CN116982249A - 长定子直线电机 - Google Patents

Abstract

一种直线电机(1)，包括定子(3)和驱动系统，所述定子包括多个定子段(3a、3b、……3n)，所述驱动系统包括至少一个驱动单元对(4)，所述对中的第一驱动单元(4a)连接到第一定子段(3a)，所述对中的第二驱动单元(4b)连接到与所述第一定子段相邻的第二定子段(3b)，所述驱动单元(4a、4b)连接到直流电压源(6)，每个驱动单元包括直流输入电路部分(14)以及经由所述直流输入部分连接到所述直流电压源的多电平逆变器(7)，所述多电平逆变器包括连接到对应定子段的线圈(5)的多相输出(10)。所述驱动单元的所述直流电路部分包括至少两个连接电容器(C1、C2)，所述至少两个连接电容器连接在正电压电源线(V+)与负电压电源线(V‑)之间并且在两者之间具有中点(8)。所述第一多电平逆变器(7a)的所述中点经由桥连接(9)连接到所述第二多电平逆变器(7b)的中点，使得所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器的所述中点共电位。所述第一多电平逆变器的所述驱动电路连接端(12)邻近所述第二多电平逆变器(7b)的所述驱动电路连接端布置，或者第一定子段(3a)的线圈(5)的星形连接端邻近第二定子段(3b)的星形连接端(11)布置。

Description

长定子直线电机

技术领域

本发明涉及一种具有长定子和短移动对应物的直线电机(linear electricmotor)，尤其用于沿包括磁悬浮轨道在内的轨道驱动列车、有轨电车和其他车辆。

背景技术

与短定子直线电机相比，长定子直线电机的阻抗更高，这会在驱动系统的设计方面产生各种技术问题。高阻抗定子需要高压电力电子变换器来提供高无功功率，具有效率低下且制造成本增高的缺点。长度远远小于定子的移动电机元件的驱动系统的效率非常低，因为只有移动电机元件覆盖的定子部分能够产生推力(thrust)。

为了提高驱动系统的性能，例如用于沿轨道驱动列车等车辆，已知将直线电机的长定子分成长度与移动元件相当(例如，1到3倍)的段。段的长度取决于运行参数，例如速度、运行频率、所需推力和加速度。

每个段由电源逆变器供电。通常，为了降低系统的成本，逆变器的数量少于段的数量。随着车辆的运动，驱动逆变器被切换到适当的段。然而，为了避免电力传输出现缺口，在车辆从一个段移动到另一个段期间，当移动电机元件从一个段移动到连续段时，至少使用两个逆变器来为移动电机元件接合的两个连续段供电。

与更常见的两电平逆变器相比，多电平功率逆变器在电动驱动应用方面具有许多优势。这些优势包括：定子电流的低高次谐波含量、较高的效率、对晶体管阻断电压的较低要求、较好的损耗分布以及对交流输出滤波器的较低要求。中性点钳位(NPC)逆变器是多电平逆变器在大功率应用中最广泛使用的拓扑。在三电平拓扑中，输入直流电路分为两个部分，其中，中性点(NP)位于两个连接电容器之间。逆变器的最佳性能在直流电路中的电压平衡时实现。然而，变换器在高无功负载的情况下运行时，电压平衡问题变得更具挑战性，就像在长定子电机中所发现的那样。已知存在各种保持直流电压平衡的技术，这些技术可以分为两类。第一类包括专用的调制算法，第二类包括额外的硬件设备。调制方法的缺点在于，它们的有效运行范围有限，尤其是在高输出电压下运行时不是很有效。使用额外的硬件来平衡直流电压的缺点在于，这会增加系统的复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直线电机，用于需要长定子和短移动对应物的应用，例如用于沿轨道驱动列车、有轨电车和其他车辆，其具有成本效益并且能够高效地产生高功率。

提供一种易于驱动的直线电机是有利的。

提供一种安装和操作简单的直线电机是有利的。

提供一种稳健可靠的直线电机是有利的。

本发明的目的通过提供用于根据权利要求1所述的直线电机的定子来实现。

本文公开了一种直线电机，包括定子和驱动系统，所述定子包括多个定子段，所述驱动系统包括至少一个驱动单元对，所述对中的第一驱动单元连接到第一定子段，所述对中的第二驱动单元连接到与所述第一定子段相邻的第二定子段。所述驱动单元连接到直流电压源，每个驱动单元包括直流输入电路部分和多电平逆变器，所述多电平逆变器经由所述直流输入部分连接到所述直流电压源，所述多电平逆变器包括多相输出，所述多相输出连接到对应定子段的线圈。所述驱动单元的所述直流电路部分包括至少两个连接电容器，所述至少两个连接电容器连接在正电压电源线(V+)与负电压电源线(V-)之间并且在两者之间具有中点。所述第一多电平逆变器的所述中点经由桥连接连接到所述第二多电平逆变器的所述中点，使得所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器的所述中点共电位。连接到所述第一多电平逆变器的所述第一定子段的所述线圈的驱动电路连接端被布置得邻近连接到所述第二多电平逆变器的所述第二定子段的所述线圈的驱动电路连接端，或者所述第一定子段的所述线圈的星形连接端被布置得邻近所述第二定子段的所述线圈的星形连接端。

在一优选实施例中，每个定子段包括三相线圈装置。

在一优选实施例中，所述第一驱动单元连接到多个连续奇数定子段，所述第二驱动单元连接到多个偶数定子段，所述奇数定子段和所述偶数定子段相互交错，所述定子段经由开关连接到对应驱动器，所述开关根据移动电机元件从一个定子段到下一个定子段的通道连接和断开。

在一优选实施例中，所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器是三电平逆变器。

在另一些实施例中，所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器可以是具有多于三个电平(例如，五个电平)的逆变器。

在一优选实施例中，所述直线电驱动系统包括多个(n个)所述驱动单元对。

在一优选实施例中，所述的多个(n个)驱动单元对是三个或更多个。

在一优选实施例中，所述驱动系统被配置为控制至少一个多电平逆变器作为外部平衡器，以补偿产生推力的至少一个有源多电平逆变器对(pair of active multi-levelinverters)的直流输入部分中的电压振荡。

在一实施例中，每个定子段的长度Ls大于所述直线电机的移动电机元件的长度Lm。

在另一实施例中，每个定子段的长度Ls小于所述直线电机的移动电机元件的长度Lm。特别地，所述直线电机的所述移动电机元件的所述长度Lm可以大于每个定子段的所述长度Ls的两倍。

附图说明

本发明的其他目的和有利特征将从权利要求、具体实施方式和附图中变得显而易见，其中：

图1是长定子的一部分的现有技术电路的示意图，示出了两个连续的定子段和两个三电平逆变器驱动器，每个定子段连接到三电平逆变器驱动器中的一个；

图2示出了图1的驱动器的两个逆变器的直流电路部分中连接电容器两端的输出电流和电压波动随时间的曲线图；

图3a和图3b各自示出了根据本发明实施例的长定子的一部分的电路图，示出了两个连续的定子段，每个定子段连接到一对三电平逆变器驱动器中的一个；

图4示出了根据本发明实施例的图3a和图3b的驱动器的两个逆变器的直流电路部分中连接电容器两端的输出电流和电压波动随时间的曲线图；

图5示出了长定子的一部分的电路图，示出了多个连续的定子段，每个定子段连接到一对三电平逆变器驱动器，其结构类似于图3a和图3b；

图5a示出了图5的实施例的连续定子段的切换序列的曲线图；

图5b示出了图5的驱动器的逆变器的直流电路部分中连接电容器两端的输出电流和电压波动随时间的曲线图；

图6a和图5b各自示出了根据本发明实施例的长定子的一部分的电路图，示出了两个连续的定子段，每个定子段连接到一对驱动器中的多电平逆变器驱动器，每个驱动器具有多于三个电平，例如5电平逆变器驱动器或7电平逆变器驱动器；

图7示出了根据本发明实施例的图6a和图6b的驱动器的逆变器的直流电路部分中连接电容器两端的输出电流和电压波动随时间的曲线图；

图8示出了根据本发明实施例的长定子的一部分的电路图，示出了多个连续的定子段和多对(n对)多电平逆变器驱动器，每个定子段连接到多对多电平逆变器驱动器中的一对多电平逆变器驱动器中的一个多电平逆变器驱动器，结合示出了连续定子段的切换序列的曲线图，由此存在多个多电平逆变器驱动器。

具体实施方式

参考附图，从图1和图2开始，示出了传统电机1’的电路原理图。直线电机1’包括定子3’，该定子3’具有连接到多电平逆变器7’的多个定子段3a’、3b’等(其他段未示出)，第一多电平逆变器7a’连接到第一定子段3a’，第二多电平逆变器7b’连接到第二定子段3b’。定子3’的驱动单元4’包括至少两个多电平逆变器7’，其中包括第一多电平逆变器7a’和第二多电平逆变器7b’。第一多电平逆变器和第二多电平逆变器是相同的，其中每一个分别连接到单独的定子段3a’、3b’。多电平逆变器7a’、7b’中的每一个可以经由开关连接到多个定子段(未示出)，使得随着直线电机的移动电机元件2’沿直线电机的长定子前进而推进，一个多电平逆变器7’可以用于连续驱动连续的定子段。

在图1所示的传统系统中，定子段是连续布置的，基本上是相同的，并且全部以相同的方式定向。

参考图2，示出了传统定子的三相中每一相的第一逆变器和第二逆变器的输出电流。当电机移动元件沿定子段驱动时，无功功率会引起连接电容器C1’、C2’中的每一个的电压振荡。尽管总直流电压是恒定的，但是直流连接电容器C1’、C2’两端的电压振荡会降低输出电流的质量，从而减少推力，并导致直流电路电压范围的有效利用率降低。

现在参考图3和图4，示出了克服传统直线驱动系统的上述缺点的本发明实施例。直线电机1包括定子3，该定子3具有连接到多电平逆变器7的多个定子段3a、3b，第一多电平逆变器7a连接到第一定子段3a，第二多电平逆变器7b连接到第二定子段3b。

定子3的驱动单元4包括至少两个多电平逆变器7，其中包括第一多电平逆变器7a和第二多电平逆变器7b。第一多电平逆变器和第二多电平逆变器分别连接到单独的定子段3a、3b。多电平逆变器7a、7b中的每一个经由开关连接到多个定子段，使得随着直线电机的移动电机元件2沿定子前进而推进，第一多电平逆变器7a用于驱动连续的奇数定子段，第二多电平逆变器7b用于驱动连续的偶数定子段。

例如，移动电机元件可以包括安装在列车机车、或起重机元件、机器人或具有直线长定子和沿其驱动的相对较短的移动电机元件的任何其他机械上的永磁体或电磁体。

根据本发明，第一多电平逆变器7a和第二多电平逆变器7b的直流连接电容器C1和C2之间的中点8通过中点桥连接9互连。第一多电平逆变器7a和第二多电平逆变器7b的正电压电源线V+和负电压电源线V-也连接在一起。

逆变器的多相输出10连接到每个定子段3a、3b中的绕组或线圈5。多相驱动器(在该示例中为三相驱动器)的线圈5的另一端包括三个线圈，这些线圈在其末端处以本领域本身公知的星形连接连接。然而，在本发明中，定子绕组5以交替方式连接，使得相邻定子段3的绕组3的连接被布置为形成相反的结构，如图3a和图3b中最佳呈现的。因此，从两个不同的逆变器7a、7b提供的连续定子段3a、3b以镜像对称方式彼此相邻地布置，如图3a所示的具有输入端子12(在本文中也称为驱动连接端12)的侧面彼此相邻地布置，或者如图3b所示的星形连接端彼此相邻地布置。然后，如图5所示，在具有多个段的长定子中可以找到这些相反的布置。当移动电机元件9从一个定子3a连续移动到下一个相邻定子3b时，该相反的布置会导致在相邻定子段3a、3b中产生具有相反符号(相反方向)的电压的无功功率，使得电压振荡至少部分地相互抵消，从而减少功率损耗并提高效率。

本发明实施例的电路结构具有显著降低驱动单元4的直流电路部分中连接电容器C1、C2两端的电压变化的效果，如图4所示，从而实现比传统系统更高的效率和功率。

图4示出了理想的情况；然而，当移动电机元件如图5所示从一个定子段移动到连续的定子段时，移动电机元件从一个段到下一个段的移动如图5所示以重叠的方式连续切换，这会导致如图5b所示的连接电容器两端出现一些电压振荡，然而幅度远远小于传统结构。

考虑到驱动电路更简单，三电平逆变器构成优选实施例；然而，本发明可以根据与图6和图7所示的五电平或更高电平逆变器类似的原理来使用。在如图6a和图6b所示的具有五个或更多个电平的多电平逆变器中，根据与上述三电平逆变器相同的原理，对应的连接电容器C1、C2、C3、……、Cn之间的中点8通过桥连接9互连，并且电压电源V+、V-线也互连。

图8示出了使用多个(n个)多电平逆变器对的系统中从一个段到下一个段的切换序列的示例。在该示例中，逆变器是三电平逆变器，但也可以是更高电平的逆变器，例如结合图6描述的多电平逆变器。在图8中，呈现了移动元件长度Lm大于定子段长度Ls并且多电平逆变器的对的数目大于有效定子段的数目的情况下的切换信号。这种结构通过使用非有源多电平逆变器作为外部平衡器来补偿有源多电平逆变器的直流输入部分中的电压不平衡。例如，对于包括三个多电平逆变器对(即，六个多电平逆变器)和介于两个和三个定子段长度Ls之间的移动元件长度Lm的驱动系统(2Ls<Lm<3Ls)，两个多电平逆变器对(即，四个多电平逆变器)可以产生推力，并且一个多电平逆变器对(即，两个多电平逆变器)可以用于补偿电压振荡。这是特别有利的，因为不参与产生推力的逆变器不受输出电流质量的影响，因此可以被控制以更有效地补偿电压不平衡。

附图标记列表

直线电机1

移动元件2

永磁体

定子3

驱动系统

驱动单元4

直流电压源6

直流输入部分14

多电平逆变器7

第一多电平逆变器7a

第二多电平逆变器7b

连接电容器C1、C2

中点(3电平逆变器的中性点NP)8

中点桥连接(3电平逆变器的NP桥)9

多相输出10

开关13

定子段3a、3b、……、3n

线圈5

星形连接端11

驱动电路连接端12

电枢

定子段长度Ls

移动元件长度Lm

Claims (11)

1.一种直线电机(1)，所述直线电机包括：定子(3)和驱动系统，所述定子包括多个定子段(3a、3b、……、3n)，所述驱动系统包括至少一个驱动单元对(4)，所述对中的第一驱动单元(4a)连接到第一定子段(3a)，所述对中的第二驱动单元(4b)连接到与所述第一定子段相邻的第二定子段(3b)，所述驱动单元(4a、4b)连接到直流电压源(6)，每个驱动单元包括直流输入电路部分(14)和多电平逆变器(7)，所述多电平逆变器经由所述直流输入电路部分连接到所述直流电压源，所述多电平逆变器包括多相输出(10)，所述多相输出连接到对应定子段的线圈(5)的驱动电路连接端(12)，每个驱动单元的所述直流输入电路部分包括至少两个连接电容器(C1、C2)，所述至少两个连接电容器串联地连接在正电压电源线(V+)与负电压电源线(V-)之间并且在两者之间具有中点(8)，其特征在于，所述第一多电平逆变器(7a)的所述中点经由桥连接(9)连接到所述第二多电平逆变器(7b)的所述中点，使得所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器的所述中点共电位，并且，连接到所述第一多电平逆变器的所述线圈的所述驱动电路连接端(12)邻近连接到所述第二多电平逆变器(7b)的所述线圈的所述驱动电路连接端布置、或者所述第一定子段(3a)的所述线圈(5)的星形连接端邻近所述第二定子段(3b)的星形连接端(11)布置。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其中每个定子段包括三相线圈装置。

3.根据前述任一项权利要求所述的直线电机，其中所述第一驱动单元(4)连接到多个连续奇数定子段(3a、3c、3e……)，所述第二驱动单元(4b)连接到多个偶数定子段(3b、3d、3f……)，所述奇数定子段和所述偶数定子段相互交错，所述定子段经由开关(13)连接到对应驱动器，所述开关(13)根据移动电机元件(2)从一个定子段到下一个定子段的通道连接和断开。

4.根据前述任一项权利要求所述的直线电机，其中所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器是三电平逆变器。

5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的直线电机，其中所述第一多电平逆变器和所述第二多电平逆变器是具有多于三个电平(例如，五个电平)的逆变器。

6.根据前述任一项权利要求所述的直线电机，所述直线电机包括多个(n个)所述驱动单元对。

7.根据前述权利要求所述的直线电机，其中所述的多个(n个)驱动单元对是三个或更多个。

8.根据本项之前的两项权利要求中任一项所述的直线电机，其中所述驱动系统被配置为控制至少一个多电平逆变器作为外部平衡器，以补偿产生推力的至少一个有源多电平逆变器对的直流输入部分中的电压振荡。

9.根据前述任一项权利要求所述的直线电机，其中每个定子段的长度Ls大于所述直线电机的移动电机元件的长度Lm。

10.根据前述权利要求1至8中任一项所述的直线电机，其中每个定子段的长度Ls小于所述直线电机的移动电机元件的长度Lm。

11.根据前述权利要求所述的直线电机，其中所述直线电机的所述移动电机元件的所述长度Lm大于每个定子段的所述长度Ls的两倍。