本发明公开了一种轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,包括可控变频电源和高温超导直线电机,高温超导直线电机的初级铁芯(4)采用非晶合金片或直接由非磁材料组成,高温超导绕组与可控变频电源(13)相连,初级铁芯的底部平面与次级导体板(2)的上表面之间具有气隙(6);高温超导绕组(3)采用饼式结构,跑道型截面,绕组采用层状排列并固定在初级铁芯的槽内,高温超导绕组(3)和初级铁芯(4)组成初级组件,将初级组件置于低温容器(9)中,并固定在转向架(5)上;次级导体板和次级导磁钢板(7)固定在两轨之间的轨枕上。该驱动装置体积小,重量轻,损耗电能小,可靠性和寿命大为提高,可以广泛应用在列车、地铁、城铁上等。
1.一种轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,包括一可控变频电源(13)和直线电机;所述可控变频电源(13)设有变频电源和控制器;所述直线电机设有初级绕组、初级铁芯(4)、次级导体板(2)和次级导磁钢板(7),各个初级绕组之间加绝缘层(11),并通过固定挡板(1)固定在初级铁芯(4)的槽内,所述初级绕组与所述可控变频电源(13)相连,所述初级铁芯(4)的底部平面与次级导体板(2)的上表面之间具有气隙(6);其特征在于:所述初级绕组采用高温超导绕组(3),这些绕组采用饼式结构、跑道型截面,且绕组采用层状排列在初级铁芯(4)的槽内;所述初级铁芯(4)采用非晶合金片叠加而成,高温超导绕组(3)和初级铁芯(4)组成初级组件,初级组件置于低温容器(9)中,固定在转向架(5)上;次级导体板(2)和次级导磁钢板(7)固定在两轨之间的轨枕上。
2.根据权利要求1所述的轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,其特征在于:所述低温容器(9)通过冷却液进出管与冷却设备(12)相通。
3.根据权利要求1所述的轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,其特征在于:所述气隙(6)为初级铁芯(4)底部平面和次级导体板(2)上表面间不产生意外接触的安全高度为11~15mm。
4.根据权利要求1所述的轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,其特征在于:所述高温超导绕组(3)的交流驱动电流密度为50~300A/mm²。技术领域
本发明涉及直线电机驱动装置,特别是涉及一种轨道交通用高温超导直线电机驱动装置。
背景技术
传统城市轨道交通车辆是依靠轮轨来牵引和制动,由于物理黏着的存在限制了其加/减速度性能和爬坡能力的提高;此外它还存在全天候运行特性较差,机械振动和噪声较大,车辆轻量化和小型化相对困难等缺点。直线感应电机运载系统是采用直线感应电机驱动的新型城市轨道交通模式,系统用轮轨完成其支撑和导向,依靠直线感应电机所产生的电磁力来推进。因此这种系统不再受到轮轨黏着因素的制约,牵引-制动性能发挥不依赖于环境,取消了旋转电机驱动所必须的滚动轴承、传动齿轮。车辆具有很强的加、减速性能、曲线通过性能和爬坡能力,运行平稳性高,更容易实现小编组,高密度,自动驾驶的运行模式,运营适应性较好。目前全世界已有5个国家共10条直线感应电机驱动地铁线路投入商业运营,直线感应电机运载系统正在逐渐成为城市轨道交通的首选模式。直线感应电机运载系统由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性(轴箱垂向弹性定位)系统间,不可避免地会造成初级铁芯底部平面和次级导体板上表面之间间隙(气隙)的变化,因此气隙设计不能太小。再加上直线感应电机的端部效应,漏磁场较大,效率和功率因数较低就成为了直线电机系统的最大问题。近来铋(Bi)和钇(Y)系高温超导导线的工业化生产水平有明显提高,用高温超导导线替代铜导线已成为可能。美国已经完成了36.5MW的高温超导同步电机的研制,电机的转子用Bi系高温超导导线绕制而成;日本超导磁悬浮试验列车用Bi系导线制成的高温超导磁体代替低温超导磁体的工作也取得了成功。由于超导材料的载流能力比铜导线高百倍以上,超导电机的有效磁场可以设计的很高,非常适合于轨道交通驱动用直线电动机需要大气隙的工作特点,甚至初级线圈可以采用空心结构,电机的损耗和噪声都可以下降,体积和重量的可大幅度降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服以上缺陷,提供一种电能损耗小、电磁推动力大及初级绕组为层状密排分布的高温超导绕组结构的轨道交通用高温超导直线电机驱动装置。为达到上述目的,本发明的技术方案:一种轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,包括一可控变频电源和直线电机,所述可控变频电源设有变频电源和控制器,所述直线电机设有初级绕组、初级铁芯、次级导体板和次级导磁钢板,各个初级绕组之间加绝缘层,并通过固定挡板固定在初级铁芯的槽内,所述初级绕组与所述可控变频电源相连,所述初级铁芯的底部平面与次级导体板的上表面之间具有气隙;所述初级绕组采用高温超导绕组,这些绕组采用饼式结构、跑道型截面,且绕组采用层状排列在初级铁芯的槽内;所述初级铁芯采用非晶合金片叠加而成,高温超导绕组和初级铁芯组成初级组件,初级组件置于低温容器中,固定在转向架上;所述次级导体板为高导铜或铝薄板,所述次级导磁钢板为高磁导率钢板,次级导体板和次级导磁钢板固定在两轨之间的轨枕上。本发明轨道交通用高温超导直线电机驱动装置还包括低温容器和冷却设备,低温容器通过冷却液进出管与冷却设备相通,冷却设备安装在列车上。初级铁芯或直接采用环氧树脂或非磁材料制成。所述气隙为初级铁芯底部平面和次级导体板上表面间不产生意外接触的安全高度为11~15mm。所述高温超导绕组的交流驱动电流密度为50~300A/mm²。本发明轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的优点是:在结构上,本发明提出高温超导直线电机内部超导绕组采用饼式结构,绕组采取层状排列,避开了高温超导体较差的机械性能对磁体绕制的约束,最大限度发挥其优越的电磁特性。由于电磁驱动为非接触式电磁力驱动,而且采用了高温超导电磁系统,高温超导电磁铁本身由于绕组选择高温超导材料,绕组电阻趋近于零,所以高温超导绕组本身电能损耗极小;由于绕组选择超导材料,所以绕组中可以通以非常大的电流,因此产生的磁场强度也非常的大,这样,就可以产生非常大的涡流驱动电磁力。绕组采取层状密排列,可以有效提高磁通密度,提高直线电机的驱动力。相对于常规电磁体,产生同样强度的磁场,高温超导绕组体积小、重量轻,损耗电能也小,可靠性和寿命大为提高,可以广泛应用在轨道动车(如:列车、地铁、城铁、有轨电车等)的涡流驱动技术中。
附图说明
图1轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的主视图;图2轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的侧视图;图3高温超导绕组和初级铁芯组件的三维示意图;图4高温超导绕组和初级铁芯组件的主视图;图5高温超导绕组和初级铁芯组件的俯视图;图6高温超导绕组和初级铁芯组件的侧视图;图7超导冷却系统、高温超导绕组、初级铁芯及可控变频电源连接示意图;固定挡板1、次级导体板2、高温超导绕组3、初级铁芯4、列车转向架5、气隙6,次级导磁钢板7、冷却液进管8、低温容器9、连杆10、绝缘层11、冷却设备12、可控变频电源13、冷却液出管14。
具体实施方式
下面将结合实施例参照附图对本发明进行详细说明。参照图7,一种轨道交通用高温超导直线电机驱动装置,包括一可控变频电源13和高温超导直线电机,高温超导直线电机由初级组件、次级导体板2和次级导磁钢板7和超导冷却系统(冷却液进管8、低温容器9、冷却设备12和冷却液出管14)组成。参照图1-5,高温超导绕组3,采用饼式结构、跑道型截面,且绕组层状排列在初级铁芯4的槽内,各个初级绕组之间加绝缘层11,固定挡板1将高温超导绕组3固定在初级铁芯4内;高温超导绕组3和初级铁芯4组成初级组件,初级组件置于低温容器9中,通过连杆10固定在转向架上。高温超导绕组3使用的铁芯结构同常规电磁铁使用的铁心结构完全相同,但是采用了非晶合金材料。高温超导绕组3导线使用超导材料铋2223(Bi2223)或钇钡铜氧(YBCO)带材制成(或其它高温超导材料)。参考图3,给出高温超导绕组和初级铁芯组件的三维示意图,可见高温超导绕组采用饼式结构、跑道型截面,绕组中间部分为直线,两端为半圆结构,其半径需要大于2.5cm,目的是为了保护超导材料不被损坏。高温超导绕组采用层状密排方式,提高磁通密度,从而提高驱动力。次级导体板2和次级导磁钢板7固定在两轨之间的轨枕上。参照图1和2,初级铁芯4底部平面和次级导体板2上表面间不产生意外接触的安全高度为气隙6,高度为11mm。气隙6根据实际轨道和列车的情况试验确定,尽可能使气隙高度小但又要考虑到实际运行中防止初级铁芯4的底部平面和次级导体板接触,采用初级铁芯4的底部平面和次级导磁钢板7间不产生意外接触的安全高度,最优设计值为11~15mm。气隙的宽度和次级导磁钢板7的宽度相近;空气隙的长度则根据具体的单元超导涡流驱动装置的驱动力调整,气隙的长度越长,驱动力越大。参照图7,可控变频电源13设有变频电源和控制器,高温超导绕组3与可控变频电源13连接。可控变频电源13也安置在列车上。使高温超导绕组处于超导状态的超导冷却系统以及如何产生高温超导绕组交流电流的可控变频电源,均采用目前公知的设备。参照图1、2和7,为了使置于低温容器9中的高温超导绕组3处于超导状态,轨道交通用高温超导直线电机驱动装置设有冷却设备12。高温超导绕组3置于内部为液态氮的低温容器9中,低温容器9和冷却设备12通过冷却液进出管8和14相连接,使液氮循环,以保持高温超导绕组3一直处于超导状态。冷却设备12安置在列车上。下面对本发明轨道交通用高温超导直线电机驱动装置的工作过程做出说明。当静止的列车需要驱动时,高温超导绕组3中通以三相交流电,经初级铁芯4、次级导体板2和次级导磁钢板7以及气隙6形成闭合磁路。在次级导体板2中产生涡流,这样,在高温超导绕组3和初级铁芯4形成的电磁场与次级导体板2上的涡流产生的驱动电磁力使列车启动。