一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及常导磁浮机构，尤其是一种中低速常导磁浮列车直线异步电机 结构。
【背景技术】
[0002] 目前我国已建有两条中低速常导磁浮列车试验线路，磁浮列车机械和电气部分的 设计基本上是仿照日本服ST型磁浮列车方案，即每辆磁浮车是由S个或5个磁转向架组 成车辆的走行部分，每个磁转向架两侧各有四个直流悬浮电磁铁和1台直线异步电机的定 子。前者产生磁悬浮力，后者产生车辆前进的驱动力即牵引力。为了通过小曲率半径的线 路，一般磁转向架的长度约为3m，而宽度随线路的轨距而定。由于在磁转向架靠线路中屯、 内侧有支撑滚轮，所W直线牵引电机沿线路的纵向长度受到限制，其长度约为2m，使得电机 宽而短，电机的端部效应非常明显。列车运行时，直线电机前端的磁场被削弱，使电机牵引 力减小；而电机后端有衰减的剩余磁场，产生与牵引力方向相反的磁拉力，也使电机牵引力 减小。每台电机的前后端部效应降低了电机效率，而且随着速度的提高，端部效应更为明显 (注巧通过对图1(a)和化）的比较看出端部效应）
[0003] 目前中低速常导磁浮列车使用的直线异步电机效率n约为0. 6~0. 7。此外，影 响电机效率的因素是电机的无功磁化电流很大，电机的功率因数约为0. 5,电机绕组 的功耗较大。无功磁化电流大是由于磁浮列车悬浮气隙5 = 8mm，为避免由于磁浮列车着 陆轨面时电机定子与导轨表面有机械接触，预留3mm的间隙，所W电机气隙往往超过11mm， 运是运行安全的要求，不能轻易减小。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是提供一种中低速常导磁浮列车直线异步电机的绕组多段分 布构造，利用本构造方式可在悬浮气隙和电机气隙不变的条件下，提高磁浮列车直线异步 电机的效率和功率因数，从而提高电机的品质因数0 = W WS(9 . 阳0化]本实用新型为实现其实用新型目的，所采用的技术方案是：
[0006] 一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造，在磁浮车辆中每节 车单侧使用一台大直线电机，将大电机定子绕组分为同等长度的N段，分别布置在相应的N 个转向架上，每段电机间的间距为1/3电机极距，相邻两段电机绕组布置不同，后一段电机 绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度，从而使每段电机间气隙磁场连续。
[0007] 一般情况下所述N为5。
[0008] 采用运样的结构，等同于每侧用一台大的直线电机来取代现有的每侧多台小直 线电机的分部构造，即：将一台大电机截成多段，分别布置在不同转向架上，且每段电机间 的间距为=分之一电机极距。
[0009] 电机在截成多段后，每段电机绕组布置不同，后一段电机绕组的相序比前一段绕 组相序滞后60度，电机绕组的具体布置图如图2所示。
[0010] 由于电机后端部存在剩余磁场，可W跨越至下一段电机的前端，从而使每段电机 间气隙磁场连续，为附图3所示。如果现有方案磁浮车每侧有五台电机，通过本实用新型构 造，其中间=台没有端部效应，只有第一台有前端去磁效应和第五台有后端剩磁效应。除此 之外，更重要的是：五台小电机可W用一台功率大的电机设计，可使电机参数如极距T的 选择更加合理优化。
[0011] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0012] 电机功率可W相应增加，再加上本实用新型对电机的一体化设计方法，必将使中 低速磁浮列车的牵引性能，如功率、效率和功率因数大为改善。经过分析，要实现运一点是 完全可能的。其电机的品质因数可W从现在0. 3左右提高到0. 5左右。
[0013] 其原理说明如下：
[0014] 吸力型中低速磁浮列车是依靠直流电磁铁在气隙中产生磁通，形成吸力来支承车 辆重量。所W希望车辆的重量越轻越好，减小车辆本身重量，意味着可W减小电磁铁重量 及其损耗，或者说可W增加有效载荷。但目前中低速磁浮列车直线电机的品质因数大约在 0. 3左右，运意味着电机和逆变器的设计容量大大增加，相应的体积、重量和能耗都要增加， 所W，提高电机的品质因数，对磁浮列车几个关键的功率模块，如电机、逆变器和悬浮电磁 铁的技术参数会有巨大影响，必将对中低速磁浮列车整体性能有很大提高。
[0015] 根据直线电机优化设计理论，功率大，极对数多、极距大，其效率和功率因数都 比较好。另外，用于轨道交通的直线牵引电机极距T的选择，还必须满足列车速度V = 2f T (I-S)的要求，其中f是交流供电频率，S是电机滑差率。根据运些要求，现有中低速磁 浮列车直线牵引电机的长度仅为2m左右，很难满足上述要求，致使该电机的技术参数十分 不理想。图4表示=转向架中低速磁浮列车现有电机方案，直线电机之间间距大，约900mm， 各电机之间磁场独立，每个电机的前后端部效应严重。电机本身短而宽，极对数P、极距T 和车辆速度V选择困难。
[0016] 本实用新型是在磁浮车辆中每侧用一台大直线电机设计取代现有的每侧多台小 直线电机的独立设计。设计时将该大电机截成多段，分别布置在不同转向架上，每段电机间 的间距为S分之一电机极距，使电机气隙磁场连续。具体设计时，在3m长的转向架上，通过 适当调整位置，且将靠近支撑滚轮附近的电机绕组的伸出端部局部上晓，使电机避开支撑 滚轮的阻挡，从而可将直线电机长度从原来的2m增加到约近3m，电机之间间距从900mm减 少到100mm。图5为本实用新型的电机设计方案，方案中两个直线电机间间距减少到100mm， 使前后两个直线电机的磁场连续，可视为一个电机来考虑，使电机设计长度从2m可增加 到9m，其端部效应明显减少，而且极对数和极距可W增大，电机的效率和功率因数将显著提 高，为设计较高速度的磁浮列车创造条件。经过分析，电机的品质因数可W从现在0. 3左右 提局到0. 5左右。
【附图说明】
[0017] 图1(a)是磁浮车静止时，一台8极电机定子S相绕组在气隙5中产生的正弦行 波磁场示意图；图1(b)是列车运行时，电机产生的正弦行波磁场示意图。 阳01引 图2是电机绕组分布图。
[0019] 图3是磁浮车运行时，本实用新型电机产生的正弦行波磁场示意图。
[0020] 图4是现有电机方案示意图。
[0021] 图5是本实用新型电机设计方案示意图。
[0022] 在图中，①磁转向架②直线电机初级③电机次级反应板④导轨⑥车体⑧支 撑滚轮。为作图方便，图4和图5方案中，均采用=段转向架予W简略表示。
【具体实施方式】
[0023] 现有日本或我国自主研发磁浮车，它们都有5个转向架组成，转向架长约3000mm， 每个转向架上有2台直线电机，其长度为（2000~2200)mm，前后相邻两台直线电机之间的 间隙为900mm左右，如图4所示。列车运行时，运种电机前端的磁场被削弱，使电机牵引力 减小；而电机后端有衰减的剩余磁场，产生与牵引力方向相反的磁拉力，也使电机牵引力减 小。故电机的前后端部效应降低了电机效率。
[0024] 具体地说，已有一辆最高时速为lOOkm/h，满载重约25t的5磁转向架磁浮车，车辆 两侧各有5台50kW直线牵引异步电机，电机的设计额定电压240V，极距T = 240mm，效率 n > 0. 6,功率因数COS d) > 0. 57,电机品质系数n COS d) > 0. 6*0. 57 = 0. 34。采用本实 用新型方案（图5所示），设计车辆每侧用一台电机，设计功率P = 5*50 = 250kW，设计额 定电压相应增加5倍，为1200V，极距T = 300mm，前后电极之间间距100mm，满足磁场连续 间距应小于1/3 T的要求。可使电机效率n > 0. 75,功率因数COS 4 > 0. 6,电机品质系 数n COSd) > 0.75*0. 6 = 0.45,从而比原来0.34的品质系数提高了 30%。
【主权项】
1. 一种中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造，其特征在于，在磁浮车 辆中每节车单侧使用一台大直线电机，将大电机定子绕组分为同等长度的N段，分别布置 在相应的N个转向架上，每段电机间的间距为1/3电机极距，相邻两段电机绕组布置不同， 后一段电机绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度，使每段电机间气隙磁场连续。2. 根据权利要求1所述的中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造，其特 征在于，所述N为5。3. 根据权利要求1所述的中低速常导磁浮车辆驱动电机定子绕组多段分布构造，其特 征在于，所述定子绕组多段分布构造应用于磁浮轻轨或地铁直线异步电机驱动机构中。
【专利摘要】本实用新型公开了一种中低速常导磁浮车辆电机定子绕组多段分布构造,在磁浮车辆中每节车单侧使用一台大直线电机,将大电机定子绕组分为同等长度的N段，分别布置在相应的N个转向架上，每段电机间的间距为1/N电机极距，相邻两段电机绕组布置不同，后一段电机绕组的相序比前一段绕组相序滞后60度,从而使每段电机间气隙磁场连续。本实用新型构造可使电机的效率和功率因数显著提高，并为设计较高速度的磁浮列车创造条件。类似的设计原理可应用于轮轨车辆如轻轨或地铁直线异步电机驱动方式。
【IPC分类】H02K41/025, H02K3/28
【公开号】CN205141965
【申请号】CN201520869269
【发明人】连级三, 王滢, 郭小舟, 刘春
【申请人】西南交通大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月3日