CN1976185A - 大功率混合式直线电动机 - Google Patents

Abstract

一种混合式直线电机，为短初级，长次级式。其初级[11]由多相(二相、三相或更多相)电枢绕组[112]及硅钢片迭成的铁心[111]构成。其次级是混合式的，由导体板式、鼠笼式、直流励磁的凸极磁极式及磁阻式四种次级分段构成。在本结构的混合式直线电机中，次级[12]结构的形式由所需运行工况及路况决定，而短初级[11]只有一种，为各种结构的次级所共用。本发明可用于需要直线驱动的各种场合，特别是地面交通运输系统，如城市轨道交通、地铁等。

Description

大功率混合式直线电动机

技术领域

本发明属于电动机领域，特别涉及一种大功率混合式直线电动机。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。直线电机可以看作是由旋转电机演变而来：将旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展成直线，就可得到直线电机。与旋转电机的定子、转子相对应，直线电机由初级和次级构成。

直线电机可用于任何需要直线驱动的场合，交通运输是其重要的应用领域。直线电机应用于交通运输领域，最大优点是采用直线驱动代替传统的旋转电机驱动，其驱动为直接的，不再需要粘着力。因此车辆的牵引力不再受车轮与车轨之间粘着条件的制约，电机的牵引力能得到充分发挥，车辆的爬坡及加速性能得以改善。另外不再需要将电机的旋转力矩转化为直线驱动力，省去了中间转换机构，使机车的传动损耗及噪声减少，因此非粘着形式的直线驱动是最适合交通运输驱动的方式。

在交通运输领域中，直线电机驱动运载系统的车辆支承方式有磁浮及非磁浮两种类型。其中非磁浮形式是采用轮轨支承和直线电机驱动的车辆系统，典型的有已经运营的加拿大Skytrain(空中列车)直线轮轨交通系统及日本直线电机地铁系统。与本发明专利相关的技术是采用轮轨支撑、直线电机驱动的交通运输系统。

如上所述，既有的直线电机驱动的轮轨交通系统，其结构如图9所示，采用单边短初级直线感应电动机(SLIM)驱动，且有车轮[94]支撑和导向。自线感应电机处于列车及轨道中间，其初级[91]及其驱动控制系统安装在车上。电机初级[91]由带齿槽的铁心及三相绕组形成，次级[92]是由铝板或铜板与铁轭形成的复合感应板，铺在轨道上，初级与次级之间是气隙[93]，约为10mm左右。其工作原理如下：车上的逆变器向直线感应电机的初级三相绕组提供可变频、变压的三相交流电，气隙中因此产生行波磁场，地面上的次级铝板中因此产生感应涡流及磁力，驱动列车前进。改变电机初级电压及频率，可控制列车的前进速度，改变磁场移动方向，车辆运行方向也随之改变。

日本九州大学K.Yoshida等在2004年国际磁悬浮会议论文集(Proc.of 18^th Int.Conf.on Maglev’2004，p803～808)及参考文献中报告了一种车辆驱动系统，即采用气浮方式使车体悬浮，并采用单边直线感应电机和电励磁凸极直线同步电机组成的混合直线电机驱动的交通系统，以适应陡坡路段的驱动要求，如10％坡度时采用电励磁凸极直线同步电机驱动，平坦及缓坡路段采用单边直线感应电机驱动。

虽然直线电机轮轨交通系统具有传统轮轨交通系统无可比拟的优点，如爬坡能力强，转弯半径小，噪声低等，具有很好的社会经济效益，是当今先进的轨道交通系统。但现有技术正在运营的直线轮轨交通系统仅采用单一形式的直线感应电机驱动，电机运行工况无法很好地适应上坡、下坡、起动、停止、弯道等路况对运行条件的要求，影响了系统效率、功率因数的改进和提高。由于减小气隙要受到电机机械结构、加工工艺、施工水平等方面的限制，且电机的制造成本很高，需采取其它措施来改进电机性能。

日本九州大学K.Yoshida等采用两种直线电机作为驱动，一是单边直线感应电机，另一是电励磁凸极直线同步电机，以适应不同路况的要求。此混合式电机的短初级放置在车上，为直线感应电机及电励磁凸极直线同步电机所共用；次级放置在地面轨道上，由平板型复合反应板次级及电励磁凸极次级分段构成。虽然比仅用一种直线感应电机时有所改进，但仍存在适应路况的灵活性不够高的欠缺。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提供一种用作轮轨直线驱动交通系统的大功率混合式直线电机，以提高电机效率及功率因数，并使电机运行工况适应各种路况的要求。

本发明大功率混合式直线电机所采用的技术方案如下：

本发明所指的大功率混合式直线电机为短初级、长次级结构，系由直线感应电机、电励磁凸极直线同步电机和磁阻式直线同步电机共同构成。短初级设置在车上，为直线感应电机、电励磁凸极直线同步电机、磁阻式直线同步电机所共用；次级铺设在地面轨道上，由导体板式、鼠笼式、直流励磁的凸极磁极式及磁阻式等结构的次级分段构成，次级的结构形式由所需的运行工况及路况决定。

本发明的特征在于所述的短初级由带齿槽的铁心与嵌入槽中的多相(二相、三相或更多相)电枢绕组构成。

本发明的特征在于：短初级直线感应电机的板状次级采用两种不同的结构：一种为由平板形导体板与导磁材料形成的复合反应板，导体板与导磁材料可采用常规机械连接如铆接或螺钉连接，或采用焊接如爆炸焊接等方法复合形成反应板。另一种为梯型导体板或平板形鼠笼与导磁材料形成的复合反应板。

上述的第二种复合反应板由以下方式构成：①在板状导体上切成阶梯状排列的长方形槽，形成梯型导体板，再与导磁材料复合形成反应板，其复合方式可采用常规机械连接如铆接或螺钉连接，或采用焊接如爆炸焊接等方法；②平板形鼠笼是将条状导体分别插入或嵌入相应的导磁材料中，再分别与两侧相应的端接导体短接所形成。其中条状导体与相应的端接导体的连接可为嵌入式也可为接触式，并焊接成一体；所述的条状导体，截面形状为圆形、矩形、楔形或其它形状。

所述的直线感应电机复合平板型次级与初级由气隙δ隔开相对。

所述的复合反应板中，其导体材料为铜或铝，其导磁材料为铁、钢或硅钢片。

本发明的特征还在于：电励磁凸极直线同步电机的次级，由直流励磁绕组与凸极铁心构成，次级与初级由气隙δ隔开相对。

本发明的特征还在于：磁阻式直线同步电机的次级为磁阻式铁心次极，有两种结构：①由带齿槽的导磁材料如钢轨或铁轨形成；②将矩形导磁材料如钢或铁块嵌入非磁性材料(如混凝土)中形成的分段磁阻次级，次级与初级由气隙δ隔开相对。

本发明的特征还在于：构成混合式直线电机的次级结构形式取决于所需的运行工况及路况，如在平直路段及非车站区可采用复合平板型次级，在车站区采用鼠笼型或梯型复合平板型次级，在弯道区或小坡度的坡道区域采用磁阻式直线同步电机的磁阻式次级，在大坡度的坡道区域采用电励磁凸极直线同步电机的凸极次级等。

本发明具有以下优点：

1.既有的轮轨式直线轨道交通系统从制造成本考虑，仅采用次级为铝铁复合反应板的直线感应电机提供驱动力，虽然在某些路段也有采用铜质复合反应板代替铝质复合板以提高推力，改进性能，但由于只采用直线感应电机，难以根据不同路况使电机处于最佳工况，以提高效率。本发明采用直线感应电机与直线同步电机组合形成的直线混合电机，作为直线轨道交通的推进系统，通过几种电机的组合，可使电机运行工况与路况相匹配，以使电机效率提高。

2.本发明在某些路段采用直线同步电机代替直线感应电机，不仅可使整个系统效率提高，也能充分利用直线同步电机功率因数高于直线异步电机的特点，提高整个系统的功率因数。

3.本发明采用直线同步电机，不但包括带有直流励磁的凸极直线同步电机，也包括结构相对简单的直线磁阻电机，这样可以降低整个系统的制造成本。

4.本发明在某些路段如车站区域采用鼠笼型次级取代既有的平板型复合反应板次级的直线感应电机，可使电磁气隙减小，因此减少了磁化电流及视在输入功率，并使功率因数提高，改善了直线感应电机的性能。

5.本发明利用电励磁凸极直线同步电机推力大的特点，用于陡坡路段的推进，与全程采用直线感应电机时相比，设计时可相应降低对直线感应电机的要求，及降低其设计难度。且电励磁直线同步电机的励磁绕组通断可控，只有当列车运行至该路段时才通电励磁，有利于节省电能。

6.本发明在弯道区域采用磁阻式直线同步电机，利用其初、次级之间的吸引力，抵消列车通过弯道时的部分离心力，使列车能以较高速度通过弯道，相应提高列车运营速度。

总之，采用混合式直线电机可以提高电机效率和功率因数，改善电机性能，使电机运行工况最大程度适应各路段不同路况的要求，有利于直线轨道交通系统的推广应用。

附图说明

图1是混合式直线电机结构示意图，图中：11初级、12次级；

图2是混合式直线电机短初级结构示意图，图中：111铁心、112电枢绕组；

图3是混合式直线电机采用复合平板型次级的直线感应电机结构示意图，图中：312平板形导体板、313导磁材料；

图4是混合式直线电机梯型导体板复合次级示意图，图中：413梯型导体板、414长方形槽、412导磁材料；

图5是混合式直线电机平板鼠笼型复合次级示意图，其中图5a为插入式平板形鼠笼，图中：512导磁材料、513端接导体、514条状导体；

图5b为一种嵌入式平板形鼠笼，图中：515条状导体、516导磁材料、517端接导体；

图5c是另一种嵌入式平板形鼠笼，图中：518条状导体、519端接导体、520弯板、521导磁材料；

图5d是嵌入式平板形鼠笼的剖视图；

图6是混合式直线电机采用电励磁式凸极次级的直线同步电机结构示意图，图中：612凸极铁心，613励磁绕组；

图7是混合式直线电机采用磁阻式凸极次级的直线同步电机示意图，其中图7a为整体式次级的结构，图中：712整体式次级；图7b为分段式次级，图中：713非导磁材料、714导磁材料；

图8是混合式直线电机一种轨道布置示意图；

图9是既有的一种直线感应电机驱动的轮轨交通系统横截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明的混合式直线电机的具体实施方式主要由初级11、次级12组成。其中的初级11放置在车上，包括带有齿槽的铁心111、嵌入槽中的多相(二相、三相或更多相)电枢绕组112。次级12沿轨道布置，次级12由铝或铜板与铁磁材料形成的复合平板次级、梯型导体板与铁磁材料形成的复合平板次级或平板形鼠笼复合次级、电励磁式凸极次级及磁阻式次级分段组成，图3～图7是上述各种次级结构的示意图。

图8给出了一种混合式直线电机轨道布置的示意图。如图8所示，在平直路段及非车站区采用复合平板型次级；在车站区采用鼠笼型或梯型复合平板型次级；在弯道区或小坡度的坡道区域采用磁阻式次级；在大坡度的坡道区域采用电励磁的凸极次级。次级的安排方式不唯一，可以根据轨道地形条件及制造成本综合考虑，以获得更合理的次级排列，和达到节能的目的。

下面结合图3～图7说明各种次级的构成方式：

图3是采用复合平板型次级的短初级直线感应电机示意图。从图中可知，其次级12由铝板(或铜板)312与导磁材料如钢板313复合而成。铝板312与初级11由气隙δ隔开相对。导体板与导磁材料可采用常规机械连接如铆接或螺钉连接，或采用焊接如爆炸焊接等方法复合形成反应板。

图4是短初级直线感应电机的梯型导体板复合次级结构示意图。与图3的导体板312不同的是，图4中的梯型导体板413系在铝板或铜板上开有成阶梯状排列的长方形槽414形成，并与导磁材料如钢板412复合，形成梯型导体板复合次级。梯型导体板与导磁材料的复合可采用常规机械连接如铆接或螺钉连接，或采用焊接如爆炸焊接等方法。

图5是平板鼠笼型复合次级结构示意图，其中：

图5a是与旋转异步电机鼠笼转子相对应的插入式平板鼠笼次级，系在导磁材料如钢板512上开槽，槽中插入条状导体514如铜条或铝条，再由铜带或铝带513在两侧端部将条状导体514短接而成，短接可采用焊接。

图5b是一种结构的嵌入式平板鼠笼次级，由开有齿槽的导磁材料如钢板形成的铁心[516]、嵌入槽中的条状导体515如铜条或铝条、两侧的短路导体517如铜或铝条形成。条状导体515与两侧的短路导体517的短接可采用焊接。

图5c是另一种结构的嵌入式平板鼠笼次级，铁心521由开有齿槽的导磁材料如钢板形成，条状导体518如铜或铝条长度大于铁心厚度，并嵌放入槽中。相邻条状导体518由短的辅助导体519短接，短接可采用焊接。为减少端接电阻及加强结构强度，在导体下方设置有铜或铝板制成的弯板520。

所述的条状导体514或515或518，与相应的端接导体513、517、519的连接可采用嵌入式或直接接触式，并焊接成一体。

图5d是图5b及图5c的剖视图。

图6是采用电励磁式凸极磁极式次级的直线同步电机示意图，11是车载初级，轨道上的次级12由凸极铁心612及励磁绕组613组成。初、次级由气隙δ隔开相对。

图7是直线磁阻电机示意图。图7a是整体次级直线磁阻电机，由开槽的铁轨或钢轨形成的整体式次级712及车载初级11形成。图7b是分段式次级直线磁阻电机，其次级由分段的铁磁材料714如钢或铁块与非导磁材料(如混凝土)713构成。

Claims (5)

1、一种大功率混合式直线电动机，包括直线感应电机、电励磁凸极直线同步电机，为短初级、长次级结构，短初级[11]设置在车上，由带齿槽的铁心[111]与嵌入槽中的多相电枢绕组(二相、三相或更多相)[112]构成，次级[12]铺设在地面轨道上，其特征在于还包括磁阻式直线同步电机；短初级[11]为直线感应电机、电励磁凸极直线同步电机、磁阻式直线同步电机所共用；次级[12]由导体板式、鼠笼式、直流励磁的凸极磁极式及磁阻式等结构的次级分段构成，次级[12]的结构形式由所需的运行工况及路况决定。

2、按照权利要求1所述的大功率混合式直线电动机，其特征在于所述的直线感应电机的板状次级有两种不同结构：一种是由平板形导体板[312]与导磁材料[313]形成的复合反应板；另一种为梯型导体板或平板形鼠笼与导磁材料形成的复合反应板，其中梯型导体板[413]与导磁材料[412]形成的复合反应板是在板状导体上切有成阶梯状排列的长方形槽[414]，形成梯型导体板[413]，再与导磁材料[412]复合形成复合反应板；平板鼠笼型反应板是将条状导体[514]或[515]或[518]，分别插入或嵌入相应的导磁材料[512]、[516]、[521]形成的铁心中，再分别与相应的端接导体[513]、[517]、[519]短接形成的平板形鼠笼；其中条状导体[514]或[515]或[518]，与相应的端接导体[513]、[517]、[519]的连接可为嵌入式亦可为接触式，并焊接成一体。

3、按照权利要求2所述的大功率混合式直线电动机，其特征在于所述的复合反应板的导体材料为铜或铝，导磁材料为铁、钢或硅钢片；复合平板型次级与初级[11]由气隙δ隔开相对。

4、按照权利要求1所述的大功率混合式直线电动机，其特征在于所述的电励磁凸极直线同步电机的次级由直流励磁绕组[613]及凸极铁心[612]构成；初、次级由气隙δ隔开相对。

5、按照权利要求1所述的大功率混合式直线电动机，其特征在于所述的磁阻式直线同步电机的次级为磁阻式铁心次极，可由带齿槽的导磁材料形成整体式次级[712]，亦可是将矩形导磁材料[714]嵌入非磁性材料[713]中形成的分段次级；初、次级由气隙δ隔开相对；所述的导磁材料为铁、钢或硅钢片。

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