CN115189545A - 悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机 - Google Patents

悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁悬浮技术领域，具体提供了一种悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，所述电机包括沿所述电机所处的目标安装部件的移动方向对立排列的初级组件和次级组件，所述初级组件包括初级铁心(1)、初级电枢绕组(2)和第一非导磁固定架(51)；所述次级组件包括次级背板(3)、次级感应结构(4)和第二非导磁固定架(52)；其中，所述初级组件和所述次级组件之间具有气隙(6)。该悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机结构简单，导磁性能好，节省材料，造价低，在实现牵引前提下，可以提供自稳定悬浮和导向，实现了牵引、悬浮和导向功能的一体化。

Description

悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机
技术领域
本发明属于磁悬浮技术领域，涉及一种悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机。
背景技术
由于磁悬浮列车具有安全性/可靠性高、环保性好、转弯半径小、线路适应能力强等方面的优点，在轨道交通领域的应用得到了迅速的发展，具有广阔的应用前景。磁悬浮列车的牵引、悬浮和导向功能是磁悬浮列车的磁悬浮系统的关键环节。目前，中低速磁悬浮列车是通过直线感应电机完成对列车的牵引功能，采用F轨和悬浮电磁铁之间的配合来实现对列车的悬浮和导向功能。
采用直线感应电机驱动的磁悬浮系统中，虽然实现了磁悬浮列车的牵引、悬浮和导向功能，但是牵引和悬浮导向需要两个设备来完成，即需要通过直线感应电机和悬浮电磁铁实现悬浮与导向功能，无法通过一台电机完成对磁悬浮系统的牵引、悬浮和导向功能。这便使得该种磁悬浮系统存在结构复杂、造价高以及与磁悬浮系统相关的设备的安装难度增大的缺陷。
相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
技术问题
为了至少在一定程度地解决上述技术问题，提出本发明。基于本发明的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，可以实现对磁悬浮列车的牵引、悬浮和导向功能一体化。
技术方案
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，所述电机包括沿所述电机所处的目标安装部件的移动方向对立排列的初级组件和次级组件，所述初级组件包括初级铁心、初级电枢绕组和第一非导磁固定架，所述初级电枢绕组设置于所述初级铁心，所述初级电枢绕组通过所述第一非导磁固定架固定；所述次级组件包括次级背板、次级感应板和第二非导磁固定架，所述次级感应板设置于所述次级背板靠近初级组件的一侧，所述次级背板通过所述第二非导磁固定架固定；其中，所述初级组件封装于电枢隔磁块中，所述电枢隔磁块通过电枢背板安装在所述目标安装补部件，所述次级组件铺设在允许所述目标安装部件移动的轨道上；其中，所述初级组件和所述次级组件之间具有气隙。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述初级铁心的横截面为E型。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述次级背板的横截面为U型。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述电枢隔磁块由环氧树脂构成。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述次级感应结构为板状结构或者栅状结构。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述次级感应结构的材质为铝。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述初级铁心和次级背板由硅钢片叠压而成。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述初级组件和/或所述次级组件以可移动的方式设置于所述电机。
对于上述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，在一种可能的实施方式中，所述电机配置有调节绕组，所述调节绕组设置于初级铁心和/或次级背板。
根据应用场景或安装空间需求，调节绕组可以安装在初级铁心的铁轭或两侧的铁齿部分，也可以安装在次级背板的铁齿部分。
本发明的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，采用由硅钢片叠压而成的U型次级背板，导磁性能好，不易饱和，次级背板既实现了直线感应电机的牵引，还实现了悬浮导向自稳定，节省了材料。牵引和悬浮与导向由一个电磁设备完成，在实现牵引的前提下，可以提供自稳定的悬浮与导向。当应用至磁悬浮列车等场景时可以实现牵引、悬浮和导向功能的一体化，并具有结构简单、造价低、能耗小、可靠性好、运行效率高的优点。具体而言：
1)牵引功能：采用三相交流电供电的初级电枢绕组产生的行波磁场和次级感应板中的感应电流相互作用，产生牵引力。在次级组件保持固定时，初级组件会沿着行波磁场的方向做直线运动，反之则次级组件做直线运动。
2)悬浮功能：初级铁心和U型次级背板在直线感应电机的气隙磁场的作用下相互吸引，提供悬浮力，在磁悬浮列车中应用能够无摩擦地悬浮运动。
3)导向功能：在电机由于外界干扰或者其他因素发生横向偏移时，依据磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，相互对立放置的初级铁心(E型)和U型次级背板之间将产生与横向偏移的方向相反的横向吸引力，该吸引力作为导向力使得初级铁心和/或次级背板回到初始对齐位置。该电机可以实现导向自稳定。
需要说明的是，可以通过增加初级铁心或者次级背板的横截面积来增加悬浮力，不过这将不可避免的增加磁悬浮系统的成本和重量。
需要说明的是为了保证电机能够安全稳定地运行，需要对悬浮力和导向力进行调节，因此，还需要采用闭环控制系统对初级电枢绕组的电流进行控制。
需要说明的是，其中的初级铁心、次级背板和次级感应板可以采用不同的长度和宽度。
优选地，初级铁心的中间铁齿的宽度为两侧铁齿的宽度的两倍左右。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的直线感应电机。附图中：
图1为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的结构示意图；
图2为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机初级组件的结构示意图；
图3为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机次级组件的结构示意图；
图4为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机在磁悬浮列车中的安装示意图；
图5为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的悬浮功能的原理示意图；
图6为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的导向功能的原理示意图；
图7为本发明第二种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的结构示意图；以及
图8为本发明第三种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节，本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的磁悬浮列车的原理等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参照图1和图6，参照图1至图6，图1为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的结构示意图，图2为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机初级组件的结构示意图，图3为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机次级组件的结构示意图，图4为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机在磁悬浮列车中的安装示意图，图5为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的悬浮功能的原理示意图，图6为本发明一种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的导向功能的原理示意图。
主要如图1所示，为了方便分析，仅仅展示电机的部分结构。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，电机的长度不局限于此。电机的初级组件主要包括向下开口的、横截面为E型的初级铁心1，该初级铁心1由硅钢片叠压而成，初级铁心1的中间铁齿上绕有三相交流电供电的初级电枢绕组2，初级铁心通过第一非导磁固定架51固定。电机的次级组件主要包括向上开口的、横截面为U型的次级背板3以及安装在次级背板3内的次级感应结构4，其中，次级感应结构可以为板状结构或者栅状结构。在本示例中，次级背板3采用硅钢片叠压而成并通过第二非导磁固定架52固定在一起，次级感应结构为板状结构(下文称作次级感应板)，次级感应板为铝板。初级铁心1和次级背板3的铁齿之间具有气隙6。三相交流电供电的初级电枢绕组和次级感应板之间产生的感应电流相互作用产生牵引力，驱动电机做直线运动，运动方向如图1中的箭头d所示。初级铁心1和和次级背板3在电机的气隙磁场的相互作用下产生吸引力，为电机提供悬浮力，形成悬浮的气隙，使得电机可以实现无摩擦的直线运动。在初级组件和次级组件之间由于如振动、弯道行驶等外界因素的干扰发生横向偏移时，初级铁心1和次级背板3之间将产生与横向偏移方向相反的吸引力，该吸引力可使得电机的初级组件和/或者次级组件回到初始的对齐位置，完成导向功能。
主要如图2所示，在一种可能的实施方式中，电机的初级组件中，初级铁心1采用U型和方型的硅钢片叠压而成，初级电枢绕组2绕在E型的初级铁心1的中间的铁齿上，初级电枢绕组绕组采用分布绕组，通过三相交流电依次供电。本示例中，初级铁心1通过3个第一非导磁固定架51固定在一起。
主要如图3所示，在一种可能的实施方式中，次级组件中的次级背板3采用U型硅钢片叠压而成，次级感应板安装在次级背板3的内部(图中U型结构的中部区域的上表面)，材料为铝。次级组件通过U型结构的次级背板两侧的两个第二非导磁固定架52固定。可选地，次级感应板也可以是栅型。
主要如图4所示，在一种可能的实施方式中，当所述电机应用在磁悬浮列车时，电机初级组件封装于由环氧树脂组成的电枢隔磁块11中，并安装在磁悬浮列车的车厢7底部的转向架8上，次级背板3直接铺设在由塔架支柱9支撑的T形截面的横向轨道10上。三相交流电供电的初级电枢绕组与横向导轨上的次级感应板中的感应电流相互作用可以产生驱动磁悬浮列车的车体运动的牵引力，在气隙磁场的作用下，初级组件和次级组件相互作用为磁悬浮列车的磁悬浮系统提供悬浮力和导向力。
为了简化分析此处仅考虑次级组件和初级组件对中的情况。主要如图5所示，向下开口的初级铁心1与向上开口的次级背板3在空间上对立放置，铁齿之间相互对齐。初级电枢绕组2中三相交流电产生的行波磁场和次级感应板之间产生的感应电流相互作用，产生悬浮力Fz，使得电机可以悬浮运动。初级组件和次级组件之间形成的磁通路径为M。参照前述的图2和图3可以看出，可以通过增加初级铁心和次级背板的端部横截面积来增大悬浮力，不过这便会相应地将增加电机的重量，本领域技术人员可以根据实际需求合理地选择。
为了简化分析该悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的导向功能，仅展示出初级组件相对于横向导轨上的次级组件发生向右的横向偏移。主要如图6所示，根据磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合原理，当电机的初级组价和次级组件发生相对横向偏移时，相互对立放置的初级铁心和次级背板之间的磁阻增大，此时初级组件和次级组件之间将产生与横向偏移方向相反的合力F，该合力F将拉动电机的初级组件回到与的次级组件对齐的初始对齐位置，初级组件在位置恢复的过程中，初级铁心和次级背板之间的磁阻不断减小，当初级铁心移动到磁阻最小的位置时，初级铁心的中心轴线将与次级组件/次级背板的中心轴线重合，即初级组件和次级组件之间恢复彼此对齐的相对位位置。在初级铁心相对于次级背板发生向右的横向偏移时，与上述原理相同，初级组件和次级组件也能够回到初始对齐位置，这样一来，电机便可实现自稳定的导向功能。
参照图7，图7为本发明第二种实施例所述悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的结构示意图。如图7所示，与图1所示的实施例相同，电机的初级组件包括向下开口的、横截面为E型的初级铁心1，该初级铁心1由硅钢片叠压而成，初级铁心的中间铁齿上绕有初级电枢绕组2，初级铁心通过第一非导磁固定架51固定。电机的次级组件与第一实施例有所不同，次级组件包括向上开口的、横截面为U型的次级背板3以及安装在次级背板3内部的次级感应板，其中，次级背板采用硅钢片叠压而成，次级感应板采用铝板，次级背板通过第二非导磁固定架52固定在一起。次级背板3两侧的铁齿上还绕有调节绕组31，该调节绕组为集中绕组的形式(绕组利用率较高)并采用直流电供电，该调节绕组可以对电机的悬浮力和导向力进行调节。初级铁心和次级背板的铁齿之间具有气隙6。该实施例的布置形式和图1所述的实施例的绕布形式在电机实现集牵引、悬浮和导向功能一体化上是等效的。不过，在本实施例中，具有更强的悬浮和导向调节能力。
具体而言，电机在运动过程中由于通过弯道或者振动使得初级组件和次级组件之间发生相对横向偏移时，当该横向偏移不能及时消除使得电机恢复正常的运行状态时，可以通过闭环控制系统改变调节绕组31的电流从而完成该电机的导向功能，从而做到快速响应消除外界干扰，实现电机的自稳定导向功能。以及当电机的悬浮力的气隙6变化较大时，可以通过闭环控制系统改变调节绕组的电流来调节气隙，实现电机的稳定运行。可以看出，这种调节绕组的布置方式增大了悬浮功能和导向功能的调节范围，增强了电机的抗干扰能力。
参照图8，图8为本发明第三种实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机的结构示意图。如图8所示，根据不同的应用场景以及当初级或次级有安装空间要求时，调节绕组31可以绕在初级E型铁心的两侧铁齿上。图8所述电机的牵引、悬浮与导向原理与图7是一致的，只是调节绕组31的安装位置不同，其作用与图7中的调节绕组功能是一样的。
综上所述，本发明实施例所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，可应用在磁悬浮领域，为如磁悬浮列车等目标安装部件运行提供牵引力、悬浮力和导向力，实现了牵引、悬浮和导向功能的一体化。该电机具有结构简单、导磁性能好、节省材料、造价低等优势，将其应用至磁悬浮列车时可降低磁悬浮列车成本，提升磁浮列车的可靠性和运行效率，增加磁浮列车抗干扰能力，有效降低磁悬浮列车的重量。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述电机包括沿所述电机所处的目标安装部件的移动方向对立排列的初级组件和次级组件，
所述初级组件包括初级铁心(1)、初级电枢绕组(2)和第一非导磁固定架(51)，所述初级电枢绕组(2)设置于所述初级铁心(1)，所述初级电枢绕组(2)通过所述第一非导磁固定架(51)固定；
所述次级组件包括次级背板(3)、次级感应结构(4)和第二非导磁固定架(52)，所述次级感应结构(4)设置于所述次级背板(3)靠近初级组件的一侧，所述次级背板(3)通过所述第二非导磁固定架(52)固定；
其中，所述初级组件封装于电枢隔磁块(11)中，所述电枢隔磁块(11)通过电枢背板安装在所述目标安装补部件，所述次级组件铺设在允许所述目标安装部件移动的轨道上；
其中，所述初级组件和所述次级组件之间具有气隙(6)。
2.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述初级铁心(1)的横截面为E型。
3.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述次级背板(3)的横截面为U型。
4.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述电枢隔磁块(11)由环氧树脂构成。
5.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述次级感应结构(4)为板状结构或者栅状结构。
6.根据权利要求5所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述次级感应结构的材质为铝。
7.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述初级铁心(1)和/或次级背板(3)由硅钢片叠压而成。
8.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述初级组件和/或所述次级组件以可移动的方式设置于所述电机。
9.根据权利要求1所述的悬浮与导向自稳定的增强型直线感应电机，其特征在于，所述电机配置有调节绕组(31)，所述调节绕组(31)设置于初级铁心(1)和/或次级背板(3)。
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