專利名稱：大功率混合式直線電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動機領(lǐng)域，特別涉及一種大功率混合式直線電動機。
背景技術(shù)：
直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能的電力傳動裝置。直線電機可以看作是由旋轉(zhuǎn)電機演變而來將旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展成直線，就可得到直線電機。與旋轉(zhuǎn)電機的定子、轉(zhuǎn)子相對應(yīng)，直線電機由初級和次級構(gòu)成。
直線電機可用于任何需要直線驅(qū)動的場合，交通運輸是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。直線電機應(yīng)用于交通運輸領(lǐng)域，最大優(yōu)點是采用直線驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，其驅(qū)動為直接的，不再需要粘著力。因此車輛的牽引力不再受車輪與車軌之間粘著條件的制約，電機的牽引力能得到充分發(fā)揮，車輛的爬坡及加速性能得以改善。另外不再需要將電機的旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為直線驅(qū)動力，省去了中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，使機車的傳動損耗及噪聲減少，因此非粘著形式的直線驅(qū)動是最適合交通運輸驅(qū)動的方式。
在交通運輸領(lǐng)域中，直線電機驅(qū)動運載系統(tǒng)的車輛支承方式有磁浮及非磁浮兩種類型。其中非磁浮形式是采用輪軌支承和直線電機驅(qū)動的車輛系統(tǒng)，典型的有已經(jīng)運營的加拿大Skytrain(空中列車)直線輪軌交通系統(tǒng)及日本直線電機地鐵系統(tǒng)。與本發(fā)明專利相關(guān)的技術(shù)是采用輪軌支撐、直線電機驅(qū)動的交通運輸系統(tǒng)。
如上所述，既有的直線電機驅(qū)動的輪軌交通系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，采用單邊短初級直線感應(yīng)電動機(SLIM)驅(qū)動，且有車輪[94]支撐和導(dǎo)向。自線感應(yīng)電機處于列車及軌道中間，其初級[91]及其驅(qū)動控制系統(tǒng)安裝在車上。電機初級[91]由帶齒槽的鐵心及三相繞組形成，次級[92]是由鋁板或銅板與鐵軛形成的復(fù)合感應(yīng)板，鋪在軌道上，初級與次級之間是氣隙[93]，約為10mm左右。其工作原理如下車上的逆變器向直線感應(yīng)電機的初級三相繞組提供可變頻、變壓的三相交流電，氣隙中因此產(chǎn)生行波磁場，地面上的次級鋁板中因此產(chǎn)生感應(yīng)渦流及磁力，驅(qū)動列車前進。改變電機初級電壓及頻率，可控制列車的前進速度，改變磁場移動方向，車輛運行方向也隨之改變。
日本九州大學(xué)K.Yoshida等在2004年國際磁懸浮會議論文集(Proc.of 18thInt.Conf.on Maglev’2004，p803～808)及參考文獻中報告了一種車輛驅(qū)動系統(tǒng)，即采用氣浮方式使車體懸浮，并采用單邊直線感應(yīng)電機和電勵磁凸極直線同步電機組成的混合直線電機驅(qū)動的交通系統(tǒng)，以適應(yīng)陡坡路段的驅(qū)動要求，如10％坡度時采用電勵磁凸極直線同步電機驅(qū)動，平坦及緩坡路段采用單邊直線感應(yīng)電機驅(qū)動。
雖然直線電機輪軌交通系統(tǒng)具有傳統(tǒng)輪軌交通系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點，如爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小，噪聲低等，具有很好的社會經(jīng)濟效益，是當(dāng)今先進的軌道交通系統(tǒng)。但現(xiàn)有技術(shù)正在運營的直線輪軌交通系統(tǒng)僅采用單一形式的直線感應(yīng)電機驅(qū)動，電機運行工況無法很好地適應(yīng)上坡、下坡、起動、停止、彎道等路況對運行條件的要求，影響了系統(tǒng)效率、功率因數(shù)的改進和提高。由于減小氣隙要受到電機機械結(jié)構(gòu)、加工工藝、施工水平等方面的限制，且電機的制造成本很高，需采取其它措施來改進電機性能。
日本九州大學(xué)K.Yoshida等采用兩種直線電機作為驅(qū)動，一是單邊直線感應(yīng)電機，另一是電勵磁凸極直線同步電機，以適應(yīng)不同路況的要求。此混合式電機的短初級放置在車上，為直線感應(yīng)電機及電勵磁凸極直線同步電機所共用；次級放置在地面軌道上，由平板型復(fù)合反應(yīng)板次級及電勵磁凸極次級分段構(gòu)成。雖然比僅用一種直線感應(yīng)電機時有所改進，但仍存在適應(yīng)路況的靈活性不夠高的欠缺。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種用作輪軌直線驅(qū)動交通系統(tǒng)的大功率混合式直線電機，以提高電機效率及功率因數(shù)，并使電機運行工況適應(yīng)各種路況的要求。
本發(fā)明大功率混合式直線電機所采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明所指的大功率混合式直線電機為短初級、長次級結(jié)構(gòu)，系由直線感應(yīng)電機、電勵磁凸極直線同步電機和磁阻式直線同步電機共同構(gòu)成。短初級設(shè)置在車上，為直線感應(yīng)電機、電勵磁凸極直線同步電機、磁阻式直線同步電機所共用；次級鋪設(shè)在地面軌道上，由導(dǎo)體板式、鼠籠式、直流勵磁的凸極磁極式及磁阻式等結(jié)構(gòu)的次級分段構(gòu)成，次級的結(jié)構(gòu)形式由所需的運行工況及路況決定。
本發(fā)明的特征在于所述的短初級由帶齒槽的鐵心與嵌入槽中的多相(二相、三相或更多相)電樞繞組構(gòu)成。
本發(fā)明的特征在于短初級直線感應(yīng)電機的板狀次級采用兩種不同的結(jié)構(gòu)一種為由平板形導(dǎo)體板與導(dǎo)磁材料形成的復(fù)合反應(yīng)板，導(dǎo)體板與導(dǎo)磁材料可采用常規(guī)機械連接如鉚接或螺釘連接，或采用焊接如爆炸焊接等方法復(fù)合形成反應(yīng)板。另一種為梯型導(dǎo)體板或平板形鼠籠與導(dǎo)磁材料形成的復(fù)合反應(yīng)板。
上述的第二種復(fù)合反應(yīng)板由以下方式構(gòu)成①在板狀導(dǎo)體上切成階梯狀排列的長方形槽，形成梯型導(dǎo)體板，再與導(dǎo)磁材料復(fù)合形成反應(yīng)板，其復(fù)合方式可采用常規(guī)機械連接如鉚接或螺釘連接，或采用焊接如爆炸焊接等方法；②平板形鼠籠是將條狀導(dǎo)體分別插入或嵌入相應(yīng)的導(dǎo)磁材料中，再分別與兩側(cè)相應(yīng)的端接導(dǎo)體短接所形成。其中條狀導(dǎo)體與相應(yīng)的端接導(dǎo)體的連接可為嵌入式也可為接觸式，并焊接成一體；所述的條狀導(dǎo)體，截面形狀為圓形、矩形、楔形或其它形狀。
所述的直線感應(yīng)電機復(fù)合平板型次級與初級由氣隙δ隔開相對。
所述的復(fù)合反應(yīng)板中，其導(dǎo)體材料為銅或鋁，其導(dǎo)磁材料為鐵、鋼或硅鋼片。
本發(fā)明的特征還在于電勵磁凸極直線同步電機的次級，由直流勵磁繞組與凸極鐵心構(gòu)成，次級與初級由氣隙δ隔開相對。
本發(fā)明的特征還在于磁阻式直線同步電機的次級為磁阻式鐵心次極，有兩種結(jié)構(gòu)①由帶齒槽的導(dǎo)磁材料如鋼軌或鐵軌形成；②將矩形導(dǎo)磁材料如鋼或鐵塊嵌入非磁性材料(如混凝土)中形成的分段磁阻次級，次級與初級由氣隙δ隔開相對。
本發(fā)明的特征還在于構(gòu)成混合式直線電機的次級結(jié)構(gòu)形式取決于所需的運行工況及路況，如在平直路段及非車站區(qū)可采用復(fù)合平板型次級，在車站區(qū)采用鼠籠型或梯型復(fù)合平板型次級，在彎道區(qū)或小坡度的坡道區(qū)域采用磁阻式直線同步電機的磁阻式次級，在大坡度的坡道區(qū)域采用電勵磁凸極直線同步電機的凸極次級等。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.既有的輪軌式直線軌道交通系統(tǒng)從制造成本考慮，僅采用次級為鋁鐵復(fù)合反應(yīng)板的直線感應(yīng)電機提供驅(qū)動力，雖然在某些路段也有采用銅質(zhì)復(fù)合反應(yīng)板代替鋁質(zhì)復(fù)合板以提高推力，改進性能，但由于只采用直線感應(yīng)電機，難以根據(jù)不同路況使電機處于最佳工況，以提高效率。本發(fā)明采用直線感應(yīng)電機與直線同步電機組合形成的直線混合電機，作為直線軌道交通的推進系統(tǒng)，通過幾種電機的組合，可使電機運行工況與路況相匹配，以使電機效率提高。
2.本發(fā)明在某些路段采用直線同步電機代替直線感應(yīng)電機，不僅可使整個系統(tǒng)效率提高，也能充分利用直線同步電機功率因數(shù)高于直線異步電機的特點，提高整個系統(tǒng)的功率因數(shù)。
3.本發(fā)明采用直線同步電機，不但包括帶有直流勵磁的凸極直線同步電機，也包括結(jié)構(gòu)相對簡單的直線磁阻電機，這樣可以降低整個系統(tǒng)的制造成本。
4.本發(fā)明在某些路段如車站區(qū)域采用鼠籠型次級取代既有的平板型復(fù)合反應(yīng)板次級的直線感應(yīng)電機，可使電磁氣隙減小，因此減少了磁化電流及視在輸入功率，并使功率因數(shù)提高，改善了直線感應(yīng)電機的性能。
5.本發(fā)明利用電勵磁凸極直線同步電機推力大的特點，用于陡坡路段的推進，與全程采用直線感應(yīng)電機時相比，設(shè)計時可相應(yīng)降低對直線感應(yīng)電機的要求，及降低其設(shè)計難度。且電勵磁直線同步電機的勵磁繞組通斷可控，只有當(dāng)列車運行至該路段時才通電勵磁，有利于節(jié)省電能。
6.本發(fā)明在彎道區(qū)域采用磁阻式直線同步電機，利用其初、次級之間的吸引力，抵消列車通過彎道時的部分離心力，使列車能以較高速度通過彎道，相應(yīng)提高列車運營速度。
總之，采用混合式直線電機可以提高電機效率和功率因數(shù)，改善電機性能，使電機運行工況最大程度適應(yīng)各路段不同路況的要求，有利于直線軌道交通系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
圖1是混合式直線電機結(jié)構(gòu)示意圖，圖中11初級、12次級；圖2是混合式直線電機短初級結(jié)構(gòu)示意圖，圖中111鐵心、112電樞繞組；圖3是混合式直線電機采用復(fù)合平板型次級的直線感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)示意圖，圖中312平板形導(dǎo)體板、313導(dǎo)磁材料；圖4是混合式直線電機梯型導(dǎo)體板復(fù)合次級示意圖，圖中413梯型導(dǎo)體板、414長方形槽、412導(dǎo)磁材料；圖5是混合式直線電機平板鼠籠型復(fù)合次級示意圖，其中圖5a為插入式平板形鼠籠，圖中512導(dǎo)磁材料、513端接導(dǎo)體、514條狀導(dǎo)體；圖5b為一種嵌入式平板形鼠籠，圖中515條狀導(dǎo)體、516導(dǎo)磁材料、517端接導(dǎo)體；圖5c是另一種嵌入式平板形鼠籠，圖中518條狀導(dǎo)體、519端接導(dǎo)體、520彎板、521導(dǎo)磁材料；圖5d是嵌入式平板形鼠籠的剖視圖；圖6是混合式直線電機采用電勵磁式凸極次級的直線同步電機結(jié)構(gòu)示意圖，圖中612凸極鐵心，613勵磁繞組；圖7是混合式直線電機采用磁阻式凸極次級的直線同步電機示意圖，其中圖7a為整體式次級的結(jié)構(gòu)，圖中712整體式次級；圖7b為分段式次級，圖中713非導(dǎo)磁材料、714導(dǎo)磁材料；圖8是混合式直線電機一種軌道布置示意圖；圖9是既有的一種直線感應(yīng)電機驅(qū)動的輪軌交通系統(tǒng)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
如圖1和圖2所示，本發(fā)明的混合式直線電機的具體實施方式
主要由初級11、次級12組成。其中的初級11放置在車上，包括帶有齒槽的鐵心111、嵌入槽中的多相(二相、三相或更多相)電樞繞組112。次級12沿軌道布置，次級12由鋁或銅板與鐵磁材料形成的復(fù)合平板次級、梯型導(dǎo)體板與鐵磁材料形成的復(fù)合平板次級或平板形鼠籠復(fù)合次級、電勵磁式凸極次級及磁阻式次級分段組成，圖3～圖7是上述各種次級結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖8給出了一種混合式直線電機軌道布置的示意圖。如圖8所示，在平直路段及非車站區(qū)采用復(fù)合平板型次級；在車站區(qū)采用鼠籠型或梯型復(fù)合平板型次級；在彎道區(qū)或小坡度的坡道區(qū)域采用磁阻式次級；在大坡度的坡道區(qū)域采用電勵磁的凸極次級。次級的安排方式不唯一，可以根據(jù)軌道地形條件及制造成本綜合考慮，以獲得更合理的次級排列，和達到節(jié)能的目的。
下面結(jié)合圖3～圖7說明各種次級的構(gòu)成方式圖3是采用復(fù)合平板型次級的短初級直線感應(yīng)電機示意圖。從圖中可知，其次級12由鋁板(或銅板)312與導(dǎo)磁材料如鋼板313復(fù)合而成。鋁板312與初級11由氣隙δ隔開相對。導(dǎo)體板與導(dǎo)磁材料可采用常規(guī)機械連接如鉚接或螺釘連接，或采用焊接如爆炸焊接等方法復(fù)合形成反應(yīng)板。
圖4是短初級直線感應(yīng)電機的梯型導(dǎo)體板復(fù)合次級結(jié)構(gòu)示意圖。與圖3的導(dǎo)體板312不同的是，圖4中的梯型導(dǎo)體板413系在鋁板或銅板上開有成階梯狀排列的長方形槽414形成，并與導(dǎo)磁材料如鋼板412復(fù)合，形成梯型導(dǎo)體板復(fù)合次級。梯型導(dǎo)體板與導(dǎo)磁材料的復(fù)合可采用常規(guī)機械連接如鉚接或螺釘連接，或采用焊接如爆炸焊接等方法。
圖5是平板鼠籠型復(fù)合次級結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5a是與旋轉(zhuǎn)異步電機鼠籠轉(zhuǎn)子相對應(yīng)的插入式平板鼠籠次級，系在導(dǎo)磁材料如鋼板512上開槽，槽中插入條狀導(dǎo)體514如銅條或鋁條，再由銅帶或鋁帶513在兩側(cè)端部將條狀導(dǎo)體514短接而成，短接可采用焊接。
圖5b是一種結(jié)構(gòu)的嵌入式平板鼠籠次級，由開有齒槽的導(dǎo)磁材料如鋼板形成的鐵心[516]、嵌入槽中的條狀導(dǎo)體515如銅條或鋁條、兩側(cè)的短路導(dǎo)體517如銅或鋁條形成。條狀導(dǎo)體515與兩側(cè)的短路導(dǎo)體517的短接可采用焊接。
圖5c是另一種結(jié)構(gòu)的嵌入式平板鼠籠次級，鐵心521由開有齒槽的導(dǎo)磁材料如鋼板形成，條狀導(dǎo)體518如銅或鋁條長度大于鐵心厚度，并嵌放入槽中。相鄰條狀導(dǎo)體518由短的輔助導(dǎo)體519短接，短接可采用焊接。為減少端接電阻及加強結(jié)構(gòu)強度，在導(dǎo)體下方設(shè)置有銅或鋁板制成的彎板520。
所述的條狀導(dǎo)體514或515或518，與相應(yīng)的端接導(dǎo)體513、517、519的連接可采用嵌入式或直接接觸式，并焊接成一體。
圖5d是圖5b及圖5c的剖視圖。
圖6是采用電勵磁式凸極磁極式次級的直線同步電機示意圖，11是車載初級，軌道上的次級12由凸極鐵心612及勵磁繞組613組成。初、次級由氣隙δ隔開相對。
圖7是直線磁阻電機示意圖。圖7a是整體次級直線磁阻電機，由開槽的鐵軌或鋼軌形成的整體式次級712及車載初級11形成。圖7b是分段式次級直線磁阻電機，其次級由分段的鐵磁材料714如鋼或鐵塊與非導(dǎo)磁材料(如混凝土)713構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種大功率混合式直線電動機，包括直線感應(yīng)電機、電勵磁凸極直線同步電機，為短初級、長次級結(jié)構(gòu)，短初級[11]設(shè)置在車上，由帶齒槽的鐵心[111]與嵌入槽中的多相電樞繞組(二相、三相或更多相)[112]構(gòu)成，次級[12]鋪設(shè)在地面軌道上，其特征在于還包括磁阻式直線同步電機；短初級[11]為直線感應(yīng)電機、電勵磁凸極直線同步電機、磁阻式直線同步電機所共用；次級[12]由導(dǎo)體板式、鼠籠式、直流勵磁的凸極磁極式及磁阻式等結(jié)構(gòu)的次級分段構(gòu)成，次級[12]的結(jié)構(gòu)形式由所需的運行工況及路況決定。
2.按照權(quán)利要求1所述的大功率混合式直線電動機，其特征在于所述的直線感應(yīng)電機的板狀次級有兩種不同結(jié)構(gòu)一種是由平板形導(dǎo)體板[312]與導(dǎo)磁材料[313]形成的復(fù)合反應(yīng)板；另一種為梯型導(dǎo)體板或平板形鼠籠與導(dǎo)磁材料形成的復(fù)合反應(yīng)板，其中梯型導(dǎo)體板[413]與導(dǎo)磁材料[412]形成的復(fù)合反應(yīng)板是在板狀導(dǎo)體上切有成階梯狀排列的長方形槽[414]，形成梯型導(dǎo)體板[413]，再與導(dǎo)磁材料[412]復(fù)合形成復(fù)合反應(yīng)板；平板鼠籠型反應(yīng)板是將條狀導(dǎo)體[514]或[515]或[518]，分別插入或嵌入相應(yīng)的導(dǎo)磁材料[512]、[516]、[521]形成的鐵心中，再分別與相應(yīng)的端接導(dǎo)體[513]、[517]、[519]短接形成的平板形鼠籠；其中條狀導(dǎo)體[514]或[515]或[518]，與相應(yīng)的端接導(dǎo)體[513]、[517]、[519]的連接可為嵌入式亦可為接觸式，并焊接成一體。
3.按照權(quán)利要求2所述的大功率混合式直線電動機，其特征在于所述的復(fù)合反應(yīng)板的導(dǎo)體材料為銅或鋁，導(dǎo)磁材料為鐵、鋼或硅鋼片；復(fù)合平板型次級與初級[11]由氣隙δ隔開相對。
4.按照權(quán)利要求1所述的大功率混合式直線電動機，其特征在于所述的電勵磁凸極直線同步電機的次級由直流勵磁繞組[613]及凸極鐵心[612]構(gòu)成；初、次級由氣隙δ隔開相對。
5.按照權(quán)利要求1所述的大功率混合式直線電動機，其特征在于所述的磁阻式直線同步電機的次級為磁阻式鐵心次極，可由帶齒槽的導(dǎo)磁材料形成整體式次級[712]，亦可是將矩形導(dǎo)磁材料[714]嵌入非磁性材料[713]中形成的分段次級；初、次級由氣隙δ隔開相對；所述的導(dǎo)磁材料為鐵、鋼或硅鋼片。
全文摘要
一種混合式直線電機，為短初級，長次級式。其初級[11]由多相(二相、三相或更多相)電樞繞組[112]及硅鋼片迭成的鐵心[111]構(gòu)成。其次級是混合式的，由導(dǎo)體板式、鼠籠式、直流勵磁的凸極磁極式及磁阻式四種次級分段構(gòu)成。在本結(jié)構(gòu)的混合式直線電機中，次級[12]結(jié)構(gòu)的形式由所需運行工況及路況決定，而短初級[11]只有一種，為各種結(jié)構(gòu)的次級所共用。本發(fā)明可用于需要直線驅(qū)動的各種場合，特別是地面交通運輸系統(tǒng)，如城市軌道交通、地鐵等。
文檔編號H02K41/03GK1976185SQ20051012621
公開日2007年6月6日 申請日期2005年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月28日
發(fā)明者李耀華, 杜玉梅, 張瑞華, 金能強 申請人:中國科學(xué)院電工研究所