变极距长初级双边直线感应电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及舰载机电磁弹射技术领域，具体涉及长初级双边直线感应电机用作直 线驱动系统。
【背景技术】
[0002] 目前，国内外电磁弹射驱动直线电机主要采用长初级双边直线感应电机。其电机 结构简单，次级质量小，制造和运行成本低，运行安全可靠，逆变器大功率开关器件开关频 率较低，可以较好的适用于舰载机电磁弹射系统之中。
[0003] 然而针对电磁弹射驱动用直线感应电机均为恒极距直线电机，通过改变初级绕组 电流频率，改变电磁推力大小，进而控制弹射速度。然而在实际舰载机弹射过程中，时间短 暂，要不断检测位置和速度大小，整个系统较为复杂。实际的弹射过程是将25吨的物体，在 100m长的弹射轨道上从静止加速到100m/S，用时2s。简化分析过程，忽略空气阻力及外部 摩擦力，忽略飞机自身产生的牵引动力，假设弹射过程的牵引力仅由直线电机产生的电磁 推力提供，并假设整个过程处于恒加速过程，即保证电磁推力恒定不变。则需要直线电机产 生的电磁推力为1. 25MN，直线电机供能125MJ，功率62. 5MW。
[0004] 传统型定极距双边直线感应电机采用改变线圈绕组电流频率的方法控制电磁推 力输出，控制采用闭环反馈控制，要不断的检测弹射速度或者弹射位移量，而整个弹射过程 用时极短仅有2S，无疑会增加控制难度。再者，随着弹射速度的不断增加，传统定极距长初 级双边直线感应电机所需电流频率不断增加，必然逆变器频率要受到限制，高速时电流频 率的增大致使电机损耗增加。
【发明内容】
[0005] 鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种变极距长初级双边直线感应电 机，使之能克服现有技术的缺点。
[0006] 本发明的目的是通过如下的方法实现的。
[0007] 变极距长初级双边直线感应电机，主要由应用于航母舰载机电磁弹射作为驱动的 动力源，双边直线感应电机主要由次级铝板1和对称置于铝板上下两侧的长初级构成，长 初级由初级铁芯和嵌合在初级铁芯中的多个线圈绕组组成，依次级铝板的运动方向，即长 弹射轨道方向，相邻两个线圈绕组呈变极距布置。
[0008] 进一步地，所述变极距布置可以采用极距连续变换方式，亦可以采用极距分段变 化方式。
[0009] 所述极距连续，即是指，在依次级铝板的运动方向上，各线圈绕组间的极距连续增 加；所述极距分段变化，即是指，在依次级铝板的运动方向上，相邻两个以上线圈绕组具有 极距A而构成一组，另外相邻两个以上线圈绕组具有极距B构成另一组。
[0010] 采用这样的构造，用于航母舰载机电磁弹射用的变极距长初级双边直线感应电 机在100米长弹射轨道的不同位置处，双边直线感应电机的极距不相等，可以采用极距连 续变换方式，亦可以采用极距分段变化方式，整个舰载机弹射过程，初级线圈绕组的电流大 小、频率均保持不变。
[0011] 采用本发明的结构，制造也相对容易，仅需在电机初期设计加工制造时，不同位移 处，制造电机极距不同即可，电机极距可连续变化，亦可分段变化，制造过程可采用数控机 床方便加工。采用变极距双边直线感应电机作为弹射驱动，无需检测弹射速度和位移，初级 绕组电流大小、电流频率恒定，则随着弹射速度的不断增加，不会受到逆变器频率限制，亦 不会增加电机损耗，由于电流频率不变，弹射控制方式得以优化且更加简便。
[0012] 由上所述，在合理的设计条件下，采用本发明的结构，即可以满足航母用舰载机弹 射要求，亦可以优化弹射控制方式。弹射过程可将电流频率固定于一个合适的值，进而避免 电机损耗增加。
【附图说明】 [0013] 如下：
[0014] 附图1为长初级双边直线感应电机结构图。
[0015] 附图2为现有技术定极距长初级双边直线感应电机纵向截面图。
[0016] 附图3为本发明变极距长初级双边直线感应电机纵向截面图。
[0017] 附图4为现有技术定极距长初级双边直线感应电机初级结构图。
[0018] 附图5为本发明变极距长初级双边直线感应电机初级结构图。
[0019] 附图6定极距长初级双边直线感应电机和变极距长初级双边直线感应电机对应 的弹射位移与电流频率关系的仿真分析图。
[0020] 附图7是定极距长初级双边直线感应电机和变极距长初级双边直线感应电机对 应的弹射位移与弹射位移关系的仿真分析图。
[0021] 图8为变极距长初级双边直线感应电机设计参数。
[0022] 图9为变极距长初级双边直线感应电机定频200Hz时，不同弹射位置、速度所对应 的电机极距值。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步的详述。
[0024] 图1为直线感应电机部分结构图。直线感应电机均采用无槽绕组设计，可有效减 小体积并消除气隙磁场的齿谐波影响，次级板采用铝材料，质量轻，利于弹射要求。
[0025] 图2和图3所示分别为两种不同类型的直线感应电机结构示意图。定极距直线感 应电机绕组间距不变，变极距直线感应电机绕组间距连续变化；定子采取分段供电方式来 提高电压的利用率；图8所示。根据实际舰载机弹射需求，且忽略舰载机自身的牵引动力和 外界的摩擦阻力，过程需要的牵引力假设仅有直线感应电机提供，且认为电磁推力恒定，为 1. 25MN，则可以推导出变极距长初级双边直线感应电机结构设计参数。
[0026] 采用等效电路的方法推导直线感应电机电磁推力表达式。
[0027]
[0028] 式中，1?为初级绕组相数；Iρ12分别为初级相电流及次级折算到初级的相电流； ka为次级与初级长度的比例系数；s为滑差率，s= (Vs-Vx)/Vs，VJPVx分别为初级电流层 和次级沿X轴移动速度，Vs= 2τf，f为电机额定频率；r' 2为次级折算到初级的电阻；xmS 励磁电抗。
[0029]
[0030]
[0031] 式中，山为初级铁心宽度1/2;k"为初级绕组系数，为分布系数和短距系数的乘 积，取值ku = 1 ;ωi为初级绕组相串联匝数；σs为次级导体面电导率，σσd2,σ和d2 分别为次级导体体电导率及次级导体厚度1/2,σ取值3. 53X107s/m;p为电机极对数；τ 为电机极距，极距变化；μ。为真空磁导率，取值4πΧ10 7H/m;δe为电机有效电磁气隙，δe =kuk5δ，kjPkδ分别为铁心饱和系数和气隙系数，δ为电机机械气隙。图4、图5分别 给出了定极距长初级双边直线感应电机和变极距长初级双边直线感应电机初级部分的切 面结构。
[0032] 图9所示。根据理论分析建模，仿真分析验证理论计算有效性，并给出保证初级绕 组电流大小340Α，电流频率200Hz不变，电磁推力1. 25ΜΝ恒定时，不同弹射位置所对应的电 机极距值。实验验证了变极距长初级直线感应电机作为舰载机电机驱动的可行性。
[0033]图6所示。为了满足舰载机弹射需要，假定电机提供的电磁推力恒定，为1. 25丽 时，极距固定和极距变化，不同位移不同速度所需的电流频率关系。极距恒定时，弹射过程 采用控制电流频率控制电磁推力，极距恒定为〇. 30m，弹射过程电流频率不断增加。lm位移 处，即速度l〇m/s时，电流频率98Hz;10m位移处，即速度31. 62m/s时，电流频率134. 0Hz; 当速度增加到l〇〇m/s时，即100m舰载机起飞位置处，电流频率增加到248. 0Hz。整个弹射 过程滑差频率恒定为81. 3Hz左右，转差率s由0. 83依次减小到0. 33。
[0034] 图7所示。采用变极距双边直线感应电机弹射时，控制电流频率200Hz固定，同 样保证1. 25MN恒定，在设计电机时采用不同位移处电机极距不同设计方案，完成舰载机弹 射。lm位移处，即速度10m/s时，极距值0. 231m ;10m位移处，即速度31. 62m/s时，极距值 0. 252m ; 100m舰载机起飞位置，速度100m/s时，极距值0. 343m。整个弹射过程滑差频率由 178. 35Hz依次减小到54. 23Hz，转差率s由0. 89依次减小到0. 23。
[0035] 用本发明与现有的定极距长初级双边直线感应电机为弹射驱动进行仿真实验对 比可以看出，变极距直线感应电机弹射过程电流频率保持不变，且在高速阶段，所需电流频 率小于传统定极距直线感应电机弹射所需频率值。
[0036] 综上所述，本发明的变极距长初级双边直线感应电机是可减小电机损耗、优化电 机控制、切实可行的。可良好地完成舰载机电磁弹射工作任务。
[0037] 上述针对较佳实施例的具体描述，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述 的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样 的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于 本发明的权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 变极距长初级双边直线感应电机，主要由应用于航母舰载机电磁弹射作为驱动的动 力源，双边直线感应电机主要由次级铝板1和对称置于铝板上下两侧的长初级构成，长初 级由初级铁芯和嵌合在初级铁芯中的多个线圈绕组成，其特征在于，依次级铝板的运动方 向，即长弹射轨道方向，相邻两个线圈绕组呈变极距布置。2. 根据权利要求1所述的变极距长初级双边直线感应电机，其特征在于，所述变极距 布置可以采用极距连续变换方式，亦可以采用极距分段变化方式。
【专利摘要】本发明公开了一种变极距长初级双边直线感应电机，应用航母舰载机电磁弹射，作为驱动的动力源。电机初期设计加工制造时，不同弹射位移处，制造电机极距不同，可采取极距连续变化方式，也可以采取极距分段变化方式，制造过程可采用数控机床加工。舰载机弹射过程无需检测弹射速度或弹射位移，初级线圈绕组电流频率、大小均保持不变，优化弹射控制方式。采用本发明的结构，可以解决逆变器频率受限问题，减小舰载机弹射过程直线电机损耗，提高直线电机效率，简化直线电机控制方式。
【IPC分类】H02K3/28, H02K41/02
【公开号】CN105281465
【申请号】CN201510738358
【发明人】刘习军, 张昆仑, 张文龙, 黎松奇, 陈小勤
【申请人】西南交通大学
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年11月3日