一種中低速常導磁浮車輛驅(qū)動電機定子繞組多段分布構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及常導磁浮機構(gòu)，尤其是一種中低速常導磁浮列車直線異步電機 結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國已建有兩條中低速常導磁浮列車試驗線路，磁浮列車機械和電氣部分的 設(shè)計基本上是仿照日本服ST型磁浮列車方案，即每輛磁浮車是由S個或5個磁轉(zhuǎn)向架組 成車輛的走行部分，每個磁轉(zhuǎn)向架兩側(cè)各有四個直流懸浮電磁鐵和1臺直線異步電機的定 子。前者產(chǎn)生磁懸浮力，后者產(chǎn)生車輛前進的驅(qū)動力即牽引力。為了通過小曲率半徑的線 路，一般磁轉(zhuǎn)向架的長度約為3m，而寬度隨線路的軌距而定。由于在磁轉(zhuǎn)向架靠線路中屯、 內(nèi)側(cè)有支撐滾輪，所W直線牽引電機沿線路的縱向長度受到限制，其長度約為2m，使得電機 寬而短，電機的端部效應(yīng)非常明顯。列車運行時，直線電機前端的磁場被削弱，使電機牽引 力減??；而電機后端有衰減的剩余磁場，產(chǎn)生與牽引力方向相反的磁拉力，也使電機牽引力 減小。每臺電機的前后端部效應(yīng)降低了電機效率，而且隨著速度的提高，端部效應(yīng)更為明顯 (注巧通過對圖1(a)和化）的比較看出端部效應(yīng)）
[0003] 目前中低速常導磁浮列車使用的直線異步電機效率n約為0. 6~0. 7。此外，影 響電機效率的因素是電機的無功磁化電流很大，電機的功率因數(shù)約為0. 5,電機繞組 的功耗較大。無功磁化電流大是由于磁浮列車懸浮氣隙5 = 8mm，為避免由于磁浮列車著 陸軌面時電機定子與導軌表面有機械接觸，預(yù)留3mm的間隙，所W電機氣隙往往超過11mm， 運是運行安全的要求，不能輕易減小。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種中低速常導磁浮列車直線異步電機的繞組多段分 布構(gòu)造，利用本構(gòu)造方式可在懸浮氣隙和電機氣隙不變的條件下，提高磁浮列車直線異步 電機的效率和功率因數(shù)，從而提高電機的品質(zhì)因數(shù)0 = W WS(9 . 陽0化]本實用新型為實現(xiàn)其實用新型目的，所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種中低速常導磁浮車輛驅(qū)動電機定子繞組多段分布構(gòu)造，在磁浮車輛中每節(jié) 車單側(cè)使用一臺大直線電機，將大電機定子繞組分為同等長度的N段，分別布置在相應(yīng)的N 個轉(zhuǎn)向架上，每段電機間的間距為1/3電機極距，相鄰兩段電機繞組布置不同，后一段電機 繞組的相序比前一段繞組相序滯后60度，從而使每段電機間氣隙磁場連續(xù)。
[0007] 一般情況下所述N為5。
[0008] 采用運樣的結(jié)構(gòu)，等同于每側(cè)用一臺大的直線電機來取代現(xiàn)有的每側(cè)多臺小直 線電機的分部構(gòu)造，即：將一臺大電機截成多段，分別布置在不同轉(zhuǎn)向架上，且每段電機間 的間距為=分之一電機極距。
[0009] 電機在截成多段后，每段電機繞組布置不同，后一段電機繞組的相序比前一段繞 組相序滯后60度，電機繞組的具體布置圖如圖2所示。
[0010] 由于電機后端部存在剩余磁場，可W跨越至下一段電機的前端，從而使每段電機 間氣隙磁場連續(xù)，為附圖3所示。如果現(xiàn)有方案磁浮車每側(cè)有五臺電機，通過本實用新型構(gòu) 造，其中間=臺沒有端部效應(yīng)，只有第一臺有前端去磁效應(yīng)和第五臺有后端剩磁效應(yīng)。除此 之外，更重要的是：五臺小電機可W用一臺功率大的電機設(shè)計，可使電機參數(shù)如極距T的 選擇更加合理優(yōu)化。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：
[0012] 電機功率可W相應(yīng)增加，再加上本實用新型對電機的一體化設(shè)計方法，必將使中 低速磁浮列車的牽引性能，如功率、效率和功率因數(shù)大為改善。經(jīng)過分析，要實現(xiàn)運一點是 完全可能的。其電機的品質(zhì)因數(shù)可W從現(xiàn)在0. 3左右提高到0. 5左右。
[0013] 其原理說明如下：
[0014] 吸力型中低速磁浮列車是依靠直流電磁鐵在氣隙中產(chǎn)生磁通，形成吸力來支承車 輛重量。所W希望車輛的重量越輕越好，減小車輛本身重量，意味著可W減小電磁鐵重量 及其損耗，或者說可W增加有效載荷。但目前中低速磁浮列車直線電機的品質(zhì)因數(shù)大約在 0. 3左右，運意味著電機和逆變器的設(shè)計容量大大增加，相應(yīng)的體積、重量和能耗都要增加， 所W，提高電機的品質(zhì)因數(shù)，對磁浮列車幾個關(guān)鍵的功率模塊，如電機、逆變器和懸浮電磁 鐵的技術(shù)參數(shù)會有巨大影響，必將對中低速磁浮列車整體性能有很大提高。
[0015] 根據(jù)直線電機優(yōu)化設(shè)計理論，功率大，極對數(shù)多、極距大，其效率和功率因數(shù)都 比較好。另外，用于軌道交通的直線牽引電機極距T的選擇，還必須滿足列車速度V = 2f T (I-S)的要求，其中f是交流供電頻率，S是電機滑差率。根據(jù)運些要求，現(xiàn)有中低速磁 浮列車直線牽引電機的長度僅為2m左右，很難滿足上述要求，致使該電機的技術(shù)參數(shù)十分 不理想。圖4表示=轉(zhuǎn)向架中低速磁浮列車現(xiàn)有電機方案，直線電機之間間距大，約900mm， 各電機之間磁場獨立，每個電機的前后端部效應(yīng)嚴重。電機本身短而寬，極對數(shù)P、極距T 和車輛速度V選擇困難。
[0016] 本實用新型是在磁浮車輛中每側(cè)用一臺大直線電機設(shè)計取代現(xiàn)有的每側(cè)多臺小 直線電機的獨立設(shè)計。設(shè)計時將該大電機截成多段，分別布置在不同轉(zhuǎn)向架上，每段電機間 的間距為S分之一電機極距，使電機氣隙磁場連續(xù)。具體設(shè)計時，在3m長的轉(zhuǎn)向架上，通過 適當調(diào)整位置，且將靠近支撐滾輪附近的電機繞組的伸出端部局部上曉，使電機避開支撐 滾輪的阻擋，從而可將直線電機長度從原來的2m增加到約近3m，電機之間間距從900mm減 少到100mm。圖5為本實用新型的電機設(shè)計方案，方案中兩個直線電機間間距減少到100mm， 使前后兩個直線電機的磁場連續(xù)，可視為一個電機來考慮，使電機設(shè)計長度從2m可增加 到9m，其端部效應(yīng)明顯減少，而且極對數(shù)和極距可W增大，電機的效率和功率因數(shù)將顯著提 高，為設(shè)計較高速度的磁浮列車創(chuàng)造條件。經(jīng)過分析，電機的品質(zhì)因數(shù)可W從現(xiàn)在0. 3左右 提局到0. 5左右。
【附圖說明】
[0017] 圖1(a)是磁浮車靜止時，一臺8極電機定子S相繞組在氣隙5中產(chǎn)生的正弦行 波磁場示意圖；圖1(b)是列車運行時，電機產(chǎn)生的正弦行波磁場示意圖。 陽01引 圖2是電機繞組分布圖。
[0019] 圖3是磁浮車運行時，本實用新型電機產(chǎn)生的正弦行波磁場示意圖。
[0020] 圖4是現(xiàn)有電機方案示意圖。
[0021] 圖5是本實用新型電機設(shè)計方案示意圖。
[0022] 在圖中，①磁轉(zhuǎn)向架②直線電機初級③電機次級反應(yīng)板④導軌⑥車體⑧支 撐滾輪。為作圖方便，圖4和圖5方案中，均采用=段轉(zhuǎn)向架予W簡略表示。
【具體實施方式】
[0023] 現(xiàn)有日本或我國自主研發(fā)磁浮車，它們都有5個轉(zhuǎn)向架組成，轉(zhuǎn)向架長約3000mm， 每個轉(zhuǎn)向架上有2臺直線電機，其長度為（2000~2200)mm，前后相鄰兩臺直線電機之間的 間隙為900mm左右，如圖4所示。列車運行時，運種電機前端的磁場被削弱，使電機牽引力 減?。欢姍C后端有衰減的剩余磁場，產(chǎn)生與牽引力方向相反的磁拉力，也使電機牽引力減 小。故電機的前后端部效應(yīng)降低了電機效率。
[0024] 具體地說，已有一輛最高時速為lOOkm/h，滿載重約25t的5磁轉(zhuǎn)向架磁浮車，車輛 兩側(cè)各有5臺50kW直線牽引異步電機，電機的設(shè)計額定電壓240V，極距T = 240mm，效率 n > 0. 6,功率因數(shù)COS d) > 0. 57,電機品質(zhì)系數(shù)n COS d) > 0. 6*0. 57 = 0. 34。采用本實 用新型方案（圖5所示），設(shè)計車輛每側(cè)用一臺電機，設(shè)計功率P = 5*50 = 250kW，設(shè)計額 定電壓相應(yīng)增加5倍，為1200V，極距T = 300mm，前后電極之間間距100mm，滿足磁場連續(xù) 間距應(yīng)小于1/3 T的要求?？墒闺姍C效率n > 0. 75,功率因數(shù)COS 4 > 0. 6,電機品質(zhì)系 數(shù)n COSd) > 0.75*0. 6 = 0.45,從而比原來0.34的品質(zhì)系數(shù)提高了 30%。
【主權(quán)項】
1. 一種中低速常導磁浮車輛驅(qū)動電機定子繞組多段分布構(gòu)造，其特征在于，在磁浮車 輛中每節(jié)車單側(cè)使用一臺大直線電機，將大電機定子繞組分為同等長度的N段，分別布置 在相應(yīng)的N個轉(zhuǎn)向架上，每段電機間的間距為1/3電機極距，相鄰兩段電機繞組布置不同， 后一段電機繞組的相序比前一段繞組相序滯后60度，使每段電機間氣隙磁場連續(xù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中低速常導磁浮車輛驅(qū)動電機定子繞組多段分布構(gòu)造，其特 征在于，所述N為5。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中低速常導磁浮車輛驅(qū)動電機定子繞組多段分布構(gòu)造，其特 征在于，所述定子繞組多段分布構(gòu)造應(yīng)用于磁浮輕軌或地鐵直線異步電機驅(qū)動機構(gòu)中。
【專利摘要】本實用新型公開了一種中低速常導磁浮車輛電機定子繞組多段分布構(gòu)造,在磁浮車輛中每節(jié)車單側(cè)使用一臺大直線電機,將大電機定子繞組分為同等長度的N段，分別布置在相應(yīng)的N個轉(zhuǎn)向架上，每段電機間的間距為1/N電機極距，相鄰兩段電機繞組布置不同，后一段電機繞組的相序比前一段繞組相序滯后60度,從而使每段電機間氣隙磁場連續(xù)。本實用新型構(gòu)造可使電機的效率和功率因數(shù)顯著提高，并為設(shè)計較高速度的磁浮列車創(chuàng)造條件。類似的設(shè)計原理可應(yīng)用于輪軌車輛如輕軌或地鐵直線異步電機驅(qū)動方式。
【IPC分類】H02K41/025, H02K3/28
【公開號】CN205141965
【申請?zhí)枴緾N201520869269
【發(fā)明人】連級三, 王瀅, 郭小舟, 劉春
【申請人】西南交通大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月3日