CN114448202A - 一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构及磁浮列车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构及磁浮列车，所述长定子直线电机结构包括左右两侧相对设置的两个直线电机，每个所述直线电机包括定子和动子，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，沿轨道铺设，所述定子铁芯构造成每一对磁极下6槽，所述定子绕组构造成单层、单匝、整数槽、三相波绕组；所述动子与列车固结，由多个具有相同磁路的动子单元组成，所述动子单元包括动子铁芯和动子绕组，动子铁芯构造成每3对磁极下10槽，动子绕组构造成双层、多匝、分数槽、五相集中绕组。与现有直线电机结构相比，本发明的直线电机结构适用于双馈直线电机，在保证双馈电机动子电流相位和频率控制自由度的前提下，实现推力和悬浮力波动的有效抑制。
Description
技术领域
本发明属于直线电机技术领域，涉及一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构及磁浮列车。
背景技术
磁浮列车是一种非常有潜力的轨道交通工具，与传统轮轨系统不同，磁浮列车的车厢和轨道之间无接触，主要是利用直线电机产生的电磁力实现车轨之间的无接触悬浮和驱动，不存在轮轨之间的摩擦力，列车速度可达500km/h以上。
目前高速磁浮列车的直线电机类型主要是长定子电励磁直线同步电机技术路线。电励磁同步电机存在动子供电、车轨位置耦合等难点和不足。为此，申请发明专利(申请号：202110639986.7)“一种长定子双馈直线电机准同步供电控制方法”中提出动子和定子都采用交流励磁的长定子“双馈直线电机”，因为增加了动子电流相位和频率两个调节自由度，因此具有更好的电磁性能。并且可以有效解决动子供电和车轨间的位置耦合控制难题。
但是，上述专利中未提出磁浮列车用“双馈直线电机”电机结构设计方法，特别是，不同于一般应用场景，磁浮列车对于电机力学特性有特殊和严苛的标准，常规和已知的简单优化方法不能满足要求。
特别的，长定子直线电机的定子沿轨道铺设，其空间尺度是以公里计算，而且绕组施工基本都是现场绕制，所以定子结构有着严苛的设计约束条件。一般均采用极简的电磁拓扑，比如单匝、单层结构。再考虑到磁浮列车同时要求控制法向力和切向力，这就直接导致了电机动子拓扑和结构设计非常难。在已知的“长定子直线同步电机”设计中，采用了动子、定子不等极距的技术方案，虽然在平均输出能力上有所妥协，但是悬浮力波动幅度可以控制到2％以内的水平，而这个标准对于“长定子双馈直线电机”来说是一个巨大的技术挑战。
公开日为2019年8月30日，公开号为CN110190726A的中国专利申请，公开了动子、不等极距式双馈直线电机及其设计方法，该专利申请的双馈直线电机，采用动子与定子不等极距的结构，削减了由双馈直线电机双边开槽结构所导致的推力波动，但是不等极距的结构复杂，且推力波动削弱效果有限，不具有普适性。
有关文献(DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L70304)介绍了通过采用多相电机可有效降低旋转电机的转矩脉动的技术手段；有关文献(DOI:10.1109/IECON.2011.6119910)也介绍了不同极槽配合和多相电机在降低转矩脉动方面的技术效果。但是，上述介绍和已知文献主要是针对旋转电机而言，并且未涉及双馈电机设计。针对高速磁浮应用的长定子双馈直线电机与已知技术相比有两个主要技术难点：(1)磁浮应用的长定子要求极简的定子结构形式，电磁设计远比通常讨论的感应电机或永磁同步电机励磁要苛刻；(2)双馈直线电机的定子、动子都有开槽铁芯，由此带来的类双凸极效应直接影响推力和悬浮力波动。
已知技术中尚未见针对上述问题的有效技术措施。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构及磁浮列车，通过采用多相、分数槽等技术手段，在保证平均力学特性的前提下，可以有效抑制悬浮力、推力波动。本发明针对面向磁浮应用的双馈直线电机提出一种有效的多相极槽配合方式，在允许的工程约束条件下，达成所需的输出性能提升优化。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构，包括左右两侧对称设置的两个直线电机，所述直线电机包括定子和动子，所述定子至少包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯构造成每一对磁极下6槽，所述定子绕组构造成单层、单匝、整数槽、三相波绕组；所述动子由多个具有相同磁路的动子单元组成，所述动子单元至少包括动子铁芯和动子绕组，所述动子铁芯构造成每3对磁极下10槽，所述动子绕组构造成双层、多匝、分数槽、五相集中绕组。
进一步地，所述定子和所述动子的极距相等或者不相等。
进一步地，所述动子铁芯具有不等宽齿宽和槽开口。
进一步地，所述动子铁芯和定子铁芯为沿轴向布置的硅钢片层叠而成。
进一步地，所述动子铁芯和定子铁芯由软磁材料铸造而成。
进一步地，所述定子铁芯构造成直槽结构，所述动子铁芯构造成斜槽结构，并且左右两侧动子铁芯的斜槽方向相反。
进一步地，所述动子铁芯有效宽度大于定子铁芯有效宽度，左右两侧的所述定子和动子仅同时在内侧或外侧对齐。
进一步地，左右两侧所述动子铁心的相对位置的斜槽呈“V”型。
进一步地，左右两侧所述动子铁心的相对位置的斜槽呈倒“V”型。
本发明还提供一种磁浮列车，包括如上所述的长定子直线电机结构，所述定子沿轨道铺设，所述动子与列车固结。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、双馈直线电机的定子和动子均需构造出齿形结构，本质上是一种双凸极结构，由齿槽效应引起的推力和悬浮力脉动的削弱是难点。而磁浮列车应用又要求在定子电磁结构保持极简拓扑结构的前提下，悬浮力脉动控制在极低幅度(2％)内。本发明动子组合采用分数槽、多相结构，最大程度优化极槽配合，有效避免了定子和动子齿槽效应引起的力学波动。
2、本发明进一步提出，动子铁芯为不等宽齿宽和槽开口设计，这有如下有益效果：首先是可以通过调整槽开口可调整槽满率，改进动子的机械和热力学特性，比如可以改进动子刚度和散热性能；其次，因为动、定子槽数不等，调整齿和槽开口宽度可以对电磁力的波动特性做进一步优化，比如调整电磁力波动的阶次分布等。
3、本发明进一步提出，左、右动子采用对称的斜槽，在正常运行时左右直线电机产生的轴向电磁力平衡，不影响直线电机的运行；因为左右直线电机定、动子仅在内侧或外侧对齐，当发生侧偏时，左右电机有效轴向宽度不等，原本平衡的轴向电磁力分量不再平衡并产生与轴向偏移成比例的回正力分量，使动子始终沿设计轴线运行，提高了磁悬浮系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的直线电机结构示意图；
图2为本发明定子结构示意图；(2a)为定子铁芯示意图，(2b)为波绕组展开图；
图3为本发明动子结构示意图；(3a)为整体示意图，(3b)为爆炸图，(3c)为72°相带划分的集中绕组展开图，(3d)为36°相带划分的集中绕组展开图；
图4为10槽6极的有限元分析结果；(4a)为推力波动曲线，(4b)为悬浮力波动曲线；
图5为本发明两侧直线电机定子和动子外侧对齐的轴向偏移情况；(5a)不偏移，(5b)左侧偏移，(5c)右侧偏移；
图6为本发明两侧直线电机定子和动子内侧对齐的轴向偏移情况；(6a)不偏移，(6b)左侧偏移，(6c)右侧偏移。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
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定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构，直线电机结构应用于磁浮列车中时，依靠切向电磁力推进，依靠法向电磁力悬浮，且定子和动子之间的气隙长度可变，如通过控制法向电磁力实现气隙长度的闭环调节，保证动子的悬浮运行。
本发明包括左右两侧对称设置的两个直线电机，直线电机包括定子和动子，定子沿轨道铺设，至少包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯构造成每一对磁极下6槽，定子绕组构造成单层、单匝、整数槽、三相波绕组；动子与列车固结，由多个具有相同磁路的动子单元组成，动子单元至少包括动子铁芯和动子绕组，动子铁芯构造成每3对磁极下10槽，动子绕组构造成双层、多匝、分数槽、五相集中绕组。
具体实施中，上述定子和所述动子的极距可不相等，动子铁芯具有不等宽齿宽和槽开口，动子铁芯和定子铁芯可选为沿轴向布置的硅钢片层叠而成，或由软磁材料铸造而成。
进一步地，所述定子铁芯构造成直槽结构，所述动子铁芯构造成斜槽结构，并且左右两侧动子铁芯的斜槽方向相反，所述动子铁芯有效宽度大于定子铁芯有效宽度，左右两侧的所述定子和动子仅同时在内侧或外侧对齐。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构，包括左右两侧相对设置的两个直线电机。图中示意性表示了十二槽四极的定子1和五槽三极的动子2。
如图2所示，定子1的一对极下为六槽、单层、单匝、整数槽、波绕组结构。定子1包括定子铁芯，该定子铁芯开有圆底开口槽101，该开口槽101中嵌入单层波绕组102。极矩为258mm，齿宽43mm。
如图3所示，动子2的每个单元电机为10槽6极结构、双层、多匝、分数槽、集中绕组结构。绕组采用五相星形连接，匝数为270匝，极矩也为258mm，齿宽77.4mm。绕组可以采用72°相带或36°相带的划分方式。图3c所示为72°相带划分的绕组展开图，图3d所示为36°相带划分的绕组展开图。
图4给出了10槽6极动子与6槽2极定子构成的直线电机推力波动仿真结果。
下表给出了本发明电机结构相较其他设计方案在力学特性上的优势。
表1：不同结构直线电机的力学特性对比
表1中，定子设计相同，均为2极6槽设计，TR08为不等极距直线同步电机；对比1～6均为双馈直线电机。动子参数均为单元电机极槽数。表中结果均为有限元仿真结果。
对比其他极槽配合，本发明给出的设计在推力波动上可以提高近1倍，在悬浮力波动上可以提高近4倍，在保证双馈电机优势的前提下，基本达到了不等极矩长定子直线电机的力学特性，可以有效解决双馈直线电机磁浮应用力波动的瓶颈问题。
实施例2
参照实施例1的极槽设计。
动子2包括动子铁芯，该动子铁芯开有斜槽202，斜槽202中布置有双层集中绕组201。左右两侧动子铁芯的相对位置的斜槽可以呈“V”型，如图5所示，也可以呈倒“V”型，如图6所示。在正常运行工况下，左、右两侧轴向力大小相等，方向相反；当动子发生轴向偏移时，原本平衡的轴向电磁力分量不再平衡并产生与轴向偏移成比例的回正力分量，使动子始终沿设计轴线运行。
图5为定子和动子外侧对齐的轴向偏移情况。采用外侧对齐，左右两侧动子铁芯的相对位置的斜槽呈“V”型，左侧直线电机由于斜槽产生的轴向力向右，右侧直线电机由于斜槽产生的轴向力向左。
图5a为没有轴向偏移的情况，此时左侧直线电机产生的轴向力F左和右侧直线电机产生的轴向力F右大小相等，方向相反。
图5b所示为动子向左发生偏移时的受力情况。此时，左侧直线电机动子原本外侧与定子对齐，内侧超出定子，动子左偏一定范围之内左侧直线电机都会保持动子和定子之间的有效作用面积不变；与之相反，右侧动、定子原本就在外侧对齐，随着动子向左偏移，动子外沿向左偏离定子外沿，右侧直线电机动子与定子的有效作用面积必然减少。此时，右侧产生的轴向力F右小于左侧产生的轴向力F左，进而会有一个大小为(F左-F右)，方向向右的轴向合力来纠正左偏。
图5c为向右发生偏移时的受力情况，此时左侧直线电机动子的有效作用面积小于右侧直线电机动子的有效作用面积，右侧产生的轴向力F右大于左侧产生的轴向力F左。此时会有一个大小为(F右-F左)，方向向左的轴向合力来纠正右偏。
图6为定子和动子内侧对齐的轴向偏移情况。采用内侧对齐，左右两侧动子铁芯的相对位置的斜槽呈倒“V”型，左侧直线电机由于斜槽产生的的轴向力向左，右侧直线电机由于斜槽产生的轴向力向右。
图6a为没有轴向偏移的情况，此时左侧直线电机产生的轴向力F左和右侧直线电机产生的轴向力F右大小相等，方向相反。
图6b为向左发生偏移时的受力情况，
此时，右侧直线电机动子原本外侧超出定子，内侧与定子对齐，动子左偏一定范围之内都会保持右侧直线电机动子和定子之间的有效作用面积不变；与之相反，左侧动、定子原本就在内侧对齐，随着动子向左偏移，动子外沿向左偏离定子内沿，右侧直线电机动子与定子的有效作用面积必然减少。此时左侧直线电机动子的有效作用面积小于右侧直线电机动子的有效作用面积，右侧产生的轴向力F右大于左侧产生的轴向力F左。这样会有一个大小为(F右-F左)，方向向右的轴向合力来纠正左偏。
图6c为向右发生偏移时的受力情况，此时左侧直线电机动子的有效作用面积大于右侧直线电机动子的有效作用面积，右侧产生的轴向力F右小于左侧产生的轴向力F左。这样会有一个大小为(F左-F右)，方向向左的轴向合力来纠正右偏。
上述直线电机结构能在动子铁芯发生轴向偏移时提供轴向回正力，提高了直线电机用于磁浮列车的可靠性。
实施例3
本实施例提供一种磁浮列车，包括如实施例1或实施例2所述的长定子直线电机结构，其中，所述定子沿轨道铺设，所述动子与列车固结。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，包括左右两侧对称设置的两个直线电机，每个所述直线电机包括定子和动子，
所述定子至少包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯构造成每一对磁极下6槽，所述定子绕组构造成单层、单匝、整数槽、三相波绕组；
所述动子由多个具有相同磁路的动子单元组成，所述动子单元至少包括动子铁芯和动子绕组，所述动子铁芯构造成每3对磁极下10槽，所述动子绕组构造成双层、多匝、分数槽、五相集中绕组。
2.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，所述定子和所述动子的极距相等。
3.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，所述定子和所述动子的极距不相等。
4.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，所述动子铁芯具有不等宽齿宽和槽开口。
5.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，所述动子铁芯和定子铁芯为沿轴向布置的硅钢片层叠而成。
6.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，所述动子铁芯和定子铁芯由软磁材料铸造而成。
7.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，所述定子铁芯构造成直槽结构，所述动子铁芯构造成斜槽结构，并且左右两侧动子铁芯的斜槽方向相反，所述动子铁芯有效宽度大于定子铁芯有效宽度，左右两侧的所述定子和动子仅同时在内侧或外侧对齐。
8.根据权利要求7所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，左右两侧所述动子铁心的相对位置的斜槽呈“V”型。
9.根据权利要求7所述的用于磁浮列车的长定子直线电机结构，其特征在于，左右两侧所述动子铁心的相对位置的斜槽呈倒“V”型。
10.一种磁浮列车，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的长定子直线电机结构，所述定子沿轨道铺设，所述动子与列车固结。
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| CN212752097U (zh) * | 2020-07-24 | 2021-03-19 | 苏州英磁新能源科技有限公司 | 磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机 |
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2022
- 2022-01-25 CN CN202210086663.4A patent/CN114448202B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114448202B (zh) | 2024-01-26 |
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