CN88102802A - 自悬浮直流直线电动机 - Google Patents

Abstract

一种自悬浮直流直线电动机，沿电枢径向极性相反的多对磁极对称分布在电枢两侧，沿电枢轴向相邻的单个磁极极性相反，其特征在于磁极嵌入工字形轨道电枢所形成的槽内并与电枢内壁形成上、中、下三个空气隙。当磁极处于悬浮状态时，上、中、下三个空气隙δ₁、δ₂、δ₃的关系为δ₁＜δ₂＜δ₃。工字形轨道电枢是由大量C形钢板相互交替叠装而成。电刷只安置在磁极排的中部和两端，中部电刷接电源，两端电刷接地。

Description

本发明是自悬浮直流直线电动机。

现今的磁悬浮直线感应电动机或直线同步电动机，其悬浮装置和推进装置是两套各自独立的系统，结构复杂，体积庞大，而已知的直流直线电动机也尚不具有自悬浮功能。中国专利87102996公开了一种横向磁通的直流直线电动机，沿电枢径向极性相反的多对磁极对称分布在电枢两侧，沿电枢轴向排列的相邻的单个磁极极性相反，电刷放在磁极的几何中性线上，这也仅起到推进作用而并无悬浮功能。

本发明的目的在于提供一种将悬浮装置和推进装置合为一体的自悬浮直流直线电动机。

图1为本发明的结构示意图。

本发明是这样实现的：电枢两侧的磁极伸进工字形轨道电枢所形成的槽内并与电枢的内侧面形成上、中、下三个气隙，磁通以放射状穿过三个气隙而进入电枢与电枢电流作用产生了推进力;并利用磁通与电枢上部铁心间的吸引力构成悬浮装置。

本发明由移动部分（动子）和固定部分（定子）组成，移动部分是成对的激磁磁极1，固定部分是工字形轨道电枢，沿电枢径向极性相反的多对磁极1对称分布在电枢的两侧，沿电枢轴向排列的相邻的单个磁极极性相反，电枢两侧的磁极各有其公用的轭铁3，两排磁极安装在C形铁心构件4上，磁极1嵌入工字形轨道电枢所形成的槽内，使磁极的上、中、下三个端面与电枢内侧面形成δ₁+H，δ₂，δ₃三个空气隙（磁极处于初始状态）;或者为δ₁，δ₂，δ₃+H（磁极处于悬浮状态），激磁磁通呈放射状从磁极的三个端面穿过电枢经过公用轭铁3和C形铁心4形成回路。

图2为磁极初始状态的位置图

图3为磁极悬浮后的位置图

当磁极处于初始状态位置时，磁极下端面与电枢形成的空气隙

δ₃由机座5和底座10所限定，激磁绕组2通电后，由于设计时保证δ₁+H＜δ₃，上面一路磁阻最小，磁通穿过气隙δ₁+H与上部的电枢铁心的吸引作用产生悬浮力F₁，而磁通穿过气隙δ₃与下部的电枢铁心的吸引作用则产生向下吸引力F₃，只要满足F₁≥（动子重量m_g+F₃）即SB³ ₁/μ_o≥（mg+SB² ₃/μ_o）磁极就会悬起，使机座5脱离轨道6，（式中：如So为单个磁极上端或下端的工作面积，如有几对磁极，则S＝nSo，B₁、B₃各为磁极上、下端面的气隙磁密，μ_o为空气的导磁系数。）当磁势为定值时，气隙磁密近似与气隙长度成反比，设δ₁为达到予定提升高度H时的最小气隙，δ₃为下部气隙（未提升时），如取F₁＝1.1mg≥10F₃，即可忽略向下吸引力F₃的影响，亦即SB² ₁/μ_o≥10SB² ₃/μ_o;或δ₃≥10（δ₁+H）²，得出初始状态下，上气隙的合理比值为δ₃/（δ₁+H）≥ $\sqrt{\mathrm{10}}$ ;

设δ₁＝3mm，H＝7mm，则δ₃＝32mm，

当磁极已提升到予定高度H时，代入以上数据则气隙比值变为（δ₃+H）/δ₁＝ (32+7)/3 ＝13，此时F₁/F₃＝13²故F₃更是微不足道。实质上当上部气隙趋于δ₁时，电枢上部铁心亦趋于饱和，悬浮力不再增加，而磁通会转移至中部和下部。磁通在铁心里的这种自适应调节使悬浮装置具有较软的悬浮刚度（悬浮刚度＝悬浮力对气隙的变化率/设计的悬浮力），从而避免了当路轨不平时出现的暴起暴落现象。

为提高磁极的自行稳定作用，工字形轨道电枢的四个内侧角尖处开有四个通孔并填有绝缘材料，这样就使电枢形成与磁极的三个端面相对应的三个凸台，凸台的高度不小于气隙δ₁的5～8倍，以形成明显的导磁媒质的分界线，使磁极的每个端面能与相应的凸台对齐，这时即达到静平衡位置。而δ₁即为磁极达到予定提升高度H时的最小气隙。由于干扰使磁极有所偏移（水平或垂直方向）时，则磁力线的纵张力所形成的复原力就会将磁极重新拉向静平衡位置。这种复原力的水平分量用来导向，而垂直分量用来稳定悬浮高度，这就起到了自身稳定静平衡位置的作用。

图4为构成电枢主体的C形钢板外形图。

工字形轨道电枢是由大量相互绝缘的C形钢板7正反交替叠装而成。将距离等于极距τ的正反两块C形板的端部用跨接线8联接起来即构成一个绕组元件，C形板起着导电片，导磁体和换向片的作用。相邻C形板间的间隙用绝缘物12填充，跨接线8与C形板端部可由连接套管11来固定。另外C形板还开有能在电枢内侧角上形成通孔的4个槽口。当然，电枢还可由工字形钢片叠装而成，电枢开槽，槽内安放绕组。

本发明还采用了一种新的由电刷移接换向，向电枢绕组供电的方式，即沿电枢全长绕有a（a为偶数）条独立的波形绕组支路，相邻两绕组的起始边相差2τ/a的距离，每个绕组元件两有效边的跨距都等于极距τ，只在磁极排的两端和中部（相当于磁极中心线的位置上）安置少量的电刷9，将处于动子所在段内的a条支路进行串、并连接，形成所需的完整的电枢回路，取消大量如常规电机的位于磁极几何中性线上的电刷对。同样，所述方案也适用于带有线圈线组的电枢。

图5a示出一台8对磁极的电机接线原理图。

图5b是对应的展开图。

图5c是支路连接图。

沿电枢全长绕有6条独立的波形绕组支路，c形板在磁极所在段内的编号是（1′-61′）～（61′-66′），构成一个电枢绕组元件的两C形板的有效边的跨距为极距τ，在磁极排的中部和两端共安有6块电刷A-F。中部电刷A、B分别接触31′、33′、35′和32′、34′、36′号导电片和正、负电源端子，两端电刷C、D和E、F分别将（1′-6′）和（61′-66′）导电片短接并接地，形成6路并联完整的电枢绕组回路，电流从正电源经电刷A分左、右两路经电刷C、D和E、F汇集于电刷B至负电源上。

这种只将电刷安置在磁极排的中部和两端并使中部的电刷接正、负电源，两端电刷短路接地的方式，保证了全线除动子所在那段电枢绕组通电外，其余线段都不会处于高电位，也无泄漏的危险。并允许多节动子同时在一条电枢轨道上运行。尤其是在需要增加动子磁极对数时或有多节处于统一控制下的动子联挂运行时，也勿需增添电刷数目。

本发明的磁极伸进工字形轨道电枢的槽内，利用磁极对上部电枢铁心间形成的悬浮力以及磁极对电枢电流间形成的推进力，将悬浮装置和推进装置合为一体，减小了体积和成本。同时，由于电枢铁心是互相隔开的C形叠片，当磁极高速运动时在电枢铁心中不会感生涡流也不形成阻力。另按电磁铁的起重力是与铁心的面积和磁密的平方成正比的，故C形片间有间隙使衔铁对应于磁极的面积减少而磁密增加，对提高悬浮力有利。再则，动子重心下移并落在电枢轨道的中心线上，这对动子在动态时保持侧向平衡也是有利的。同时导轨6也兼起密封和加固电枢的作用。

在保持本发明的结构特征不变的情况下，并利用已知技术，如从地面分段（1-10公里）向电枢供电，以及利用二次感应的方法取得动子所需的电能，则可完全取消电刷、接触网、集电弓等不利于高速运行的装置，使动子和电枢完全脱离接触，实现超高速运行，这时只需将电枢绕组在该段的首、尾线头引出并通过区段换接开闭器将其接成多相绕组（三相、四相、六相）、由地面向电枢供以多相直流脉冲电流即可实现超高速运行。

图6a是一种四相无刷电机的展开图。

图6b是其供电和支路连接示意图。

图示由地面分段向电枢供给脉冲宽度为3/4T（T是脉冲周期），初相差为1/4T的四相直流脉冲电流，由地面调整脉冲重复频率和脉冲幅值来调节速度。图中还标出了对应于一个周期内各时刻磁极排边线所在位置。

Claims (4)

1、一种自悬浮直流直线电动机，沿电枢径向极性相反的多对磁极对称分布在电枢两侧，沿电枢轴向排列的相邻的单个磁极极性相反，其特征在于磁极嵌入工字形轨道电枢所形成的槽内并与电枢内壁形成上、中、下三个空气隙，当磁极处于初始状态时上气隙δ₁′＜下气隙δ₃′。

2、如权利要求1所述的自悬浮直流直线电动机，其特征在于工字形轨道电枢的四个内侧角上开有通孔，形成与所嵌入的磁极的三个端面相对应的三个凸台，磁极在悬浮状态时，其上、中、下三个端面能与所对应的凸台对齐。

3、如权利要求2所述的自悬浮直流直线电动机，其特征在于工字形轨道电枢是由C形板相互交替叠装而成，C形板上开有能在电枢内侧角上形成通孔的槽口。

4、如权利要求1、2或3所述的自悬浮直流直线电动机，其特征在于只在磁极排的中部和磁极排两端安置有电刷，中部电刷接正、负电源，两端电刷分别接地。

Images