CN210041617U - 一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统。该电车系统由n个子系统组成，每个子系统包括供电线路、电车车厢和钢轨，供电线路通过受电弓与电车相连。每个电车车厢底部安装有2个直线同步磁阻电机的初级以及转向架、逆变器和控制器，电机的次级安装在钢轨之间，车厢与钢轨之间存在气隙。直线同步磁阻电机次级沿轨道铺设，初级安装于车体底部，电机效率高、推力密度大。本实用新型电车系统中，每个车厢底部的2个电机初级通过合理安排间距，可以有效地减小驱动电机的输出推力谐波，使输出推力波动明显降低，并保证推力平均值基本不变。本实用新型有利于减小电车运行的振动和噪声，增强电车系统运行的稳定性，提高车内乘客的舒适度。

Description

一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术

随着城市规模的不断扩张，交通拥挤问题亟待解决。国家“十三五”科技创新规划指出要大力发展现代交通技术与装备，面向建设“安全交通、高效交通、绿色交通、和谐交通”重大需求，大力发展新能源、高效能、高安全的系统技术与装备，完善我国现代交通运输核心技术体系，培育高端轨道交通、新能源汽车、民用航空等新兴产业，重点发展具有国际竞争力的高速列车、高中速磁浮、快捷货运技术与装备。作为轨道交通的核心部件，车用牵引电机得到了相关领域学者的密切关注。就技术层面而言，电气化城轨牵引电机主要可以采用旋转电机和直线电机两种技术途径。研究表明，采用直线电机驱动的城轨车辆具以下优点：启动、加速以及制动性能好、隧道高架的过渡段长度短、轨道线路的最小曲线半径小、占地和拆迁工作量小、整车高度低、地铁施工的横断面面积可减少约40％(其中，地下工程大约可降低20％左右，高架工程大约可降低30％左右)、传动损耗小、车辆运行的噪声小等。因此，城市轨道交通用的高效率、高推力密度直线电机及其驱动控制技术得到了业内学者的密切关注。

目前，直线感应电机驱动的轨道交通线路已经在多个国家投入运营，我国的广州地铁4 号线、5号线、6号线，以及北京首都机场线也采用了直线感应电机驱动。其短初级安装在车辆转向架上，长次级沿线路平铺在轨道中间。直线感应电机结构简单、制造成本低、运行稳定，但是有效率和功率因数低的缺点。因此，相关学者展开了对其他类型直线电机的研究。直线永磁同步电机无励磁绕组和电刷，效率和功率因数高。但是其电枢绕组和永磁体分别置于初级和次级，对于长行程轨道交通，无论将电枢绕组还是永磁体沿轨道铺设，都将极大地增加造价和维护成本。直线开关磁阻电机结构简单，容错性好，但在大气隙时磁阻变化较小，影响其功率密度提高，限制了推广应用。

同步磁阻电机具有转矩密度高、效率高、成本低廉，转子上无绕组等优点，得到了国内外学者的广泛关注。将其旋转结构展开成直线，转子成为次级铺设于轨道，定子成为初级安装在列车底部，该电机推力密度高、效率高、成本低，在轨道交通领域具有良好的应用景。

然而，同等输出功率密度的情况下，直线同步磁阻电机的推力波动仍要大于现有直线感应电机，随着人们对乘车舒适度要求的进一步提高，电机输出推力波动导致的电车振动和噪声问题日益凸显。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的在于提供一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，通过将电机初级按照该新型的排布方式安装，有效减小驱动电机的输出推力谐波，使输出推力波动明显降低，并保证推力平均值基本不变。

本实用新型提供的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，其特征在于，

该电车系统由n个子系统组成，每个子系统包括供电线路10、电车车厢11和轨道12，供电线路10通过受电弓与电车车厢11相连；

每个所述电车车厢11底部安装有转向架110、逆变器和电机控制器111、2个直线同步磁阻电机的初级112；

所述轨道12包含直线同步磁阻电机的次级120和钢轨121，直线同步磁阻电机的次级120 安装在钢轨121之间；

进一步地，所述直线同步磁阻电机初级112为齿槽结构，槽中放置绕组1120；

所述直线同步磁阻电机的次级120包含若干次级模块，次级模块由“C”型或“U”型结构的空气磁障1200和导磁桥1201构成；

为了提高电机的功率因数，次级模块空气磁障1200中可以添加非稀土材料；

所述直线同步磁阻电机的初级112和次级120之间存在气隙；

进一步地，每个电车子系统安装有两台直线同步磁阻电机，对所述直线同步磁阻电机的输出推力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，其中幅值最大的谐波次数记为h；电机的初级112安装在车厢11底部，相邻次级120模块中心线间距离为τ；根据谐波次数h和次级极距τ，每个车厢11底部的两台电机初级112中心线之间的距离确定为λ(1，2)，以消除同一车厢底部两台相邻直线同步磁阻电机推力的h次谐波；

进一步地，将相邻两个电车子系统的输出推力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，其中幅值最大的谐波次数记为m；根据谐波次数m和次级极距τ，相邻车厢11底部对应的电机初级112中心线之间相隔距离确定为Γ(1，2)，以消除两个相邻车厢电机推力的m次谐波；

作为一种优选，对不同电车子系统或电机初级移动次级极距τ的整倍数距离，以实现不同电机间的顺序调整，可以达到新的排布方式。

本实用新型电机主要存在以下优点：

本实用新型提出的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，通过合理设计驱动电机的空间排列方式，针对性地消除指定次数的谐波，有效减小驱动电机的输出推力波动，并保证推力平均值基本不变。该实用新型有利于减小电车运行的振动和噪声，加强系统的稳定性，提高车内乘客的舒适度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1本实用新型一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统的结构示意图；

图2本实用新型一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统的轨道正视图；

图3本实用新型一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统中驱动电机拓扑结构示意图；

图4本实用新型一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统中带铁氧体辅助的驱动电机拓扑结构示意图；

图5本实用新型一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统的电机输出推力对比图。

其中，10-供电线路，11-车厢，12-轨道，110-转向架，111-逆变器和电机控制器，112- 直线同步磁阻电机的初级，120-直线同步磁阻电机的次级，121-钢轨，1200-空气磁障，1201- 导磁桥，1202-铁氧体。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，为使本实用新型的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

图1所示为本实用新型的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，本实施例中共4 个基于直线同步磁阻电机驱动的电车子系统，各电车子系统中电机空间分布方式相同，故图 1中仅展示了其中前两个子系统。

图2所示为本实用新型一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统的轨道正视图，驱动电机的次级120铺设于钢轨之间，初级112安装于电车底部，二者之间存在气隙。

本实施例中，n＝4。一种基于直线同步磁阻电机的电车系统由4个子系统组成，每个子系统包括供电线路10、电车车厢11和轨道12，供电线路10通过受电弓与电车车厢11相连。

每个所述电车车厢11底部安装有转向架110、逆变器和控制器111、2个直线同步磁阻电机的初级112。轨道12包含直线同步磁阻电机的次级120和钢轨121，直线同步磁阻电机的次级120安装在钢轨121之间。

图3为本实用新型实施例选取的直线同步磁阻电机拓扑结构图。本电机初级112为8极 72槽结构，槽中放置双层绕组1120，电机次级120包含若干次级模块，次级模块由“C”型结构的空气磁障1200和导磁桥1201构成。直线同步磁阻电机的初级112和次级120之间存在气隙。

图4为本实用新型实施例选取的带铁氧体辅助的直线同步磁阻电机拓扑结构图。本电机在图3的基础上，在次级空气磁障1200中添加适量非稀土材料辅助励磁，如铁氧体1202，有利于提高电机的功率因数，减小逆变器容量。

图5为本实用新型实施例电机1/2个电周期内，单独一台电机运行时的输出推力以及采用本实用新型排布方式时电车子系统的两台电机有限元仿真输出推力波形。可以看出，该电机额定工况下，输出推力中含有较大的二十八次谐波，因此选取h＝28，且同一车厢底部的两台直线电机初级与次级齿的相对位置错开λ(1，2)＝1/56个齿距，以削弱二十八次谐波；类似地，相邻车厢底部对应的电机初级之间位置继续上述操作。经计算，单独一台电机运行时的输出推力平均值为16.846kN，输出推力波动为2.13kN，采用本实用新型排布方式后，平均每台电机的输出推力平均值为16.844kN，输出推力波动仅为0.64kN。推力平均值几乎不变，而推力波动值相对之前降低了约70％。因此，本实施例的方法能够实现电机输出功率基本不变，而起到削减谐波，降低振动，减小噪声，提高电车系统运行稳定性的作用。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，其特征在于，

该电车系统由n个子系统组成，每个子系统包括供电线路(10)、电车车厢(11)和轨道(12)，供电线路(10)通过受电弓与电车车厢(11)相连；

每个所述电车车厢(11)底部安装有转向架(110)、逆变器和电机控制器(111)、2个直线同步磁阻电机的初级(112)；

所述轨道(12)包含直线同步磁阻电机的次级(120)和钢轨(121)，直线同步磁阻电机的次级(120)安装在钢轨(121)之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，其特征在于，

所述直线同步磁阻电机初级(112)为齿槽结构，槽中放置绕组(1120)；

所述直线同步磁阻电机的次级(120)包含若干次级模块，次级模块由“C”型或“U”型结构的空气磁障(1200)和导磁桥(1201)构成；

为了提高电机的功率因数，次级模块空气磁障(1200)中可以添加非稀土材料；

所述直线同步磁阻电机的初级(112)和次级(120)之间存在气隙。

3.根据权利要求1所述的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，其特征在于，

每个电车子系统安装有两台直线同步磁阻电机，对所述直线同步磁阻电机的输出推力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，其中幅值最大的谐波次数记为h；电机的初级(112)安装在车厢(11)底部，相邻次级(120)模块中心线间距离为τ；根据谐波次数h和次级极距τ，每个车厢(11)底部的两台电机初级(112)中心线之间的距离确定为λ_(1，2)，以消除同一车厢底部两台相邻直线同步磁阻电机推力的h次谐波。

4.根据权利要求1所述的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，其特征在于，将相邻两个电车子系统的输出推力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，其中幅值最大的谐波次数记为m；根据谐波次数m和次级极距τ，相邻车厢(11)底部对应的电机初级(112)中心线之间相隔距离确定为Γ_(1，2)，以消除两个相邻车厢电机推力的m次谐波。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种基于直线同步磁阻电机驱动的电车系统，其特征在于，对不同电车子系统或电机初级移动次级极距τ的整倍数距离，以实现不同电机间的顺序调整，达到新的排布方式。

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