一种易拓相初级高温超导励磁直线电机

摘要

本发明公开了一种易拓相初级高温超导励磁直线电机，该电机采用短初级动子、长次级定子结构，初级与次级之间设置有气隙；所述短初级动子由若干沿运动方向等距间隔排列的相单元构成，每个相单元包括平板型初级铁芯和在其表面居中凸出且朝向次级侧的初级凸极、绕制在初级凸极上的高温超导励磁绕组、初级铁芯和初级凸极各自两端表面朝向次级侧凸出的初级齿、嵌套在初级齿上的初级电枢绕组；所述长次级定子包括平板型次级铁芯、若干等距凸出于次级铁芯表面且朝向初级侧的次级凸极。本发明采用高温超导励磁，能够实现强磁场设计提高推力密度，适合大功率应用场合；短初级动子采用相单元模块化设计，易于实现多相拓展，且容错性能好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于轨道交通的驱动电机，尤其涉及一种将励磁绕组与电枢绕组均置于初级侧且采用高温超导励磁的易拓相初级高温超导励磁直线电机。

背景技术

电机作为轨道交通中传动部分的重要部件，根据应用场所的不同，选择合适的电机类型对提高整个传动系统的性能和效率有非常重要的作用。传统的直线运动是利用旋转电机通过滚珠、滚珠丝杠或滑轮等装置将旋转运动转化为直线运动，该方法存在诸多问题：系统体积大，成本高，维修困难，效率低。而采用直线电机代替旋转电机应用于轨道交通，可以克服上述大部分缺陷，对整个传动系统性能的提升有着显著的效果。

目前，直线电机的励磁方式主要有电励磁和永磁励磁两种。应用于轨道交通的直线电机所需功率至少上百千瓦，普通电励磁方式达到所需的磁场强度所施加的励磁电流非常大，影响效率且电机体积较大，而永磁励磁方式则需要较多的永磁体，成本较高。近年来，随着高温超导技术的日益成熟，高温超导电机因为其能够提供大功率、重量轻、体积小、效率高的优点在直驱应用中越来越受到重视，现阶段该类型电机已得到广泛的关注和研究。

与次级励磁型直线电机相比，初级励磁型直线电机具有明显优势：励磁绕组和电枢绕组均放置于短初级，长次级仅为由铁芯构成的凸极平板结构，能够大大降低成本。此外，传统轨道列车的驱动电机多数为三相结构，三相之间耦合较强、容错性低，一旦遇到突发状况，例如某相发生故障时，整个电机就会停止运行，可靠性较差。基于上述背景，研制一种功率大、效率高、容错性好、拓展性强的易拓相初级高温超导励磁直线电机具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

技术问题：本发明为了解决现有的轨道交通驱动电机效率低、制造成本高、容错性差、拓展性差的问题，提供了一种易拓相初级高温超导励磁直线电机拓扑结构。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种易拓相初级高温超导励磁直线电机，该电机采用短初级动子、长次级定子结构，初级与次级之间设置有气隙；

所述短初级动子由若干沿运动方向等距间隔排列的相单元构成，每个相单元均包括平板型初级铁芯、居中凸出于初级铁芯表面且朝向长次级定子的初级凸极、绕制在初级凸极上的高温超导励磁绕组、凸出于初级铁芯两端表面且朝向长次级定子的两个初级长齿、凸出于初级凸极两端表面且朝向长次级定子的两个初级短齿、相邻初级长齿和初级短齿之间填充磁障、绕制在相邻初级长齿和初级短齿上的初级电枢绕组；

所述长次级定子包括平板型次级铁芯、若干等距凸出于次级铁芯表面且朝向短初级动子的次级凸极；

优选的，所述短初级动子采用相单元模块化设计，每个相单元即为一个单相电机，相单元之间独立且对称，容错性好，且易于实现多相拓展，方便电机扩容；

优选的，所述相单元均设有一个励磁绕组，励磁方式采用高温超导励磁，各个相单元励磁绕组绕制方式、励磁绕组匝数、励磁电流大小及方向均相同；

优选的，所述每个相单元的初级电枢绕组均由两个线圈构成，每个线圈绕制在相邻的初级长齿和初级短齿上，两个线圈反向串联，实现最大相感应电势；

优选的，所述相单元上设置的磁障由非导磁材料构成，起到隔磁作用；

优选的，所述初级铁芯、初级凸极、初级长齿、初级短齿、次级铁芯、次级凸极均由导磁性能良好的硅钢片叠压而成；

优选的，所述初级长齿和初级短齿的宽度相等、且小于次级凸极的宽度。

本发明的有益效果：本发明提供了一种用于轨道交通的易拓相初级高温超导励磁直线电机，与现有的用于轨道交通的永磁同步直线电机相比，具有以下优点：

1.本发明的易拓相初级高温超导励磁直线电机采用高温超导励磁方式，同普通的电励磁方式和永磁励磁相比较，具有功率大、重量轻、体积小、效率高的特点；

2.本发明的易拓相初级高温超导励磁直线电机，采用短初级动子、长次级定子结构，短初级动子采用相单元模块化设计，相单元之间独立且对称，容错性好，且易于实现多相拓展，方便电机扩容；

3.本发明的易拓相初级高温超导励磁直线电机，励磁绕组和电枢绕组均置于短初级动子，长次级定子仅为由硅钢片构成的凸极平板结构，便于在轨道交通中长距离铺设，结构简单可靠、成本低。

附图说明

图1为易拓相初级高温超导励磁直线电机的结构示意图。

图中有：短初级动子1，初级铁芯11，初级凸极12，高温超导励磁绕组13，初级长齿14，初级短齿15，磁障16，初级电枢绕组17，长次级定子2，次级铁心21，次级凸极22，气隙3。

图2为易拓相初级高温超导励磁直线电机的尺寸参数标注图。

图中w_p为短初级动子1中每个相单元的宽度，τ_s为长次级定子2中相邻次级凸极22之间的中心距，λ_p为短初级动子1中相邻相单元之间的中心距。

具体实施方式

本发明提供了一种易拓相初级高温超导励磁直线电机，该电机采用长次级短初级结构，包括短初级动子1、长次级定子2以及设置在短初级动子1和长次级定子2之间的气隙3；

所述短初级动子1由若干沿运动方向等距间隔排列的相单元构成，每个相单元均包括平板型初级铁芯11、居中凸出于初级铁芯11表面且朝向长次级定子的初级凸极12、绕制在初级凸极12上的高温超导励磁绕组13、凸出于初级铁芯 11两端表面且朝向长次级定子的两个初级长齿14、凸出于初级凸极12两端表面且朝向长次级定子的两个初级短齿15、相邻初级长齿14和初级短齿15之间填充磁障16、绕制在相邻初级长齿14和初级短齿15上的初级电枢绕组17；

所述长次级定子2包括平板型次级铁芯21、若干等距凸出于次级铁芯21表面且朝向短初级动子的次级凸极22；

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明的短初级动子1与长次级定子2之间设置气隙3，以保证初级能够自由运动。

所述短初级动子1采用相单元模块化设计，每个相单元即为一个单相电机，相单元之间独立且对称，容错性好，且易于实现多相拓展，方便电机扩容。

所述每个相单元均设有一个励磁绕组13，励磁方式采用高温超导励磁，各个相单元励磁绕组绕制方式、励磁绕组匝数、励磁电流大小及方向均相同。

所述每个相单元的初级电枢绕组17均由两个线圈构成，每个线圈绕制在相邻的初级长齿14和初级短齿15上，两个线圈反向串联，实现最大相感应电势。

所述相单元上设置的磁障16由非导磁材料构成，起到隔磁作用。

所述的初级铁芯11、初级凸极12、初级长齿14、初级短齿15、次级铁芯 21、次级凸极22均由导磁性能良好的硅钢片叠压而成。

参见图2，所述短初级动子1中每个相单元的宽度：w_p、长次级定子2中相邻次级凸极22之间的中心距：τ_s，满足以下关系(I)：

τ_s＝4·w_p/7(I)

所述短初级动子1中相邻相单元之间的中心距：λ_p、相单元个数即相数：m、长次级定子2中相邻次级凸极22之间的中心距：τ_s，满足以下关系(II)：

λ_p＝(k-1/m)·τ_s(II)

在式(II)中，k、m均为大于2的正整数；

所述初级长齿14和初级短齿15的宽度相等、且小于次级凸极22的宽度。

既不同于现有的次级永磁励磁直线电机，又不同于现有的初级永磁励磁或初级电励磁结构，本发明所提的易拓相初级高温超导励磁直线电机采用高温超导励磁，能够大大提高气隙磁场强度，具有大推力密度的特点；本发明所述的直线电机中高温超导励磁绕组与电枢绕组均放置在短初级动子上，长次级定子仅为由硅钢片构成的凸极平板结构，便于在轨道交通中长距离铺设，结构简单可靠，成本低；本发明所述的直线电机采用短初级动子长次级定子结构，短初级动子采用相单元模块化设计，易于实现多相拓展，方便电机扩容。

本发明的直线电机利用次级凸极与初级齿相对运动引起的磁阻变化,使得初级电枢绕组匝链的磁通发生周期性交变，从而感应出电势。所以，本发明提出的易拓相初级高温超导励磁直线电机在理论分析、结构优化设计、参数计算等方面与现有的直线电机有着本质的区别。

由于工作原理和结构的特殊性，所述相单元中高温超导励磁绕组13的个数： N_f、初级长齿14的个数：N₁、初级短齿15的个数：N₂、初级电枢绕组17的线圈个数：N_c，满足以下关系(III)：

N₁＝N₂＝N_c＝2·N_f(III)

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护。