CN113497504B - 用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈、定子及直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈、定子及直线电机，该地面线圈包括依次首尾连接的第一导体边、第二导体边、第三导体边、第四导体边、第五导体边和第六导体边，第一导体边与第二导体边相对于地面线圈的中心线对称设置，第一导体边与第二导体边呈第一夹角设置，第四导体边与第五导体边相对于地面线圈的中心线对称设置，第四导体边与第五导体边呈第二夹角设置，第一夹角与第二夹角相等，第三导体边和第六导体边均为水平直线边。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中地面线圈无法在保证反电势谐波含量低的情况下不产生悬浮力以及降低推力波动的技术问题。

Description

用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈、定子及直线电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮电磁推进直线电机技术领域，尤其涉及一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈、定子及直线电机。

背景技术

目前，在磁悬浮电磁推进系统中，直线电机动子安装在车体上，定子线圈安装在地面上且位于超导线圈一侧。常见的直线电机地面线圈形状为矩形地面线圈、斜槽地面线圈。然而，对于现有的矩形地面线圈而言，其存在反电势谐波含量高，电机推力波动大的缺点。对于现有的斜槽地面线圈而言，如图6所示，其反电势谐波含量相对不高，但由于斜槽线圈推进有效边倾斜，所以电机产生推力F_x的同时会产生一定的悬浮力F_y。

发明内容

本发明提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈、定子及直线电机，能够解决现有技术中地面线圈无法在保证反电势谐波含量低的情况下不产生悬浮力以及降低推力波动的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈，地面线圈包括依次首尾连接的第一导体边、第二导体边、第三导体边、第四导体边、第五导体边和第六导体边，第一导体边与第二导体边相对于地面线圈的中心线对称设置，第一导体边与第二导体边呈第一夹角设置，第四导体边与第五导体边相对于地面线圈的中心线对称设置，第四导体边与第五导体边呈第二夹角设置，第一夹角与第二夹角相等，第三导体边和第六导体边均为水平直线边。

进一步地，第一导体边、第二导体边、第四导体边和第五导体边的形状均包括直线形、弧形或波浪形。

进一步地，第一导体边、第二导体边、第四导体边和第五导体边中的任一导体边沿水平方向的投影距离c均可根据

来获取，其中，τ为极距，v为谐波的次数。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子，电机定子包括沿车体运动方向设置的多个电机定子段，各个电机定子段均包括固定在地面上且位于车体一侧的多个依次串联连接的第一定子线圈段以及固定在地面上且位于车体另一侧的多个依次串联连接的第二定子线圈段，电机定子为n相集中式绕组，第一定子线圈段包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段包括n个第二定子线圈，第一定子线圈和第二定子线圈均为如上所述的地面线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的直线电机，直线电机包括如上所述的用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子。

进一步地，直线电机包括第一动子线圈组和第二动子线圈组，第一动子线圈组固定设置在车体的一侧且与多个第一定子线圈段相对设置，第二动子线圈组固定设置在车体的另一侧且与多个第二定子线圈段相对设置。

进一步地，第一动子线圈组和第二动子线圈组均包括超导线圈或halbach永磁体阵列。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈，该地面线圈通过配置上下镜像对称的第一导体边和第二导体边以及第四导体边和第五导体边，第一导体边产生的悬浮方向的力F_y1与第二导体边产生的悬浮方向的力F_y3可以相互抵消，第四导体边产生的悬浮方向的力F_y4与第二导体边产生的悬浮方向的力F_y2可以相互抵消，因此产生推进力的同时不会产生悬浮力。此外，由于地面线圈的第一导体边、第二导体边、第四导体边和第五导体边在磁场中的位置互不相同，从而使得同一谐波的相位不再相同，当其叠加时便可消除谐波，进而降低电机的反电势谐波含量；降低电机的反电势谐波含量，进而会使得电机的推力波动降低，提高列车运行的平稳性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈的受力示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈的结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的超导直线电机的结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的永磁直线电机的结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的部分直线电机段的机构示意图；

图6示出了现有技术中提供的斜槽地面线圈的受力示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一导体边；20、第二导体边；30、第三导体边；40、第四导体边；50、第五导体边；60、第六导体边；101、第一定子线圈段；102、第二定子线圈段；201、第一动子线圈组；202、第二动子线圈组。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈，该地面线圈包括依次首尾连接的第一导体边10、第二导体边20、第三导体边30、第四导体边40、第五导体边50和第六导体边60，第一导体边10与第二导体边20相对于地面线圈的中心线对称设置，第一导体边10与第二导体边20呈第一夹角设置，第四导体边40与第五导体边50相对于地面线圈的中心线对称设置，第四导体边40与第五导体边50呈第二夹角设置，第一夹角与第二夹角相等，第三导体边30和第六导体边60均为水平直线边。

应用此种配置方式，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈，该地面线圈通过配置上下镜像对称的第一导体边和第二导体边以及第四导体边和第五导体边，第一导体边产生的悬浮方向的力F_y1与第二导体边产生的悬浮方向的力F_y3可以相互抵消，第四导体边产生的悬浮方向的力F_y4与第二导体边产生的悬浮方向的力F_y2可以相互抵消，因此产生推进力的同时不会产生悬浮力。此外，由于地面线圈的第一导体边、第二导体边、第四导体边和第五导体边在磁场中的位置互不相同，从而使得同一谐波的相位不再相同，当其叠加时便可消除谐波，进而降低电机的反电势谐波含量；降低电机的反电势谐波含量，进而会使得电机的推力波动降低，提高列车运行的平稳性。

进一步地，在本发明中，为了降低电机的反电势谐波含量，需要使得地面线圈的斜边上下镜像对称。在本发明中，根据具体需要，可将第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50的形状均配置为包括直线形、弧形或波浪形。第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50的形状在本发明不作限制，只要能够保证第一导体边10和第二导体边20以及第四导体边40和第五导体边50相对于地面线圈的中心线上下镜像对称即可。

作为本发明的一个具体实施例，考虑加工工艺的便利性，如图1和图2所示，第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50的形状均为直线形，第一导体边10和第二导体边20相对于地面线圈的中心线对称设置，第四导体边40和第五导体边50相对于地面线圈的中心线对称设置，地面线圈的外形酷似箭头。其中，在本发明中，对于第一导体边和第二导体边所形成的箭头方向以及第四导体边和第五导体边所形成的的箭头方向不做限定。

在本发明中，磁悬浮电磁推进系统在工作过程中，电机动子提供稳定的励磁磁场，当地面定子线圈通入对称m相交流电时将产生行波磁场，行波磁场和励磁磁场的相互作用产生电磁驱动力，驱动列车做直线运动。地面线圈的斜向第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50在磁场中的位置互不相同，从而使得同一谐波的相位不再相同，当其叠加时便可消除谐波，进而可以改善反电势波形。

具体地，在本发明中，v次谐波的斜槽因数k_skv应为

其中，c为第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50中的任一导体边沿水平方向的投影距离(即任一导体边的斜过距离)，β为整个导体斜过的电弧度，τ为极距。

若要消除第v次谐波，只要使该次谐波的斜槽因数k_skv等于0即可，由此可得到

或

因此，如果第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50中的任一导体边沿水平方向的投影距离c恰好等于该次谐波空间的波长，该导体内的v次谐波电动势将相互抵消，于是k_skv＝0。

由上可知，为了降低谐波，第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50中的任一导体边沿水平方向的投影距离c均可根据

来获取，其中，τ为极距，v为谐波的次数。其中，根据公式可知，当第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50中的任一导体边沿水平方向的投影距离c为1/5基波距离时即可消除5次谐波，当第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50中的任一导体边沿水平方向的投影距离c为1/7基波距离时即可消除7次谐波。消除反电动谐波带来的好处是，电机整体的推力波动会降低，列车运行更平稳。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子，该电机定子包括沿车体运动方向设置的多个电机定子段，各个电机定子段均包括固定在地面上且位于车体一侧的多个依次串联连接的第一定子线圈段101以及固定在地面上且位于车体另一侧的多个依次串联连接的第二定子线圈段102，电机定子为n相集中式绕组，第一定子线圈段101包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段102包括n个第二定子线圈，第一定子线圈和第二定子线圈均为如上所述的地面线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接。

应用此种配置方式，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子，该电机定子包括多个电机定子段，电机定子采用分段供电形式，根据变流器的容量，列车在运行时，交流器依次向各个电机定子段供电；此外，通过将各个电机定子段配置为包括多个第一定子线圈段和多个第二定子线圈段，第一定子线圈段包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段包括n个第二定子线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接，在此种方式下，当车体发生横向偏移时，电机在导向方向具有自回复力，提高了车体运行的稳定性。具体地，当车体向左侧偏移时，左侧单边电机的吸力小，右侧单边电机的吸力大，那么车体就会向右侧偏移，从而到达中间位置。进一步地，由于本发明所提供的地面线圈能够在保证反电势谐波含量低的情况下不产生悬浮力以及降低推力波动，因此，将本发明所提供的地面线圈用于电机定子中，能够极大地提高电机定子的工作性能。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的直线电机，该直线电机包括如上所述的用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子、第一动子线圈组201和第二动子线圈组202，第一动子线圈组201固定设置在车体的一侧且与多个第一定子线圈段101相对设置，第二动子线圈组202固定设置在车体的另一侧且与多个第二定子线圈段102相对设置。

在此种配置方式下，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的直线电机，该直线电机的第一动子线圈组和第二动子线圈组提供稳定的励磁磁场，当第一定子线圈段通入对称m相交流电时将产生行波磁场，行波磁场和励磁磁场相互作用产生电磁驱动力，驱动列车做直线运动。由于在列车的一侧地面上固定设置有多个依次串联连接的第一定子线圈段，在列车的另一侧地面上固定设置有多个依次串联连接的第二定子线圈段，第一定子线圈段包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段包括n个第二定子线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接，在此种方式下，当车体发生横向偏移时，电机在导向方向具有自回复力，提高了车体运行的稳定性。

作为本发明的一个具体实施例，图5示出了直线电机的其中一个直线电机段的结构组成。该直线电机段包括四个依次串联连接的第一定子线圈段101和四个依次串联连接的第二定子线圈段102。第一个第一定子线圈段包括定子线圈A1、B1和C1，第二个第一定子线圈段包括定子线圈A2、B2和C2，第三个第一定子线圈段包括定子线圈A3、B3和C3，第四个第一定子线圈段包括定子线圈A4、B4和C4，定子线圈A1、A2、A3和A4依次串联连接，定子线圈B1、B2、B3和B4依次串联连接，定子线圈C1、C2、C3和C4依次串联连接，定子线圈A1、A2、A3、A4和定子线圈B1、B2、B3、B4以及定子线圈C1、C2、C3、C4的一端与变流器连接，另一端星型连接。

第一个第二定子线圈段包括定子线圈D1’、E1’和F1’，第二个第二定子线圈段包括定子线圈D2’、E2’和F2’，第三个第二定子线圈段包括定子线圈D3’、E3’和F3’，第四个第二定子线圈段包括定子线圈D4’、E4’和F4’，定子线圈D1’、D2’、D3’和D4’依次串联连接，定子线圈E1’、E2’、E3’和E4’依次串联连接，定子线圈F1’、F2’、F3’和F4’依次串联连接，其中，定子线圈A1与D1’并联，定子线圈B1与E1’并联，C1与F1’并联，A2与D2’并联，B2与E2’并联，C2与F2’并联，A3与D3’并联，B3与E3’并联，C3与F3’并联，A4与D4’并联，B4与E4’并联，C4与F4’并联。定子线圈D1’、D2’、D3’、D4’和定子线圈E1’、E2’、E3’、E4’以及定子线圈F1’、F2’、F3’、F4’的一端与变流器连接，另一端星型连接，定子线圈D1’、D2’、D3’、D4’、定子线圈E1’、E2’、E3’、E4’以及定子线圈F1’、F2’、F3’、F4’的星型连接端与定子线圈A1、A2、A3、A4、定子线圈B1、B2、B3、B4以及定子线圈C1、C2、C3、C4的星型连接端连接。

此外，在本发明中，如图3和图4，第一动子线圈组201和第二动子线圈组202均包括超导线圈或halbach永磁体阵列。当第一动子线圈组201和第二动子线圈组202均为超导线圈时，此时直线电机即为超导直线电机，当第一动子线圈组201和第二动子线圈组202均为halbach永磁体阵列时，此时直线电机即为永磁直线电机。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图3对本发明所提供的超导直线电机进行详细说明。

如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种超导直线电机，该超导直线电机包括第一动子线圈组201、第二动子线圈组202、多个依次串联连接的第一定子线圈段101以及多个依次串联连接的第二定子线圈段102，多个依次串联连接的第一定子线圈段101固定在地面上且位于车体一侧，多个依次串联连接的第二定子线圈段102固定在地面上且位于车体另一侧，第一动子线圈组201固定设置在车体的一侧，第二动子线圈组202固定设置在车体的另一侧,第一动子线圈组201和第二动子线圈组202均为超导线圈。

电机定子为n相集中式绕组，第一定子线圈段101包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段102包括n个第二定子线圈，第一定子线圈和第二定子线圈均为如上所述的地面线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接。

第一定子线圈和第二定子线圈的结构相同，均为类箭头形结构，任意一个定子线圈均包括依次首尾连接的第一导体边10、第二导体边20、第三导体边30、第四导体边40、第五导体边50和第六导体边60，第一导体边10与第二导体边20相对于地面线圈的中心线对称设置，第一导体边10与第二导体边20呈第一夹角设置，第四导体边40与第五导体边50相对于地面线圈的中心线对称设置，第四导体边40与第五导体边50呈第二夹角设置，第一夹角与第二夹角相等，第三导体边30和第六导体边60均为水平直线边。

在本实施例中，第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50的形状均为直线形，为了改善反电动势谐波，第一导体边10、第二导体边20、第四导体边40和第五导体边50中的任一导体边沿水平方向的投影距离c均可根据

来获取，其中，τ为极距，v为谐波的次数。

综上所述，本发明提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈，该地面线圈既可以降低反电势谐波含量，降低电机推力脉动且产生推进力的同时不会产生悬浮力。本发明所提供的地面线圈与现有技术相比，具有以下优点。

第一，本发明所提供的地面线圈具有改善反电势波形和降低电机推力波动的优点。

第二，本发明所提供的地面线圈在产生推力的同时不会产生悬浮力，有助于电磁推进系统三维力的解耦设计。

第三，在车体偏移时，由于电机动子磁体左右两侧的定子线圈采用并联连接形式，那么磁体所受合力在磁体偏移工况下为自稳定的回复力，具有自稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于磁悬浮电磁推进系统的地面线圈，其特征在于，所述地面线圈包括依次首尾连接的第一导体边(10)、第二导体边(20)、第三导体边(30)、第四导体边(40)、第五导体边(50)和第六导体边(60)，所述第一导体边(10)与所述第二导体边(20)相对于所述地面线圈的中心线对称设置，所述第一导体边(10)与所述第二导体边(20)呈第一夹角设置，所述第四导体边(40)与所述第五导体边(50)相对于所述地面线圈的中心线对称设置，所述第四导体边(40)与所述第五导体边(50)呈第二夹角设置，所述第一夹角与所述第二夹角相等，所述第三导体边(30)和所述第六导体边(60)均为水平直线边；所述第一导体边(10)、所述第二导体边(20)、所述第四导体边(40)和所述第五导体边(50)中的任一导体边沿水平方向的投影距离c均可根据

来获取，其中，τ为极距，v为谐波的次数。

2.一种用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子，其特征在于，所述电机定子包括沿车体运动方向设置的多个电机定子段，各个所述电机定子段均包括固定在地面上且位于车体一侧的多个依次串联连接的第一定子线圈段(101)以及固定在地面上且位于车体另一侧的多个依次串联连接的第二定子线圈段(102)，所述电机定子为n相集中式绕组，所述第一定子线圈段(101)包括n个第一定子线圈，所述第二定子线圈段(102)包括n个第二定子线圈，所述第一定子线圈和所述第二定子线圈均为权利要求1所述的地面线圈，n个所述第一定子线圈与n个所述第二定子线圈依次并联连接。

3.一种用于磁悬浮电磁推进系统的直线电机，其特征在于，所述直线电机包括如权利要求2所述的用于磁悬浮电磁推进系统的电机定子。

4.根据权利要求3所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机包括第一动子线圈组(201)和第二动子线圈组(202)，所述第一动子线圈组(201)固定设置在车体的一侧且与多个所述第一定子线圈段(101)相对设置，所述第二动子线圈组(202)固定设置在车体的另一侧且与多个所述第二定子线圈段(102)相对设置。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于，所述第一动子线圈组(201)和第二动子线圈组(202)均包括超导线圈或halbach永磁体阵列。

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