一種中低速常導磁浮車輛電機定子繞組多段分布構造
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及常導磁浮機構，尤其是一種中低速常導磁浮列車直線異步電機結構。
【背景技術】
[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 設計基本上是仿照日本HSST型磁浮列車方案，即每輛磁浮車是由三個或5個磁轉向架組 成車輛的走行部分，每個磁轉向架兩側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)生車輛前進的驅動力即牽引力。為了通過小曲率半徑的線 路，一般磁轉向架的長度約為3m，而寬度隨線路的軌距而定。由于在磁轉向架靠線路中心 內(nèi)側有支撐滾輪，所以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降低了電機效率，而且隨著速度的提高，端部效應更為明顯 (注：可通過對圖1(a)和（b)的比較看出端部效應）
[0003] 目前中低速常導磁浮列車使用的直線異步電機效率η約為〇. 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)1^^9約為〇. 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δ=8_，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，預留3mm的間隙，所以電機氣隙往往超過11mm， 這是運行安全的要求，不能輕易減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明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 造，利用本構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因數(shù)P=C0Sp。
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術方案是：
[0006] -種中低速常導磁浮車輛驅動電機定子繞組多段分布構造，在磁浮車輛中每節(jié) 車單側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，分別布置在相應的N 個轉向架上，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] 采用這樣的結構，等同于每側用一臺大的直線電機來取代現(xiàn)有的每側多臺小直 線電機的分部構造，即：將一臺大電機截成多段，分別布置在不同轉向架上，且每段電機間 的間距為三分之一電機極距。
[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，可以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)有方案磁浮車每側有五臺電機，通過本發(fā)明構造， 其中間三臺沒有端部效應，只有第一臺有前端去磁效應和第五臺有后端剩磁效應。除此之 外，更重要的是：五臺小電機可以用一臺功率大的電機設計，可使電機參數(shù)如極距τ的選 擇更加合理優(yōu)化。
[0011] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0012] 電機功率可以相應增加，再加上本發(fā)明對電機的一體化設計方法，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)這一點是完全 可能的。其電機的品質因數(shù)可以從現(xiàn)在〇. 3左右提尚到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。所以希望車輛的重量越輕越好，減小車輛本身重量，意味著可以減小電磁鐵重量 及其損耗，或者說可以增加有效載荷。但目前中低速磁浮列車直線電機的品質因數(shù)大約在 0. 3左右，這意味著電機和逆變器的設計容量大大增加，相應的體積、重量和能耗都要增加， 所以，提高電機的品質因數(shù)，對磁浮列車幾個關鍵的功率模塊，如電機、逆變器和懸浮電磁 鐵的技術參數(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τ的選擇，還必須滿足列車速度ν = 2fT(1-s)的要求，其中f是交流供電頻率，s是電機滑差率。根據(jù)這些要求，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，致使該電機的技術參數(shù)十分 不理想。圖4表示三轉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嚴重。電機本身短而寬，極對數(shù)P、極距τ 和車輛速度ν選擇困難。
[0016] 本發(fā)明是在磁浮車輛中每側用一臺大直線電機設計取代現(xiàn)有的每側多臺小直線 電機的獨立設計。設計時將該大電機截成多段，分別布置在不同轉向架上，每段電機間的間 距為三分之一電機極距，使電機氣隙磁場連續(xù)。具體設計時，在3m長的轉向架上，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撓，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 100_。圖5為本發(fā)明的電機設計方案，方案中兩個直線電機間間距減少到100_，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，使電機設計長度從2m可增加到9m，其 端部效應明顯減少，而且極對數(shù)和極距可以增大，電機的效率和功率因數(shù)將顯著提高，為設 計較高速度的磁浮列車創(chuàng)造條件。經(jīng)過分析，電機的品質因數(shù)可以從現(xiàn)在〇. 3左右提高到 0. 5左右。
【附圖說明】
[0017] 圖1(a)是磁浮車靜止時，一臺8極電機定子三相繞組在氣隙δ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。
[0018] 圖2是電機繞組分布圖。
[0019] 圖3是磁浮車運行時，本發(fā)明電機產(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是本發(fā)明電機設計方案示意圖。
[0022] 在圖中，①磁轉向架②直線電機初級③電機次級反應板④導軌⑤車體⑥支 撐滾輪。為作圖方便，圖4和圖5方案中，均采用三段轉向架予以簡略表示。
【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個轉向架組成，轉向架長約3000_， 每個轉向架上有2臺直線電機，其長度為（2000~2200)_，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，這種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。故電機的前后端部效應降低了電機效率。
[0024] 具體地說，已有一輛最高時速為100km/h，滿載重約25t的5磁轉向架磁浮車，車 輛兩側各有5臺50kW直線牽引異步電機，電機的設計額定電壓240V，極距τ= 240mm，效 率q~〇· 6,功率因數(shù)cosΦ~0· 57,電機品質系數(shù)ncosΦ~0· 6*0. 57 = 0· 34。采用本 發(fā)明方案（圖5所示），設計車輛每側用一臺電機，設計功率P= 5*50 = 250kW，設計額定 電壓相應增加5倍，為1200V，極距τ= 300mm，前后電極之間間距100mm，滿足磁場連續(xù)間 距應小于1/3τ的要求?？墒闺姍C效率η^ 0.75,功率因數(shù)cosΦ^ 0.6,電機品質系數(shù) qcosΦ~0. 75*0. 6 = 0. 45,從而比原來0. 34的品質系數(shù)提高了 30%。
【主權項】
1. 一種中低速常導磁浮車輛驅動電機定子繞組多段分布構造，其特征在于，在磁浮車 輛中每節(jié)車單側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 在相應的N個轉向架上，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)權利要求1所述的中低速常導磁浮車輛驅動電機定子繞組多段分布構造，其特 征在于，所述N為5。3. 根據(jù)權利要求1所述的中低速常導磁浮車輛驅動電機定子繞組多段分布構造，其特 征在于，所述定子繞組多段分布構造應用于磁浮輕軌或地鐵直線異步電機驅動機構中。
【專利摘要】本發(fā)明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造,在磁浮車輛中每節(jié)車單側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，分別布置在相應的N個轉向架上，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)。本發(fā)明構造可使電機的效率和功率因數(shù)顯著提高，并為設計較高速度的磁浮列車創(chuàng)造條件。類似的設計原理可應用于輪軌車輛如輕軌或地鐵直線異步電機驅動方式。
【IPC分類】H02K41/025, H02K3/28
【公開號】CN105356718
【申請?zhí)枴緾N201510738389
【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2月24日
【申請日】2015年11月3日