CN210958110U - 一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，包括供电子系统，列车车体、牵引驱动子系统以及列车轨道子系统。所述牵引驱动子系统包括电机单元、逆变单元、位置检测单元、制冷单元及电机控制单元。列车轨道子系统可分为轮轨式与磁悬浮式，轮轨式列车轨道子系统包括导轨、列车车轮与转向架，磁悬浮式列车轨道子系统包括永磁轨道或电励磁轨道，以及悬浮超导单元。本实用新型采用超导直线电机驱动，具有推力大、效率高、功率因数高、次级结构简单可靠、成本较低以及调速范围宽的优点；此外本实用新型可采用轮轨式或磁悬浮式轨道，特别适合于中高速运行场合。

Description

一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统

技术领域

本发明涉及的是一种基于超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通牵引系统，属于交通工具技术领域。

背景技术

在城市化进程中，轨道交通系统扮演着不可或缺的角色。传统列车系统采用旋转电机牵引系统驱动。旋转电机依靠机械传动装置，将旋转力矩转换为黏着式牵引力，损耗较大，效率较低。此外，黏着式牵引力受到轨道状况、摩擦系数等因素影响，因此提供的牵引力不够理想，列车系统的爬坡能力与拐弯能力不足，需要额外开挖隧道、假设高架桥，这给道路规划带来的一定的困难，也增加了成本。

与基于旋转电机的轨道交通列车系统相比，基于直线电机驱动的列车系统由电机直接产生电磁力。电磁力为非黏着牵引力，摆脱了轨道状况的影响，同时直线电机无需机械传动装置，因此基于直线电机驱动的列车系统具有体积小、功率密度高的优点，可以降低列车系统的体积，降低开挖隧道成本，同时简化道路规划，因此直线电机驱动的列车系统在轨道交通领域应用前景光明。

目前，我国的广州四号线、五号线以及首都机场线等轨道交通场合，均已采用直线电机驱动的轨道交通列车系统。用于驱动的直线感应电机的次级仅由感应板与导磁板构成，结构简单，体积小，成本低，同时输出牵引力大于旋转电机。但是直线感应电机涡流损耗较高，效率与功率因数较低，此外，直线感应电机的控制较为复杂，因此其长期运营成本与系统成本较高。

采用传统永磁直线同步电机驱动的轨道交通列车系统的效率、功率因数、功率密度均较高；然而该类牵引电机的永磁体置于次级，沿轨道铺设，次级成本高昂，且定位力较大，同时，传统永磁电机的弱磁性能较差，难以实现高速下的恒功率控制，调速范围有限，这些缺点极大地限制了其在长行程领域的应用。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，该列车系统采用超导线圈进行励磁，可以提升列车系统的牵引力输出，且具有良好的功率因数、效率与调速性能。并且该系统成本较低、驱动电机次级结构简单可靠。此外，除了传统轮轨式结构外，本发明还可采用超导磁悬浮式结构，进一步降低运行阻力，提升速度。

本发明提出的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，包括供电子系统1，列车车体2、牵引驱动子系统3以及列车轨道子系统4；

所述供电子系统1将电网提供的交流电整流成为直流电，提供给列车车体2和牵引驱动子系统3；

所述列车车体2包括若干节列车车厢20、列车车厢直流用电设备21与列车车厢交流用电设备22；

所述牵引驱动子系统3包括电机单元30、逆变单元31、位置检测单元32、制冷单元33 与电机控制单元34。

进一步的，所述牵引驱动子系统3中：

所述电机单元30包括若干台超导磁通切换直线电机，所述超导磁通切换直线电机包括固定于所述列车车体2下方的初级300与沿轨道铺设的次级301；

所述逆变单元31安装于车体2内，将所述供电子系统1提供的直流电逆变为三相对称的交流电，提供给电机单元30，位置检测单元32，制冷单元33，电机控制单元34和列车车厢交流用电设备22；

所述位置检测单元32通过传感器获得反映当前超导磁通切换直线电机所在位置的位置信号，将其提供给电机控制单元34；

所述制冷单元33安装于车体2内，包括若干台制冷机，与所述初级300相连，以维持超导所需温度；

所述电机控制单元34安装于车体2内，用于控制电机单元30。

更进一步的，所述电机单元30中：

所述初级300包括初级铁芯3000，电枢绕组3001，超导励磁绕组3002与超导电机用杜瓦装置3003；

所述超导励磁绕组3002单独置于多个超导电机用杜瓦装置3003中，或整个初级300均置于一个超导电机用杜瓦装置3003中；

所述次级301为齿槽式结构3010或分块式结构3011。

作为一种优选，所述位置检测单元32的传感器为位置传感器320，或基于电流和电压信号的无位置传感器321，或安装于车轮的速度传感器322；

所述位置传感器320分为位置信号发生器3200与位置信号检测器3201，所述位置信号发生器3200安装于列车车体2下方的车板上，位置信号检测器3201沿轨道铺设；

所述基于电流和电压信号的无位置传感器321设于列车车体2，测量所述初级300中电枢绕组3001的电流与电压信号，提供给电机单元30计算并得到位置信号。

作为一种优选，所述列车轨道子系统4为轮轨式列车轨道子系统40或磁悬浮式列车轨道子系统41；

所述轮轨式列车轨道子系统40包括导轨400、列车车轮401与转向架402；

所述磁悬浮式列车轨道子系统41包括永磁轨道410或电励磁轨道411，以及悬浮超导单元412；

所述永磁轨道410包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的永磁体4100；

所述电励磁轨道411包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的直流线圈4110；

所述悬浮超导单元412包括若干个安装于列车车体2下方的超导线圈4120与悬浮超导单元用杜瓦装置4121，超导线圈4120设于悬浮超导单元用杜瓦装置4121内。

本发明电机主要存在如下优点：

本发明提出的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，通过采用超导磁通切换直线电机，可以有效提升功率密度，同时具有高效率、高功率因数，易于调速，成本较低的优点。此外，针对不同速度需要，本发明提供了传统轮轨式结构与超导磁悬浮结构，因此，本发明特别适合于中高速运行场合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是系统整体示意图；

图2是系统供电示意图；

图3是磁悬浮式列车轨道子系统示意图(采用基于电流和和电压信号的无位置传感器)；

图4是磁悬浮式列车轨道子系统细节示意图(永磁轨道)；

图5是磁悬浮式列车轨道子系统细节示意图(电励磁轨道)；

图6是电机单元示意图(次级分块式结构)；

图7是电机单元示意图(次级齿槽式结构)；

图8是轮轨式列车轨道子系统示意图(采用位置传感器)；

图9是轮轨式列车轨道子系统示意图(采用速度传感器)；

其中，1-供电子系统，2-列车车体，3-牵引驱动子系统，4-列车轨道子系统，20-列车车厢，21-列车车厢直流用电设备，22-列车车厢交流用电设备，30-电机单元，31-逆变单元，32- 位置检测单元，33-制冷单元，34-电机控制单元，40-轮轨式次列车轨道子系统，41-磁悬浮式列车轨道子系统，300-初级，301-次级，320-位置传感器，321-基于电流和电压信号的无位置传感器，322-速度传感器，400-导轨，401-列车车轮，402-转向架，410-永磁轨道，411-电励磁轨道，412-悬浮超导单元，3000-初级铁芯，3001-电枢绕组，3002-超导励磁绕组，3003-超导电机用杜瓦装置，3010-齿槽式结构，3011-分块式结构，3200-位置信号发生器，3201-位置信号检测器，4100-永磁体，4110-直流线圈，4120-超导线圈，4121-悬浮超导单元用杜瓦装置.

具体实施方式

本发明提供一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，为使本发明的目的，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发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，包括供电子系统1，列车车体2、牵引驱动子系统3以及列车轨道子系统4；

所述供电子系统1将电网提供的交流电整流成为直流电，提供给列车车体2和牵引驱动子系统3；

所述列车车体2包括若干节列车车厢20、列车车厢直流用电设备21与列车车厢交流用电设备22；

所述牵引驱动子系统3包括电机单元30、逆变单元31、位置检测单元32、制冷单元33 与电机控制单元34。

进一步的，所述牵引驱动子系统3中：

所述电机单元30包括若干台超导磁通切换直线电机，所述超导磁通切换直线电机包括固定于所述列车车体2下方的初级300与沿轨道铺设的次级301；

所述逆变单元31安装于车体2内，将所述供电子系统1提供的直流电逆变为三相对称的交流电，提供给电机单元30，位置检测单元32，制冷单元33，电机控制单元34和和列车车厢交流用电设备22；

所述位置检测单元32通过传感器获得反映当前超导磁通切换直线电机所在位置的位置信号，将其提供给电机控制单元34；

所述制冷单元33安装于车体2内，包括若干台制冷机，与所述初级300相连，以维持超导所需温度；

所述电机控制单元34安装于车体2内，用于控制电机单元30。

更进一步的，所述电机单元30中：

所述初级300包括初级铁芯3000，电枢绕组3001，超导励磁绕组3002与超导电机用杜瓦装置3003；

所述超导励磁绕组3002单独置于多个超导电机用杜瓦装置3003中，或整个初级300均置于一个超导电机用杜瓦装置3003中；

所述次级301为齿槽式结构3010或分块式结构3011。

作为一种优选，所述位置检测单元32的传感器为位置传感器320，或基于电流和电压信号的无位置传感器321，或安装于车轮的速度传感器322；

所述位置传感器320分为位置信号发生器3200与位置信号检测器3201，所述位置信号发生器3200安装于列车车体2下方的车板上，位置信号检测器3201沿轨道铺设；

所述基于电流和电压信号的无位置传感器321设于列车车体2，测量所述初级300中电枢绕组3001的电流与电压信号，提供给电机单元30计算并得到位置信号。

作为一种优选，所述列车轨道子系统4为轮轨式列车轨道子系统40或磁悬浮式列车轨道子系统41；

所述轮轨式列车轨道子系统40包括导轨400、列车车轮401与转向架402；

所述磁悬浮式列车轨道子系统41包括永磁轨道410或电励磁轨道411，以及悬浮超导单元412；

所述永磁轨道410包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的永磁体4100；

所述电励磁轨道411包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的直流线圈4110；

所述悬浮超导单元412包括若干个安装于列车车体2下方的超导线圈4120与悬浮超导单元用杜瓦装置4121，超导线圈4120设于悬浮超导单元用杜瓦装置4121内。

实施例1

参见图1，图1为本发明的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统整体示意图。如图所示，列车系统分为四个子系统，分别为供电子系统1，列车车体2，牵引驱动子系统3以及列车轨道子系统4。其中供电子系统1一端与电网相连，另一端与列车车体2相连，驱动子系统3安装于列车车体2下方，轨道系统负责引导列车前进方向以及支撑列车车厢。

参见图2，图2为本实施例的供电示意图。如图所示，供电子系统1一端与电网相连，通过整流，将电网提供的交流电转变为高压直流电；供电子系统1的另一端与列车车体2相连，为其提供高压直流电。列车车体2得到的直流电，一部分通过调压，直接提供给列车车厢直流用电设备21；另一部分则提供给牵引驱动子系统3中的逆变单元31，逆变单元31将高压直流电逆变成为三相交流电，提供给电机单元30，位置检测单元32，制冷单元33，电机控制单元34和和列车车厢交流用电设备22。其中，逆变单元31提供给电机单元30的交流电压与频率受到电机控制单元34发出的信号控制。

参见图3，图3为本实施例的磁悬浮式列车轨道子系统示意图。为了更清晰的说明列车系统的结构，图3中不仅显示了列车轨道子系统4，还显示了一部分牵引驱动子系统3。如图 3，本实施例采用的是磁悬浮式列车轨道子系统41，该子系统包括永磁轨道410或电励磁轨道411，以及悬浮超导单元412。如图3，悬浮超导单元412置于车体2下方两边，永磁轨道410或电励磁轨道411沿轨道两边铺设，与悬浮超导单元412相对。值得一提的是，本实施例为了更好地说明永磁轨道410或电励磁轨道411的特点，因此在两种轨道在下文中均会得到介绍。

图3所示的牵引驱动子系统3中，电机单元30的初级300安装于车体2的下方，电机单元30的次级301则沿轨道铺设，位于轨道的中间，与初级300相对。制冷单元33安装于车体2，通过维持初级300的超导电机用杜瓦装置3003内的温度，保证超导励磁绕组3002工作在超导态。此外，制冷单元33还维持悬浮超导单元412中的悬浮超导单元用杜瓦装置4121 的温度，保证超导线圈4120的温度。本实施例中，位置检测单元32采用的是基于电流和电压的无位置传感器321。列车运行时，基于电流和电压的无位置传感器321通过测量电机单元30的初级300中的三相电压和电流，并提供给安装于列车车体2的电机控制单元34，以便电机控制单元34计算初级300与次级301的相对位置，以控制电机单元30。

为了更好地说明永磁轨道410或电励磁轨道411各自的特点，图4展示了采用永磁磁轨道410的磁悬浮式列车轨道子系统41.由于该子系统两边对称，图中仅显示了单边的结构。如图4所示，该子系统采用永磁轨道410提供浮力，悬浮超导单元412置于车体2下方，永磁轨道410沿轨道铺设，与悬浮超导单元412相对。悬浮超导单元412中，超导线圈4120等间距排布，所有超导线圈通电4120后磁场方向相同，所有超导线圈4120置于悬浮超导单元用杜瓦装置4121内。永磁轨道410中，极性相同的永磁体等间距排布，并且与与其相对的悬浮超导单元412中的超导线圈4120极性相反。永磁轨道410的优点在于维护方便，磁场强度强，无需后续供电。

为了更好地说明永磁轨道410或电励磁轨道411各自的特点，图5展示了采用电励磁轨道411的磁悬浮式列车轨道子系统41。由于该子系统两边对称，图中仅显示了单边的结构。如图5所示，该子系统采用电励磁轨道411提供浮力，电励磁轨道411中，空心的直流线圈4110等间距排布，所有直流线圈4110磁场方向相同，并与与其相对的悬浮超导单元412中的超导线圈4120极性相反。电励磁轨道411的优点在于建设成本较低，并且励磁可调。

参见图6，图6为本实施例采用的电机单元示意图。如图所示，本实施例中的电机单元 30的次级301为分块式结构3011。电机单元30分为初级300与次级301；初级300包括初级铁芯3000，电枢绕组3001，超导励磁绕组3002和超导电机用杜瓦装置3003，本实施例中，多个超导电机用杜瓦装置3003单独将超导励磁绕组3002各个包裹起来，为其提供低温运行环境；次级301的分块式结构3011为铁芯，可由非导磁材料进行加固。采用单独包裹各个超导励磁绕组3002的优点在于超导励磁绕组之间3002互不影响，因此整体的容错性能较好。

本实施例的特点在于：由于采用超导磁通切换直线电机驱动，本实施例具有高功率密度，高效率，高功率因数，易于调速，次级结构简单可靠且成本较低的优点；同时，由于驱动电机的超导励磁绕组由多个超导电机用杜瓦装置分开隔热，因此容错性能较高；此外，由于采用超导磁悬浮结构，本实施例的运行阻力大大减小，适合在中高速场合运行。

实施例2

参见图7、图8与图9，本实施的基本结构与实施例1相同，两者的区别在于，本实施例采用轮轨式列车轨道子系统40，电机单元30的次级301为齿槽式结构3010，位置检测单元32采用位置传感器320或速度传感器322。值得一提的是，为了更好地说明上述两种位置检测方式，这两种方式在下文均会介绍。

图7为本实施例采用的电机单元示意图。如图所示，本实施例中的电机单元30的次级 301为分块式结构3011。电机单元30分为初级300与次级301；初级300包括初级铁芯3000，电枢绕组3001，超导励磁绕组3002和超导电机用杜瓦装置3003，本实施例中，单个超导电机用杜瓦装置3003将初级铁芯3000，电枢绕组3001，超导励磁绕组3002整体包裹起来，为其提供低温运行环境；次级301的齿槽式结构3011为铁芯。采用整体包裹整个初级300的优点在于超导励磁绕组3002占有的槽面积较小，能够增加励磁电流安匝数以达到更大的输出推力，或增加铁芯用量以缓解铁芯饱和程度以达到更高的效率与功率因数。

图8为本实施例的轮轨式列车轨道子系统示意图(采用位置传感器)。为了更清晰的说明列车系统的结构，图8中不仅显示了列车轨道子系统4，还显示了一部分牵引驱动子系统3。如图所示，本实施例采用的是轮轨式列车轨道子系统40，该子系统包括导轨400、列车车轮 401与转向架402。列车车轮401安装于转向架402上，与导轨400紧密接触。

图8所示的牵引驱动子系统3中，电机单元30的初级300安装于转向架402的下方，随着转向架402的方向调整，提供不同方向的电磁推力；电机单元30的次级301则沿轨道铺设，位于轨道的中间，与初级300相对。制冷单元33安装于车体2，通过维持初级300的超导电机用杜瓦装置3003内的温度，保证超导励磁绕组3002工作在超导态。

如图8中所示，位置传感器320分为位置信号发生器3200与位置信号检测器3201，其中，位置信号发生器3200安装于列车车体2下方的车板上，位置信号检测器沿次级301安装，与位置信号发生器3200相对。列车运行时，位置信号发生器3200以某一预设频率发出信号，位置信号检测器3201收到该信号，以此确定初级300与次级301之间的相对位置，并提供给安装于列车车体2的电机控制单元34，以便电机控制单元34控制电机单元30。

图9为本实施例的轮轨式列车轨道子系统示意图(采用速度传感器)，与采用位置传感器 320的不同之处在于，速度传感器322安装于列车车轮上，通过检测车轮的运行速度，得到列车的运行速度，并将其速度信号传递给电机控制单元34，经过计算处理得到位置信号。

本实施例的特点在于：由于采用超导磁通切换直线电机驱动，本实施例具有高功率密度，高效率，高功率因数，易于调速，次级结构简单可靠且成本较低的优点；同时，由于驱动电机初级由单个超导电机用杜瓦装置隔热，因此可用槽面积更大。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，包括供电子系统(1)，列车车体(2)、牵引驱动子系统(3)以及列车轨道子系统(4)，其特征在于，

所述供电子系统(1)将电网提供的交流电整流成为直流电，提供给列车车体(2)和牵引驱动子系统(3)；

所述列车车体(2)包括若干节列车车厢(20)、列车车厢直流用电设备(21)与列车车厢交流用电设备(22)；

所述牵引驱动子系统(3)包括电机单元(30)、逆变单元(31)、位置检测单元(32)、制冷单元(33)与电机控制单元(34)。

2.根据权利要求1所述的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，其特征在于，所述牵引驱动子系统(3)中：

所述电机单元(30)包括若干台超导磁通切换直线电机，所述超导磁通切换直线电机包括固定于所述列车车体(2)下方的初级(300)与沿轨道铺设的次级(301)；

所述逆变单元(31)安装于车体(2)内，将所述供电子系统(1)提供的直流电逆变为三相对称的交流电，提供给电机单元(30)，位置检测单元(32)，制冷单元(33)，电机控制单元(34)和列车车厢交流用电设备(22)；

所述位置检测单元(32)通过传感器获得反映当前超导磁通切换直线电机所在位置的位置信号，将其提供给电机控制单元(34)；

所述制冷单元(33)安装于车体(2)内，包括若干台制冷机，与所述初级(300)相连，以维持超导所需温度；

所述电机控制单元(34)安装于车体(2)内，用于控制电机单元(30)。

3.根据权利要求2所述的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，其特征在于，所述电机单元(30)中：

所述初级(300)包括初级铁芯(3000)，电枢绕组(3001)，超导励磁绕组(3002)与超导电机用杜瓦装置(3003)；

所述超导励磁绕组(3002)单独置于多个超导电机用杜瓦装置(3003)中，或整个初级(300)均置于一个超导电机用杜瓦装置(3003)中；

所述次级(301)为齿槽式结构(3010)或分块式结构(3011)。

4.根据权利要求3所述的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，其特征在于，

所述位置检测单元(32)的传感器为位置传感器(320)，或基于电流和电压信号的无位置传感器(321)，或安装于车轮的速度传感器(322)；

所述位置传感器(320)分为位置信号发生器(3200)与位置信号检测器(3201)，所述位置信号发生器(3200)安装于列车车体(2)下方的车板上，位置信号检测器(3201)沿轨道铺设；

所述基于电流和电压信号的无位置传感器(321)设于列车车体(2)，测量所述初级(300)中电枢绕组(3001)的电流与电压信号，提供给电机单元(30)计算并得到位置信号。

5.根据权利要求1～3任一项所述的一种超导磁通切换直线电机驱动的轨道交通列车系统，其特征在于，

所述列车轨道子系统(4)为轮轨式列车轨道子系统(40)或磁悬浮式列车轨道子系统(41)；

所述轮轨式列车轨道子系统(40)包括导轨(400)、列车车轮(401)与转向架(402)；

所述磁悬浮式列车轨道子系统(41)包括永磁轨道(410)或电励磁轨道(411)，以及悬浮超导单元(412)；

所述永磁轨道(410)包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的永磁体(4100)；

所述电励磁轨道(411)包括若干个沿轨道铺设的磁场方向相同的直流线圈(4110)；

所述悬浮超导单元(412)包括若干个安装于列车车体(2)下方的超导线圈(4120)与悬浮超导单元用杜瓦装置(4121)，超导线圈(4120)设于悬浮超导单元用杜瓦装置(4121)内。

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