專利名稱：軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直線電機(jī)驅(qū)動裝置，特別是涉及一種軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電 機(jī)驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)城市軌道交通車輛是依靠輪軌來牽引和制動，由于物理黏著的存在限
制了其加/減速度性能和爬坡能力的提高；此外它還存在全天候運(yùn)行特性較差， 機(jī)械振動和噪聲較大，車輛輕量化和小型化相對困難等缺點(diǎn)。直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn) 載系統(tǒng)是采用直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的新型城市軌道交通模式，系統(tǒng)用輪軌完成其 支撐和導(dǎo)向，依靠直線感應(yīng)電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力來推進(jìn)。因此這種系統(tǒng)不再受 到輪軌黏著因素的制約，牽引-制動性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū) 動所必須的滾動軸承、傳動齒輪。車輛具有很強(qiáng)的加、減速性能、曲線通過性 能和爬坡能力，運(yùn)行平穩(wěn)性高，更容易實(shí)現(xiàn)小編組，高密度，自動駕駛的運(yùn)行 模式，運(yùn)營適應(yīng)性較好。目前全世界已有5個(gè)國家共10條直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動地 鐵線路投入商業(yè)運(yùn)營，直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)正在逐漸成為城市軌道交通的首 選模式。
直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)由于車載定子與地面轉(zhuǎn)子是處在一個(gè)相對直線運(yùn)動 的彈性(軸箱垂向彈性定位)系統(tǒng)間，不可避免地會造成初級鐵芯底部平面和 次級導(dǎo)體板上表面之間間隙(氣隙)的變化，因此氣隙設(shè)計(jì)不能太小。再加上 直線感應(yīng)電機(jī)的端部效應(yīng)，漏磁場較大，效率和功率因數(shù)較低就成為了直線電 機(jī)系統(tǒng)的最大問題。 近來鉍(Bi)和釔(Y)系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的工業(yè)化生產(chǎn)水平有明顯提高，用 高溫超導(dǎo)導(dǎo)線替代銅導(dǎo)線已成為可能。美國己經(jīng)完成了 36. 5MW的高溫超導(dǎo)同步 電機(jī)的研制，電機(jī)的轉(zhuǎn)子用Bi系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成；日本超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn) 列車用Bi系導(dǎo)線制成的高溫超導(dǎo)磁體代替低溫超導(dǎo)磁體的工作也取得了成功。 由于超導(dǎo)材料的載流能力比銅導(dǎo)線高百倍以上，超導(dǎo)電機(jī)的有效磁場可以設(shè)計(jì) 的很高，非常適合于軌道交通驅(qū)動用直線電動機(jī)需要大氣隙的工作特點(diǎn)，甚至 初級線圈可以采用空心結(jié)構(gòu)，電機(jī)的損耗和噪聲都可以下降，體積和重量的可 大幅度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服以上缺陷，提供一種電能損耗小、電磁推動力 大及初級繞組為層狀密排分布的高溫超導(dǎo)繞組結(jié)構(gòu)的軌道交通用高溫超導(dǎo)直線 電機(jī)驅(qū)動裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案一種軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，包括一可控變頻電源和直線 電機(jī)，所述可控變頻電源設(shè)有變頻電源和控制器，所述直線電機(jī)設(shè)有初級繞組、 初級鐵芯、次級導(dǎo)體板和次級導(dǎo)磁鋼板，各個(gè)初級繞組之間加絕緣層，并通過 固定擋板固定在初級鐵芯的槽內(nèi)，所述初級繞組與所述可控變頻電源相連，所 述初級鐵芯的底部平面與次級導(dǎo)體板的上表面之間具有氣隙；所述初級繞組釆
用高溫超導(dǎo)繞組，這些繞組采用餅式結(jié)構(gòu)、跑道型截面，且繞組采用層狀排列
在初級鐵芯的槽內(nèi)；所述初級鐵芯采用非晶合金片疊加而成，高溫超導(dǎo)繞組和 初級鐵芯組成初級組件，初級組件置于低溫容器中，固定在轉(zhuǎn)向架上；所述次 級導(dǎo)體板為高導(dǎo)銅或鋁薄板，所述次級導(dǎo)磁鋼板為高磁導(dǎo)率鋼板，次級導(dǎo)體板 和次級導(dǎo)磁鋼板固定在兩軌之間的軌枕上。本發(fā)明軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置還包括低溫容器和冷卻設(shè)備， 低溫容器通過冷卻液進(jìn)出管與冷卻設(shè)備相通，冷卻設(shè)備安裝在列車上。 初級鐵芯或直接采用環(huán)氧樹脂或非磁材料制成。
所述氣隙為初級鐵芯底部平面和次級導(dǎo)體板上表面間不產(chǎn)生意外接觸的安
全高度為11 15咖。
所述高溫超導(dǎo)繞組的交流驅(qū)動電流密度為50 300A/mm2。 本發(fā)明軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置的優(yōu)點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上，本發(fā) 明提出高溫超導(dǎo)直線電機(jī)內(nèi)部超導(dǎo)繞組采用餅式結(jié)構(gòu)，繞組采取層狀排列，避 開了高溫超導(dǎo)體較差的機(jī)械性能對磁體繞制的約束，最大限度發(fā)揮其優(yōu)越的電 磁特性。由于電磁驅(qū)動為非接觸式電磁力驅(qū)動，而且采用了高溫超導(dǎo)電磁系統(tǒng)， 高溫超導(dǎo)電磁鐵本身由于繞組選擇高溫超導(dǎo)材料，繞組電阻趨近于零，所以高 溫超導(dǎo)繞組本身電能損耗極??；由于繞組選擇超導(dǎo)材料，所以繞組中可以通以 非常大的電流，因此產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度也非常的大，這樣，就可以產(chǎn)生非常大的 渦流驅(qū)動電磁力。繞組采取層狀密排列，可以有效提高磁通密度，提高直線電 機(jī)的驅(qū)動力。相對于常規(guī)電磁體，產(chǎn)生同樣強(qiáng)度的磁場，高溫超導(dǎo)繞組體積小、 重量輕，損耗電能也小，可靠性和壽命大為提高，可以廣泛應(yīng)用在軌道動車(如-列車、地鐵、城鐵、有軌電車等)的渦流驅(qū)動技術(shù)中。


圖1軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置的主視圖； 圖2軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置的側(cè)視圖； 圖3高溫超導(dǎo)繞組和初級鐵芯組件的三維示意圖； 圖4高溫超導(dǎo)繞組和初級鐵芯組件的主視圖； 圖5高溫超導(dǎo)繞組和初級鐵芯組件的俯視圖6高溫超導(dǎo)繞組和初級鐵芯組件的側(cè)視圖7超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)、高溫超導(dǎo)繞組、初級鐵芯及可控變頻電源連接示意圖； 固定擋板l、次級導(dǎo)體板2、高溫超導(dǎo)繞組3、初級鐵芯4、列車轉(zhuǎn)向架5、氣
隙6>次級導(dǎo)磁鋼板7、冷卻液進(jìn)管8、低溫容器9、連桿IO、絕緣層ll、冷卻設(shè)
備12、可控變頻電源13、冷卻液出管14。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合實(shí)施例參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
參照圖7， 一種軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，包括一可控變頻電 源13和高溫超導(dǎo)直線電機(jī)，高溫超導(dǎo)直線電機(jī)由初級組件、次級導(dǎo)體板2和次級 導(dǎo)磁鋼板7和超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)(冷卻液進(jìn)管8、低溫容器9、冷卻設(shè)備12和冷卻液出 管14)組成。
參照圖1-5，高溫超導(dǎo)繞組3，采用餅式結(jié)構(gòu)、跑道型截面，且繞組層狀排 列在初級鐵芯4的槽內(nèi)，各個(gè)初級繞組之間加絕緣層ll，固定擋板l將高溫超導(dǎo) 繞組3固定在初級鐵芯4內(nèi)；高溫超導(dǎo)繞組3和初級鐵芯4組成初級組件，初級組 件置于低溫容器9中，通過連桿10固定在轉(zhuǎn)向架上。
高溫超導(dǎo)繞組3使用的鐵芯結(jié)構(gòu)同常規(guī)電磁鐵使用的鐵心結(jié)構(gòu)完全相同，但 是采用了非晶合金材料。高溫超導(dǎo)繞組3導(dǎo)線使用超導(dǎo)材料鉍2223 (Bi2223)或 釔鋇銅氧(YBC0)帶材制成(或其它高溫超導(dǎo)材料)。
參考圖3，給出高溫超導(dǎo)繞組和初級鐵芯組件的三維示意圖，可見高溫超導(dǎo) 繞組采用餅式結(jié)構(gòu)、跑道型截面，繞組中間部分為直線，兩端為半圓結(jié)構(gòu)，其 半徑需要大于2.5cm,目的是為了保護(hù)超導(dǎo)材料不被損壞。高溫超導(dǎo)繞組采用層 狀密排方式，提高磁通密度，從而提高驅(qū)動力。
次級導(dǎo)體板2和次級導(dǎo)磁鋼板7固定在兩軌之間的軌枕上。
參照圖1和2，初級鐵芯4底部平面和次級導(dǎo)體板2上表面間不產(chǎn)生意外接觸 的安全高度為氣隙6，高度為llmm。
氣隙6根據(jù)實(shí)際軌道和列車的情況試驗(yàn)確定，盡可能使氣隙高度小但又要考 慮到實(shí)際運(yùn)行中防止初級鐵芯4的底部平面和次級導(dǎo)體板接觸，采用初級鐵芯4 的底部平面和次級導(dǎo)磁鋼板7間不產(chǎn)生意外接觸的安全高度，最優(yōu)設(shè)計(jì)值為11 15mrn。氣隙的寬度和次級導(dǎo)磁鋼板7的寬度相近；空氣隙的長度則根據(jù)具體的單 元超導(dǎo)渦流驅(qū)動裝置的驅(qū)動力調(diào)整，氣隙的長度越長，驅(qū)動力越大。
參照圖7，可控變頻電源13設(shè)有變頻電源和控制器，高溫超導(dǎo)繞組3與可 控變頻電源13連接。可控變頻電源13也安置在列車上。使高溫超導(dǎo)繞組處于 超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)以及如何產(chǎn)生高溫超導(dǎo)繞組交流電流的可控變頻電 源，均采用目前公知的設(shè)備。
參照圖1、 2和7，為了使置于低溫容器9中的高溫超導(dǎo)繞組3處于超導(dǎo)狀 態(tài)，軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置設(shè)有冷卻設(shè)備12。高溫超導(dǎo)繞組3 置于內(nèi)部為液態(tài)氮的低溫容器9中，低溫容器9和冷卻設(shè)備12通過冷卻液進(jìn)出 管8和14相連接，使液氮循環(huán)，以保持高溫超導(dǎo)繞組3—直處于超導(dǎo)狀態(tài)。冷 卻設(shè)備12安置在列車上。
下面對本發(fā)明軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置的工作過程做出說明。 當(dāng)靜止的列車需要驅(qū)動時(shí)，高溫超導(dǎo)繞組3中通以三相交流電，經(jīng)初級鐵芯4、 次級導(dǎo)體板2和次級導(dǎo)磁鋼板7以及氣隙6形成閉合磁路。在次級導(dǎo)體板2中產(chǎn)生 渦流，這樣，在高溫超導(dǎo)繞組3和初級鐵芯4形成的電磁場與次級導(dǎo)體板2上的渦 流產(chǎn)生的驅(qū)動電磁力使列車啟動。
權(quán)利要求
1.一種軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，包括一可控變頻電源(13)和直線電機(jī)；所述可控變頻電源(13)設(shè)有變頻電源和控制器；所述直線電機(jī)設(shè)有初級繞組、初級鐵芯(4)、次級導(dǎo)體板(2)和次級導(dǎo)磁鋼板(7)，各個(gè)初級繞組之間加絕緣層(11)，并通過固定擋板(1)固定在初級鐵芯(4)的槽內(nèi)，所述初級繞組與所述可控變頻電源(13)相連，所述初級鐵芯(4)的底部平面與次級導(dǎo)體板(2)的上表面之間具有氣隙(6)；其特征在于所述初級繞組采用高溫超導(dǎo)繞組(3)，這些繞組采用餅式結(jié)構(gòu)、跑道型截面，且繞組采用層狀排列在初級鐵芯(4)的槽內(nèi)；所述初級鐵芯(4)采用非晶合金片疊加而成，高溫超導(dǎo)繞組(3)和初級鐵芯(4)組成初級組件，初級組件置于低溫容器(9)中，固定在轉(zhuǎn)向架(5)上；次級導(dǎo)體板(2)和次級導(dǎo)磁鋼板(7)固定在兩軌之間的軌枕上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，其特 征在于所述低溫容器(9)通過冷卻液進(jìn)出管(8)和(14)與冷卻設(shè)備(12) 相通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，其特 征在于初級鐵芯(4)或直接采用環(huán)氧樹脂或非磁材料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，其特 征在于所述氣隙(6)為初級鐵芯(4)底部平面和次級導(dǎo)體板(2)上表 面間不產(chǎn)生意外接觸的安全高度為11 15mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，其特 征在于所述高溫超導(dǎo)繞組(3)的交流驅(qū)動電流密度為50 300A/mm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，包括可控變頻電源和高溫超導(dǎo)直線電機(jī)，高溫超導(dǎo)直線電機(jī)的初級鐵芯(4)采用非晶合金片或直接由非磁材料組成，高溫超導(dǎo)繞組與可控變頻電源(13)相連，初級鐵芯的底部平面與次級導(dǎo)體板(2)的上表面之間具有氣隙(6)；高溫超導(dǎo)繞組(3)采用餅式結(jié)構(gòu)，跑道型截面，繞組采用層狀排列并固定在初級鐵芯的槽內(nèi)，高溫超導(dǎo)繞組(3)和初級鐵芯(4)組成初級組件，將初級組件置于低溫容器(9)中，并固定在轉(zhuǎn)向架(5)上；次級導(dǎo)體板和次級導(dǎo)磁鋼板(7)固定在兩軌之間的軌枕上。該驅(qū)動裝置體積小，重量輕，損耗電能小，可靠性和壽命大為提高，可以廣泛應(yīng)用在列車、地鐵、城鐵等上。
文檔編號H02K55/00GK101340134SQ200810118649
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月21日
發(fā)明者進(jìn) 方 申請人:北京交通大學(xué)