具有降低端部效应的线性感应电动机的制作方法

该公开的主题一般涉及感应电动机。更具体地，其涉及线性感应电动机。

背景技术：

线性感应电动机(lim)由于直接使用电力来产生动力而正变得越来越受欢迎，并且更有趣地，在电动机内部缺少广泛使用于旋转电动机中的旋转或移动部件。鉴于线性感应电动机的形状及其自然生成的线性运动，其已经被引入铁路工业中以驱动火车。

但是，与旋转电动机不同，线性感应电动机会受到“端部效应”的影响，这会引起由电动机有限的长度所造成的电动机脱力和拖拽力。

线性感应电动机(lim)包括初级铁心，其是在例如火车下面延伸的长的磁性材料片。在实践中，该初级通常是由内部安装有线圈或绕组的磁性钢制成；线圈通常是倾斜的(即它们具有节距)并且适配在开设于初级铁心中的狭槽中。根据电磁学定律，将电流通入线圈中以产生穿过每个线圈的磁场。

例如，将lim设计成使得其初级在另一长的导电材料片(称为次级铁心)上线性移动，该导电材料片是静态的且沿着轨道延伸。在实践中，该次级通常由两层制成，一层在顶部由铝制成且另一层在底部由磁铁制成。初级上线圈和次级中的感应电流之间的电磁相互作用驱动初级沿着次级前进。在铁路工业中，次级也叫做反应轨。lim是初级和次级的组合。

当初级向前移动时，其一个端部为向前部。产生磁通量的最向前的线圈在先前没有通量的次级的一部分上前进。这意味着在次级铁心的这部分中存在显著的磁通量变化。在次级铁心中磁通量的快速变化产生涡电流；作为反作用，这些涡电流进一步产生磁通量，该磁通量会显著减小前部线圈产生的原始磁通量。通常，总的净磁通量几乎被抵消掉。在涡电流快速升高以后，涡电流衰减。涡电流通常呈指数衰减，从而定义了衰减时间常数τc。由涡电流产生的磁通量也相应的衰减并在几个时间常数之后(如在3～5个τc之后)变得很微小，这意味着在次级的给定位置处总的净磁通量逐渐恢复到基本未被端部效应影响的水平。但是，在初级行进于次级上的每个位置处，“端部效应”在每个位置处都会对净磁通量具有显著的影响。

产生的磁通量用于驱动初级向前(推力)并提供垂直力。在评价使用lim的火车或任何类似物体的性能时，该推力是最重要的力。该推力和垂直力二者都是由净磁通量提供的。

取决于初级的长度及其速度，上文描述的端部效应或多或少地是显著的。为确定端部效应是否显著，应当将效应的持续时间(可以大约为3～5个τc，如150ms)与lim位于产生涡电流的特定位置上方的时间进行比较。例如，如果初级为18米长并以30m/s的速度驱动前进，lim将需要600ms以完全穿过次级的特定位置。端部效应显著的时间为lim在次级的那部分上方行进的时间的四分之一。在初级于次级的这部分上行进的大部分时间内，在lim的初级上产生的净磁通量和推力因而基本上得以减少，并且该推力因此得以显著降低。由于该效应发生于次级的每一个部分，因此会大大地降低系统的性能。

次级铁心通常由诸如钢的磁性材料制成。但是，为了提高lim的效率，次级铁心通常由两种不同的材料制成：次级铁心的下部通常由钢制成，并称为铁轭，其被顶盖罩住，该顶盖是由具有非常高的电导率σ1的材料(例如铝)制成。

为了降低端部效应，计划的解决方案之一涉及改变用于制造次级铁心的材料。通过将顶盖替换为具有较低的电导率σ2的材料(σ2＜σ1)，这些在短暂时间内产生的涡电流衰减地更快，因为该材料的较大的电阻率引起涡电流更快地耗散为热量。

确实，衰减时间τc与次级铁心材料的电阻率ρ1＝1/σ1成反比例。使用具有较小电导率的材料意味着衰减时间τc成比例地降低。通过给定系数地降低涡电流的衰减时间，由涡电流产生的与由初级绕组的主磁通量相对的磁通量的衰减时间也以给定系数降低，从而减弱端部效应对lim性能的影响。但是该方案不仅昂贵，因为其意味着将改装现有运输系统的反应轨，而且还会降低系统的效率，因为改变材料意味着推力的下降并由此降低性能。备选地，这将意味着重新设计尚未使用不同材料(其也可能比铝更昂贵)制造的系统。这些其它的材料相对于铝来说存在一些缺点，如不太希望的机械性能或者难以获取。

因此，需要减弱或降低lim的端部效应以提高lim的性能。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了线性感应电动机(lim)。该lim包括沿纵向延伸并依次具有前部、中间部以及后部的初级铁心，以及安装在初级铁心上的线圈，线圈包括第一组线圈和第二组线圈。第一组线圈安装在初级铁心的前部上，第一组线圈的线圈以第一节距彼此间隔开。第二组线圈安装在初级铁心的中间部上，第二组线圈的线圈以第二节距彼此间隔开。第一组线圈的第一节距大于第二组线圈的第二节距，以使得当初级铁心向前行进时降低初级铁心上的端部效应。

根据实施例，第一节距是第二节距的倍数。

根据实施例，第一节距在第二节距的1.2倍至12倍之间。

根据实施例，初级铁心包括其表面处的用于安装线圈的狭槽。

根据实施例，第一节距为恒定的。

根据实施例，第一节距是可变的。

根据实施例，第一组线圈集合包括三个线圈。

根据实施例，线圈还包括第三组线圈，第三组线圈安装在后部上，第三组线圈的线圈以第三节距彼此间隔开，其中，第三组线圈的第三节距大于第二组线圈的第二节距，以使得当初级铁心向后行进时降低初级铁心上的端部效应。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于降低线性感应电动机(lim)的端部效应的方法，该lim包括沿纵向延伸且具有前部和后部的初级铁心。该方法包括在初级铁心的前部上设置第一组线圈，第一组线圈的线圈以第一节距彼此间隔开；以及在第一组线圈和后部之间设置第二组线圈，第二组线圈的线圈以第二节距彼此间隔开。第一组线圈的第一节距大于第二组线圈的第二节距，以使得当初级铁心向前行进时降低初级铁心上的端部效应。

根据实施例，第一节距是第二节距的倍数。

根据实施例，第一节距基本上大于第二节距。

根据实施例，第一节距是恒定的。

根据实施例，第一节距在第二节距的1.2倍至12倍之间。

根据实施例，该方法还包括设置安装在初级铁心的后部上的第三组线圈，第三组线圈以第三节距彼此间隔开，其中，第三组线圈的第三节距大于第二组线圈的第二节距，以使得当初级铁心向后行进时降低初级铁心上的端部效应。

根据本发明的第三方面，提供了一种线性感应电动机(lim)。该lim包括沿纵向延伸且具有前部和后部的初级铁心；以及安装在初级铁心上的线圈，线圈包括第一组线圈和第二组线圈。第一组线圈安装在初级铁心的前部上，第一组线圈的线圈以第一节距彼此间隔开。第二组线圈在第一组线圈和后部之间安装于初级铁心上，第二组线圈的线圈以第二节距彼此间隔开。第一节距大于第二节距，以使得当初级铁心向前行进时降低初级铁心上的端部效应。

根据实施例，第一节距是第二节距的倍数。

根据实施例，第一节距基本上大于是第二节距。

根据实施例，第一节距在第二节距的1.2倍至12倍之间。

根据实施例，线圈还包括安装在后部上的第三组线圈，第三组线圈的线圈以第三节距彼此间隔开，其中，第三组线圈的第三节距大于第二组线圈的第二节距，以使得当初级铁心向后行进时降低初级铁心上的端部效应。

根据实施例，第一节距是恒定的。

附图说明

从下文结合附图的具体描述中，本发明的其它特征和优点将会变得显而易见，其中：

图1是示出了根据现有技术的在次级铁心中产生涡电流的线性感应电动机(lim)的俯视图；

图2是示出了具有附加线圈的延长的lim相比于根据现有技术的lim的实施例的对比俯视图；

图3是示出了根据实施例的在lim前端存在增加的间距的线圈的lim的俯视图；

图4是示出了根据实施例的在lim两端均存在增加的间距的线圈的lim的俯视图；

图5是示出了两端均具有附加狭槽的初级铁心的实施例相比于根据现有技术的初级铁心的对比立体图；

图6是示出了两端均具有附加狭槽的初级铁心的另一实施例相比于根据现有技术的初级铁心的对比立体图；

图7是示出了具有在两端均存在增加的间距的线圈的lim的实施例(为清楚起见，省略了大多数线圈)相比于根据现有技术的lim的对比俯视图；

图8是示出了图7中的两个lim的前端和后端线圈的集合的实施例的对比俯视图；

图9示出了针对与现有技术的lim相比延长间距的端部线圈的lim的实施例中的在不同电流下随着速度变化的相对推力增长量变化的曲线图；以及

图10是示出了根据实施例的用于降低lim的端部效应的方法的流程图。

应当注意的是，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

具体实施方式

描述了一种线性感应电动机(lim)，其包括沿纵向延伸并具有前部、中间部和后部的初级铁心。线圈安装在初级铁心上。线圈包括安装在前部上并具有第一节距(相邻线圈上两个相应点之间的距离)的第一组线圈。该线圈还包括第二组线圈，第二组线圈安装在中间部上，并具有比第一节距小的第二节距并且第二节距通常类似于用于现有技术中的初级铁心中的节距。第一节距大于工业中使用的通常的节距，使得当lim向前行进时，lim上的端部效应降低。第一组线圈在其线圈之间可以具有不同的间距并且也可以包括等间距的线圈。

如下文将进一步变得显而易见的，图4和图10显示了线性感应电动机(lim)10，其包括初级铁心100，初级铁心100沿着纵向延伸且具有前部120、中间部130和后部140。线圈300安装在初级铁心100上。线圈300包括安装在前部120上且彼此以第一节距间隔开的第一组线圈320。线圈300还包括位于中间部130上的第二组线圈330，第二组线圈330彼此以标准距离间隔开。第一节距大于第二节距，以便在lim10向前行进时降低lim10上的端部效应影响。

在对图3-图4进行完全地描述之前参考图1，图1示出了根据现有技术的线性感应电动机(lim)11。显示了初级铁心100、次级铁心200以及线圈300。

线圈300(也称作绕组)为具有大致为圆形或多边形形状的电线；线圈的第二端通常连接到另一线圈的第一端以组成串联电连接的多个线圈300，如图8所示。在初级铁心200的一个端部处，电源将电力馈送到每个三相的外部线圈(第一(向前的)线圈300a或最后(向后的)线圈300z)的自由端，同时每个相的线圈的相对末端连接在一起以形成星形连接，从而他们可以产生磁通量。

如图1和图2所示，涡电流15产生于lim11的前部，其磁通量与该线圈的磁通量相反。

现在参照图4，示出了lim10的实施例，在lim10中，位于前部120处的第一组线圈320的线圈300比中间部130中的其它线圈要间隔得更宽。因为第一向前线圈300a、第二向前线圈300b、第三向前线圈300c比如果它们具有和第二组线圈330相同的节距时到达地更加向前，这种构造在端部效应的触发中引入负时间偏移，因而允许了端部效应的衰减更早地开始。端部效应在强度上没有降低而是由于其相对于大部分初级的通过而言较早发生，对于lim10的性能来说其影响较小。

例如，属于安装在前部120处的第一组线圈320的最向前线圈(分别为线圈300a、300b、300c)中的一个、两个或三个可以比以ds间隔开的第二组线圈330的线圈300更宽地间隔开，即以第一节距dx间隔开。这些向前线圈300a、300b、300c用作牺牲线圈，牺牲线圈在被涡电流15影响时会产生较小的推力。

在lim10被设计成在两个方向上行进的情况下，在初级100沿着相反的方向移动时，可以对最向后线圈300z、300y、300x对称地应用相同的推理，最向后线圈300z、300y、300x在后部140处限定第三组线圈340。第三组线圈340的线圈可以比第二组线圈330的线圈300更宽地间隔开，即以第三节距d′x间隔开，第三节距d′x可以与第一节距dx相似或不同，但是大于第二节距ds。第二组线圈330的所有线圈300均以第二节距ds间隔开。第二组线圈330的线圈300的数量超过第一组线圈320和第三组线圈340。如图4所示，第二组线圈330的线圈300安装在初级铁心100的中间部130上，即依次位于前部120和后部140之间。

在初级100和因而的最向前线圈300a向前移动时，第一向前线圈300a的磁通量在次级铁心200中产生响应，该响应通过产生部分地抵消第一向前线圈300a的磁通量的磁通量而作出反应。因此，在初级上由第一向前线圈300a产生的推力得以大幅度地降低。在这个意义上，第一向前线圈300a可以说是“牺牲线圈”。

但是，即使第一向前线圈300a不可避免地会受到端部效应的影响，紧随第一向前线圈300a之后的线圈300(如第二向前线圈300b和第三向前线圈300c)在一定程度上渐减地受到影响，这取决于lim10的设计而会不同，并且尤其是第一节距dx的设计。

实际上，在次级铁心200上的给定位置处的端部效应随着时间变化而呈指数函数进行衰减，无论是否有其它的线圈300穿过。也就是说，端部效应并不随着在次级铁心200的给定点上移动的线圈300的数量而减小。

图4中所示的实施例通过空间地扩展位于初级100的前部120处的线圈300而利用这种行为。这种向前的扩展沿纵向进行并包括增加两个相邻线圈之间的间距直达到第一节距dx，第一节距dx明显大于第二节距ds，安装在初级100的中间部130上的第二组线圈330中的线圈300以第二节距ds间隔开。如图3-4和7-8所示，这种扩展指的是延长线圈(如线圈300a)相对于另外的相邻线圈(如线圈300b)的距离，该距离相比于通常的距离是有所扩大的，即dx>ds。也就是说，这意味着增加了第一节距dx。可以通过“拉伸”第一组线圈320和/或第三组线圈340的线圈300来增加第一节距dx，以使得它们比第二组线圈320的线圈300长，并因而在初级铁心100的纵向上到达地更远。

如图5所示，为了使该扩展有效，可以考虑为初级铁心100添加狭槽。事实上，现有技术的初级铁心通常包括在其表面上制造的狭槽110。更具体地，初级铁心为彼此堆叠的平行钢板的组合。首先将这些钢板以它们最终所需的形状(包括轮廓、狭槽和用于贯穿螺栓的孔洞)从毛坯钢板中切割出来，并然后堆叠。通过贯穿这些钢板的螺栓将它们保持在一起。这些狭槽110足够大以便可以将线圈300的一部分装配在其中，使得线圈300以所需的空间构造(包括节距)保持就位。通常存在与安装在初级铁心100上的线圈300一样多的狭槽110。

图5显示了可以设置在初级铁芯100的前端(即前部120)的附加狭槽110’。通过比较图4和图5，可以理解，附加狭槽110’中的一些未使用到(甚至极端存在的狭槽110可以是未使用的)。这些未使用的狭槽的目的是在靠近lim10的前端的相邻但间隔更宽的线圈300之间提供附加的间隔(或空间分隔，或节距)。跳跃狭槽110、110’提供了附加的间隔。在这种情况下，最向前线圈300a、300b、300c中的一些向前线圈之间的距离是中间部130的狭槽之间的间距ds的倍数(如2或更大的整数)。

虽然图5示出了添加具有和其它狭槽110相同的间隔ds的狭槽。该实施例是方便的，因为其意味着仅使用相同的制造工艺(即狭槽110的尺寸和构造完全相同，包括它们的间距)来延长初级铁心100。

但是，可以考虑其它类型的狭槽构造。例如，根据需要可以在初级铁心100上以任何其它的间距设置附加狭槽。如图6所示，该间距可以不同于中间部130的狭槽110之间的通常间距。在这种情况下，由于可以仅在需要的位置处设置狭槽110’，因此，图5中所示的未使用的狭槽也可以避免。例如，图6示出了这样的实施例，在该实施例中，将附加狭槽本身更宽地间隔开(间距dx，如向前线圈300a或300b所需要的，通过这些附加狭槽110’保持就位)，从而避免如图5中的未使用的狭槽。

应当注意的是，施加给第一向前线圈300a、第二向前线圈300b和第三向前线圈300c的附加的间距是存在限度的。该限度为可用于电动机长度的间距。这是由于静态和动态机械包络都受到了限制。

此外，太长的间距将会是无效的，因此另一限度会严格取决于收益递减。该限度为极距。实际上，将线圈300设置成线圈组，线圈组周期性地设置成极。存在三个不同的极对应于提供给lim10的电力的三相。极距为相同极的最接近的两组线圈之间的距离。例如，在图4所示的实施例中，第二组线圈330中的极距是第二组线圈330的节距ds的12倍。因此，第一节距dx需要小于极距，在本实施例中其转化为小于12*ds，其中ds为第二节距。应当注意的是，这是一个限度，并且dx需要包括在例如基本上大于ds和12*ds之间，或者1.2*ds和12*ds之间，或者1.5*ds和12*ds之间；优选地在基本上大于ds和9*ds之间，或1.2*ds和9*ds之间，或1.5*ds和9*ds之间；更优选地在1.2*ds和4*ds之间，或1.5*ds和4*ds之间；或约为2*ds。

通过使线圈300在向前的方向上远离中间部延伸，端部效应会发生得更早。当中间部130的第二组线圈330穿过次级铁心200上的给定位置时，涡电流15将具备时间衰减并得以有效减少。提供推力的主要部分的中间部130的线圈300因此在更加有效的环境中产生它们的推力，因为端部效应由于外部线圈300a、300b增加的间距而触发得更早。因此，更多数量的线圈300可以起作用而不受到端部效应的显著不利的影响。

如果必要的话，第一组线圈320内的增加的间距不需要在每个线圈之间是相等的，或者不需要具有和第三组线圈340中相同的值。例如，第一间距(第一向前线圈300a和第二向前线圈300b之间)可以是dx1。第二间距(第二线圈300b和第三线圈300c之间)可以是dx2。dx1＞ds且dx2＞ds将会是有利的，但是dx1＝dx2(第一组线圈320内的恒定节距)可以不是必需的并且dx1和dx2具有不同的值也因此是可能的(第一组线圈320内的可变节距)。这也可以延伸到前部120和后部140上：虽然前部120和后部140显示为对称的，在前方和后方上的每个端部上的较大间距不必相同。但是，如果lim10是双向的并在两个方向上以相同的速度行进，则其可以是相同的。而且，第一节距和第二节距不必是恒定的。第一节距和第二节距可以是变化的。例如，线圈300越接近初级铁心100的前端，第一节距可以增加(即第一组线圈320的每个线圈300之间的间隔增加)。虽然第一节距可以变化，其仍然保持大于第二节距。

更一般地说，线圈300在lim10的纵向方向上的线密度(即每单位距离的线圈数量，其与间距或节距成反比)对于中间部130中的线圈300保持恒定，并且在前部120和可选地后部140处降低。在lim10的至少一个端部处的降低的线圈密度在每个外部线圈之间可以是恒定的或变化的，即线圈300a、300b和300c之间的距离，或300z、300y和300x之间的距离可以是相同的或变化的。在端部效应大幅度减少的位置保持线圈线密度高，并且在端部效应仍然存在的位置保持线圈线密度较低，这有利于lim10的整体性能。

图9示出了改进的lim10的随速度的变化的推力增长百分比，该改进的lim10相对于标准lim在前部120和后部140处具有增加的线圈间距，标准lim具有相同数量的线圈，但间距恒定。

值得注意的是，推力的增加是可以测量的并且是显著的。针对两种电流水平示出了作为速度的函数的推力增长，在较小的电流设置下提供最大的增长。对于给定的设置，存在使提升最大的速度：在图9所示的示例中，该速度约为4m/s。这个最佳的速度可以随着参数不同而不同。在较高的电流下，推力的提升相对较小。在图9的曲线图的实验设置中，初级铁心100和次级铁心200之间的气隙为9mm的间隙。

应当注意的是，端部效应的影响在初级铁心100的前端(例如前部120)是最大的，即位于移动初级的前侧的端部处是最大的。但是，尽管后端端部效应强度小于前端端部效应，后端端部效应也存在并会引起不期望的拖拽力。如图3所示，因而在外部线圈300之间设置更大的间距在前部120处是更加有利的，并且只能在前部120处进行。但是，如图4至图8所示，为了提高性能，也可以在初级铁心100的后部140处使用增加的间距。

参照图10，示出了一种降低线性感应电动机(lim)的端部效应的方法。lim包括沿纵向延伸并具有前部和后部的初级铁心。该方法包括，步骤1010，在初级铁心的前部上设置第一组线圈，第一组线圈的线圈以第一节距彼此间隔开；以及步骤1020，在第一组线圈和后部之间设置第二组线圈，第二组线圈的线圈以第二节距彼此间隔开。第一组线圈的第一节距大于第二组线圈的第二节距，以便当初级铁心向前行进时降低初级铁心上的端部效应。该方法还包括，步骤1030，提供安装在初级铁心的后部上的第三组线圈，第三组线圈以第三节距间隔开，其中，第三组线圈的第三节距大于第二组线圈的第二节距，以便当初级铁心向后行进时降低初级铁心上的端部效应。

进一步地，如图2所示，外部线圈相对于中间部130的线圈300的增加的间距具有不带来额外的电压损失的优点，如果添加不具有增加的间距的线圈，额外的电压损失是会发生的。在那种情况下，lim将因为其更长而具有增加的推力(即图2的lim10不具有和图1的lim相同的电动机功率)，但是端部效应将不会降低。图4的lim10具有和图1的lim相同的电动机功率，但是端部效应得以解决并且相比于那些降低了图2的lim10的性能而言不存在额外的电压损失。

如果lim10是双向的(即用于两个方向)，例如在火车上，端部取决于行进方向可以是前部120或后部140。因此，在lim10的两个端部(前部120和后部140)处的外部线圈之间设置较大的间距是合理的选择。这就是为什么示出lim10的图4至图8在两个端部(即前部120和后部140)处显示了增加的间距，即使该增加的间距也可能仅位于一个端部处。后部140中的线圈300z、300y和300x与前部120中的线圈300a、300b和300c类似(分别)。如果线圈300z、300y和300x以dx而不是以ds间隔开，则它们形成安装在后部140上的第三组线圈340。

虽然上文已经对优选实施例进行描述并在附图中进行了说明，对于本领域技术人员来说将变得显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行修改。这些修改被认为是包括在本发明的范围内的可能变体。