CN205141965U - 一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中低速常导磁浮车辆电机定子绕组多段分布构造,在磁浮车辆中每节车单侧使用一台大直线电机,将大电机定子绕组分为同等长度的N段，分别布置在相应的N个转向架上，每段电机间的间距为1/N电机极距，相邻两段电机绕组布置不同，后一段电机绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度,从而使每段电机间气隙磁场连续。本实用新型构造可使电机的效率和功率因数显著提高，并为设计较高速度的磁浮列车创造条件。类似的设计原理可应用于轮轨车辆如轻轨或地铁直线异步电机驱动方式。

Description

一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造

技术领域

本实用新型涉及常导磁浮机构,尤其是一种中低速常导磁浮列车直线异步电机结构。

背景技术

目前我国已建有两条中低速常导磁浮列车试验线路，磁浮列车机械和电气部分的设计基本上是仿照日本HSST型磁浮列车方案，即每辆磁浮车是由三个或5个磁转向架组成车辆的走行部分，每个磁转向架两侧各有四个直流悬浮电磁铁和1台直线异步电机的定子。前者产生磁悬浮力，后者产生车辆前进的驱动力即牵引力。为了通过小曲率半径的线路，一般磁转向架的长度约为3m，而宽度随线路的轨距而定。由于在磁转向架靠线路中心内侧有支撑滚轮，所以直线牵引电机沿线路的纵向长度受到限制，其长度约为2m，使得电机宽而短，电机的端部效应非常明显。列车运行时，直线电机前端的磁场被削弱，使电机牵引力减小；而电机后端有衰减的剩余磁场，产生与牵引力方向相反的磁拉力，也使电机牵引力减小。每台电机的前后端部效应降低了电机效率，而且随着速度的提高，端部效应更为明显(注：可通过对图1(a)和(b)的比较看出端部效应)

目前中低速常导磁浮列车使用的直线异步电机效率η约为0.6～0.7。此外，影响电机效率的因素是电机的无功磁化电流很大，电机的功率因数约为0.5，电机绕组的功耗较大。无功磁化电流大是由于磁浮列车悬浮气隙δ＝8mm，为避免由于磁浮列车着陆轨面时电机定子与导轨表面有机械接触，预留3mm的间隙，所以电机气隙往往超过11mm，这是运行安全的要求，不能轻易减小。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种中低速常导磁浮列车直线异步电机的绕组多段分布构造，利用本构造方式可在悬浮气隙和电机气隙不变的条件下，提高磁浮列车直线异步电机的效率和功率因数，从而提高电机的品质因数

本实用新型为实现其实用新型目的，所采用的技术方案是：

一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造,在磁浮车辆中每节车单侧使用一台大直线电机,将大电机定子绕组分为同等长度的N段，分别布置在相应的N个转向架上，每段电机间的间距为1/3电机极距，相邻两段电机绕组布置不同，后一段电机绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度，从而使每段电机间气隙磁场连续。

一般情况下所述N为5。

采用这样的结构,等同于每侧用一台大的直线电机来取代现有的每侧多台小直线电机的分部构造,即:将一台大电机截成多段，分别布置在不同转向架上，且每段电机间的间距为三分之一电机极距。

电机在截成多段后，每段电机绕组布置不同，后一段电机绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度，电机绕组的具体布置图如图2所示。

由于电机后端部存在剩余磁场，可以跨越至下一段电机的前端，从而使每段电机间气隙磁场连续，为附图3所示。如果现有方案磁浮车每侧有五台电机，通过本实用新型构造，其中间三台没有端部效应，只有第一台有前端去磁效应和第五台有后端剩磁效应。除此之外，更重要的是：五台小电机可以用一台功率大的电机设计，可使电机参数如极距τ的选择更加合理优化。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

电机功率可以相应增加，再加上本实用新型对电机的一体化设计方法，必将使中低速磁浮列车的牵引性能，如功率、效率和功率因数大为改善。经过分析，要实现这一点是完全可能的。其电机的品质因数可以从现在0.3左右提高到0.5左右。

其原理说明如下：

吸力型中低速磁浮列车是依靠直流电磁铁在气隙中产生磁通，形成吸力来支承车辆重量。所以希望车辆的重量越轻越好，减小车辆本身重量，意味着可以减小电磁铁重量及其损耗，或者说可以增加有效载荷。但目前中低速磁浮列车直线电机的品质因数大约在0.3左右，这意味着电机和逆变器的设计容量大大增加，相应的体积、重量和能耗都要增加，所以，提高电机的品质因数，对磁浮列车几个关键的功率模块，如电机、逆变器和悬浮电磁铁的技术参数会有巨大影响，必将对中低速磁浮列车整体性能有很大提高。

根据直线电机优化设计理论，功率大，极对数多、极距大，其效率和功率因数都比较好。另外，用于轨道交通的直线牵引电机极距τ的选择，还必须满足列车速度v＝2fτ(1-s)的要求，其中f是交流供电频率，s是电机滑差率。根据这些要求，现有中低速磁浮列车直线牵引电机的长度仅为2m左右，很难满足上述要求，致使该电机的技术参数十分不理想。图4表示三转向架中低速磁浮列车现有电机方案，直线电机之间间距大，约900mm，各电机之间磁场独立，每个电机的前后端部效应严重。电机本身短而宽，极对数p、极距τ和车辆速度v选择困难。

本实用新型是在磁浮车辆中每侧用一台大直线电机设计取代现有的每侧多台小直线电机的独立设计。设计时将该大电机截成多段，分别布置在不同转向架上，每段电机间的间距为三分之一电机极距，使电机气隙磁场连续。具体设计时，在3m长的转向架上，通过适当调整位置，且将靠近支撑滚轮附近的电机绕组的伸出端部局部上挠，使电机避开支撑滚轮的阻挡，从而可将直线电机长度从原来的2m增加到约近3m，电机之间间距从900mm减少到100mm。图5为本实用新型的电机设计方案，方案中两个直线电机间间距减少到100mm，使前后两个直线电机的磁场连续，可视为一个电机来考虑，使电机设计长度从2m可增加到9m，其端部效应明显减少，而且极对数和极距可以增大，电机的效率和功率因数将显著提高，为设计较高速度的磁浮列车创造条件。经过分析，电机的品质因数可以从现在0.3左右提高到0.5左右。

附图说明

图1(a)是磁浮车静止时，一台8极电机定子三相绕组在气隙δ中产生的正弦行波磁场示意图；图1(b)是列车运行时，电机产生的正弦行波磁场示意图。

图2是电机绕组分布图。

图3是磁浮车运行时，本实用新型电机产生的正弦行波磁场示意图。

图4是现有电机方案示意图。

图5是本实用新型电机设计方案示意图。

在图中，①磁转向架②直线电机初级③电机次级反应板④导轨⑤车体⑥支撑滚轮。为作图方便,图4和图5方案中,均采用三段转向架予以简略表示。

具体实施方式

现有日本或我国自主研发磁浮车，它们都有5个转向架组成，转向架长约3000mm，每个转向架上有2台直线电机，其长度为(2000～2200)mm，前后相邻两台直线电机之间的间隙为900mm左右，如图4所示。列车运行时，这种电机前端的磁场被削弱，使电机牵引力减小；而电机后端有衰减的剩余磁场，产生与牵引力方向相反的磁拉力，也使电机牵引力减小。故电机的前后端部效应降低了电机效率。

具体地说，已有一辆最高时速为100km/h，满载重约25t的5磁转向架磁浮车，车辆两侧各有5台50kW直线牵引异步电机，电机的设计额定电压240V，极距τ＝240mm，效率η≈0.6，功率因数cosφ≈0.57，电机品质系数ηcosφ≈0.6*0.57＝0.34。采用本实用新型方案(图5所示)，设计车辆每侧用一台电机，设计功率P＝5*50＝250kW，设计额定电压相应增加5倍，为1200V，极距τ＝300mm，前后电极之间间距100mm,满足磁场连续间距应小于1/3τ的要求。可使电机效率η≈0.75，功率因数cosφ≈0.6，电机品质系数ηcosφ≈0.75*0.6＝0.45,从而比原来0.34的品质系数提高了30％。

Claims (3)

1.一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造,其特征在于,在磁浮车辆中每节车单侧使用一台大直线电机,将大电机定子绕组分为同等长度的N段，分别布置在相应的N个转向架上，每段电机间的间距为1/3电机极距，相邻两段电机绕组布置不同，后一段电机绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度，使每段电机间气隙磁场连续。

2.根据权利要求1所述的中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造,其特征在于,所述N为5。

3.根据权利要求1所述的中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造,其特征在于,所述定子绕组多段分布构造应用于磁浮轻轨或地铁直线异步电机驱动机构中。