配一（2）、次级装配（7）、次级支架（8）、顶部支撑座（10）、底部支撑座（5）、拉力传感器（3）和气隙调整螺栓组（4）；固定框架内上端左侧固定顶部支撑座（10），固定框架内下端左侧固定底部支撑座（5），次级支架（8）固定在固定框架下端中间位置，且前后两个次级支架分别位于固定框架的前端和后端，初级装配一（2）包括初级框架，初级框架内有弧形初级铁心，弧形初级铁心上嵌有初级绕组；初级装配一（2）由固定框架内左侧的底部支撑座（5）和顶部支撑座（10）固定；次级装配（7）包括转轴、轴承单元、圆盘状的次级铁心和次级铝反应板，次级铁心热套至转轴上，次级铝反应板设置在在次级铁心外侧，轴承单元设置在次级支架（8）上，转轴前后两端分别装配在前后轴承单元上，装配后初级装配一（2）的初级铁心弧形口朝向次级装配，次级铁心与初级装配一（2）的弧形初级铁心之间形成气隙；气隙调整螺栓组（4）包括推螺栓和拉螺栓，气隙调整螺栓组（4）设置在固定框架的左侧边框上，推螺栓的端部和初级框架背面接触，拉螺栓的端部和初级框架背面上的螺栓孔连接；固定框架左侧边框和初级装配一（2）初级框架背面之间安装拉力传感器（3）。
2.根据权利要求1所述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：还包括初级装配二（9），初级装配二（9）包括初级框架，初级框架内有弧形初级铁心，弧形初级铁心上嵌有初级绕组，固定框架内上端右侧也固定顶部支撑座（10），固定框架内下端右侧也固定底部支撑座（5），初级装配二（9）由固定框架内右侧的底部支撑座（5）和顶部支撑座（10）固定，初级装配一（2）的弧形初级铁心和初级装配二（9）的弧形初级铁心的弧形口相对，初级装配二（9）的初级铁心弧形口朝向次级装配，次级铁心夹在初级装配一（2）和初级装配二（9）之间，次级铁心与初级装配二（9）的弧形初级铁心之间形成气隙，气隙调整螺栓组（4）还设置在固定框架的右侧边框上，推螺栓的端部和初级框架背面接触，拉螺栓的端部和初级框架背面上的螺栓孔连接，固定框架右侧边框和初级装配一（9）初级框架背面之间安装拉力传感器（3）。
3.根据权利要求1或2所述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：还包括底部轴承支撑座（11），底部轴承支撑座（11）包括底座、支撑轴和轴承，底座上安装一排支撑轴，轴承安装在支撑轴上，底部轴承支撑座（11）安装在底部支撑座（5）内，初级装配底部支撑在底部轴承支撑座（11）的轴承上，顶部支撑座（10）、底部支撑座（5）的侧面与初级装配侧面存在间隙。
4.根据权利要求1或2所述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：初级装配一（2）和初级装配二（9）可以采用相同的电磁方案，也可采用不同的电磁方案，还可设计为不同直径的弧形结构形成不同的气隙，在采用相同的电磁方案的情况下，单个试验装置可以通过轴向串联的方式扩展为多个同轴的圆弧形直线电机试验台。
5.根据权利要求1或2所述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：每个初级装配由4只拉力传感器测法向力。数量确定是通过强度计算，能够有效抵抗转矩产生的应力。
6.根据权利要求1或2所述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：初级装配一（2）和初级装配二（9）采用全叠片焊接结构，将弧形叠片叠压进初级框架中，通过拉杆拉紧后焊接外侧压板形成初级铁心，然后经嵌线，连线，真空压力浸漆，焊接电缆工序形成初级装配。
7.根据权利要求1或2所述的一种模块化直线感应电机旋转试验装置，其特征在于：口字型固定框架由初级支架（1）和底板（6）构成。
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