專利名稱：一種輕自重的單邊直線感應電動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于交通運輸系統驅動的單邊直線感應電動機。
背景技術：
直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的電力傳動裝置。直線電機可
以看作是由旋轉電機演變而來將旋轉電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展成直線，就可得
到直線電機。與旋轉電機的定子、轉子相對應，直線電機由初級和次級構成。 直線電機可用于任何需要直線驅動的場合，交通運輸是其重要的應用領域。 與旋轉電機相比，采用直線電機驅動車輛的最大優點是取消了中間機械傳動變換
裝置，使原來的旋轉驅動變為直接驅動，不再需要粘著力，因此車輛的牽引力不再受輪軌粘
著條件的限制，車輛的爬坡及加速性能得以改善。中間傳動轉換機構的取消，還可使機車的
傳動損耗及噪聲減少，因此非粘著形式的直線驅動是最適合交通運輸驅動的方式。 短初級長次級式單邊直線感應電動機常用于市內公共交通系統。圖5是目前既
有的用于市內地鐵和輕軌的直線電機軌道交通系統的結構示意圖。其短初級51放置在車
廂下部的轉向架上，長次級52放置在軌道上，51與52之間為電機氣隙53。 54是車輪及軌
道；該系統中單邊直線感應電動機的短定子及其驅動控制系統放置在車上，由地面鋪設的
第三軌或架空線通過接觸受電器向車上牽弓I逆變器供電。復合反應板式長次級鋪設在軌道
中間，兩側有車輪和軌道進行支撐和導向。電機初級由帶齒槽的鐵芯及三相繞組構成，復合
式反應板長次級由軛鐵及其上覆蓋的銅板或鋁板復合構成，初、次級之間的機械氣隙，約為
10mm左右。其工作原理如下車上的逆變器向電機的短初級三相電樞繞組提供可變頻、變
壓的三相交流電；氣隙中因此產生行波磁場，地面的長次級導體板中產生感生渦流及磁力，
驅動列車前進。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
運行方向則隨之改變。 直線電機軌道交通系統具有傳統輪軌交通系統無可比擬的優點能產生直接驅動 力，不受輪軌之間粘著系數限制，能獲得優良的動力性能和爬陡坡能力，轉彎半徑可減小至 80m，提高了線路規劃的靈活性；結構簡單，無齒輪箱等機械傳動變換機構，系統維護成本 低，運行噪聲小；采用電力牽引，無污染、環境友好等，具有很好的社會經濟效益，是當今先 進的軌道交通系統。但與旋轉感應電機相比，直線感應電機的氣隙較大，因此使得直線感應 電機效率及功率因數較低。為了充分發揮直線感應電機車輛的優點，盡量降低車重是一項 有用的措施，采用鋁合金車體，小而輕的徑向轉向架等都是目前已經采用的減輕車重的措 施。由于直線感應電機的初級放置在車上，盡量減小電機初級自重，也可對減輕車重有所貢 獻。 另外單邊直線感應電動機也常用于磁浮列車，例如用于城市交通的中低速磁浮列 車就采用了單邊直線感應電動機驅動，其初級設置在車上。減輕電機初級重量，就可減輕車 重，不但能節省磁浮所需電能，也可使車載電源體積重量減小。因此減輕初級重量對采用單 邊直線感應電動機驅動的中低速磁浮列車來說，要求更為迫切。
圖6是單邊直線感應電動機初級電樞的常規結構示意圖，采用雙層繞組，且鐵芯 未采用削角結構。與旋轉電機結構連續不同，由于直線感應電機鐵芯兩端斷開，在兩端部槽 中只能為半填充槽，也就是說如果采用雙層繞組，在端部一些槽中只能放單層繞組，這些半 填充槽中只有繞組元件的上層邊或下層邊。由于半填充槽中導體數僅為中部全填充槽的一 半，因此端部比中間部分磁場強度小。采用電磁場有限元法對直線感應電機磁場研究發現， 在兩端部磁力線明顯比中部稀疏，在兩端部角上的磁密很小，即磁力線極少通過兩端軛部 角處。 由于銅的比重為8. 9g/cm 而鋁的比重為2. 7g/cm 只有銅的0. 303倍，因此采用 鋁制電樞繞組代替現在所用銅制電樞繞組也不失為減輕電機初級重量的一個有效措施。但 銅的電阻率為2. 17X10—8Qm(75。C )，鋁電阻率比銅高為3. 46X 10—8 Qm(75。C )。為達到相 同的導電能力，在同長度、同電阻率的條件下(當其它條件相同時，輸送同樣的電能，則損
耗也相同)，則鋁、銅重量比為0.4837(^-，^-^^-^'f^-0.4837)。由此
Gc《《Pc8.9 2.17
可知，在不降低電機功率情況下，用鋁線可使電樞自重大大降低。
發明內容
本發明的目的是克服現有直線感應電機效率、功率因數不夠理想的缺點，充分發
揮直線感應電機車輛的優點，盡量減小車重，提供一種具有輕自重的直線感應電機。本發明采用的技術方案如下 本發明所提出的輕自重單邊直線感應電動機為短初級、長次級結構，短初級放置 在車廂下方的轉向架上，隨車輛一起運動。長次級為鋁板或銅板與鐵板形成的復合次級，鋪 設在地面軌道中間。短初級由帶齒槽的鐵芯及嵌入槽中的多相(兩相、三相或更多相)電 樞繞組構成。 本發明的特征在于所述的短初級帶齒槽鐵芯的兩端部為削角結構，在鐵芯兩端 靠近軛部采用直線削角或采用折線構成端部削角結構。所述的削角可以是一根直線構成，
也可由兩段折線構成，所述的兩段折線形成的夾角為e，90° z e Zi80° ;也可由多段相
互垂直的折線構成，類似于樓梯式折線，且所述的垂直折線各段長度可等長，也可不等長。 本發明的特征還在于所述的短初級帶齒槽的鐵芯兩端嵌放端部單層繞組，短初 級帶齒槽的鐵芯中間部分放置雙層繞組，鐵芯兩端嵌放端部單層繞組的槽深為中間部分嵌 放雙層繞組槽的槽深的一半。
本發明的特征還在于所述的短初級多相電樞繞組采用鋁線構成。 直線感應電動機的長次級為常規結構，是采用導體板與導磁鐵軛構成的復合次
級。此復合次級包含兩種結構一種由平板形導體板與導磁鐵軛形成的平板形長次級；另
一種為梯形導體與平板形導磁鐵軛形成的梯形長次級。
復合長次級中，其導體材料為銅或鋁，其導磁材料為鐵、鋼或硅鋼片。
本發明具有如下優點短初級鐵芯采用削去兩端軛部的兩端削角結構，而且短初
級鐵芯端部為半槽，不但可以減輕鐵芯重量，而且不影響電機原有磁場分布；初級繞組采用
比重較小的鋁線代替常用的銅線，可以在保持原有導體長度及原有電流密度等相關指標不
變時，有效降低電樞繞組重量。鐵芯及繞組重量的降低，使得車載重量減少，有利于提高電
4機驅動效率。
圖1以平板形導體長次級為例的本發明的橫截面結構示意圖，圖中，11短初級，12 長次級。其中121鋁板或銅板形成的反應板，122導磁材料形成的次級鐵軛；
圖2輕自重的單邊直線感應電動機采用直線削角的短初級的橫截面結構示意圖， 圖中，111直線削角鐵芯，112電樞繞組，113端部半槽； 圖3輕自重的單邊直線感應電動機采用垂直折線削角的短初級的橫截面結構示 意圖，圖中，114垂直折線削角的鐵芯； 圖4輕自重的單邊直線感應電動機采用兩折線削角的短初級的橫截面結構示意 圖，圖中，115兩折線削角鐵芯； 圖5是既有的一種直線感應電機驅動的輪軌交通系統橫截面結構示意圖； 圖6是單邊直線感應電動機初級電樞的常規結構橫截面示意圖，圖中雙層繞組
61，未采用削角結構的鐵芯62，等槽深的槽63。
具體實施例方式
下面結合以平板形導體長次級為例的附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
如圖1所示，本發明的輕自重單邊直線感應電動機的具體實施方式
主要由短初級 11，長次級12組成。其中短初級11放置在車上，它包括帶齒槽的鐵芯111、114、115，嵌入槽 中的多相(兩相、三相或更多相)鋁制電樞繞組112。長次級12沿軌道布置，為單邊直線感 應電動機的常規結構。長次級12可采用幾種構成方式，如由平板形導體板如鋁板或銅板 121與鐵磁材料122形成的復合平板次級；梯形導體板與鐵磁材料122形成的復合次級；平 板鼠籠形復合次級與鐵磁材料122形成的復合次級等。梯形導體板及平板鼠籠形反應板也 可采用常規方式構成。復合平板式長次級12與短初級11由氣隙S隔開相對。
在建設直線電機軌道交通線時，可以根據需要選擇所需使用的復合次級，如全線 選用一種次級或在需大推力之處選擇梯形導體板或平板鼠籠形復合次級，其它路段選擇平 板形復合次級，以降低次級制造成本等。 所述的短初級帶齒槽鐵芯的兩端部為削角結構。下面結合圖2 圖4說明各種初 級鐵芯的構成方式。初級鐵芯Hl、114及115是由硅鋼片迭裝而成的，其鐵芯沖片的設計 與常規電機相同。鐵芯111、114及115兩端部削角尺寸可采用電磁場有限元或磁路計算確 定，確定的基本原則是保證端部軛部導磁面積足夠大，端部鐵芯削角處最大磁密值應稍低 或接近于所用導磁材料的飽和磁密，以充分利用材料，盡量減輕鐵芯重量。
圖2 圖4所示為初級鐵芯111、114及115的結構。如圖2所示，初級鐵芯111 的端部削角采用一根直線構成。如圖3所示，初級鐵芯114的端部削角采用多根垂直折線 構成，其中所述的垂直折線各段長度可等長，也可不等長；如圖4所示，初級鐵芯115的端部
削角采用兩段折線構成，兩段折線形成的夾角為e，且有90。 z e Zi80° 。圖2所示的
鐵芯111結構最簡單，但在削角構成上不夠靈活。相比之下，圖3 圖4所示的折線削角增 加了構成上的靈活性，為更多地減輕初級重量并兼顧軛部導磁面積提供了多種選擇。
所述的短初級帶齒槽鐵芯中間部分放置雙層繞組，兩端嵌放端部單層繞組。
鐵芯Hl、114及115放置繞組的槽有兩種槽深放置雙層繞組的中部槽為一個整 槽深，放置單層端部繞組的端部槽113為半個槽深，S卩如果中部槽的深度為一個整槽深，則 端部槽113的深度取半槽深，半槽深的深度為整槽深的一半。半個槽深的槽[113]的槽數 為每端各yl個(yl為繞組節距，以槽數計)，如采用每極每相槽數q = 3槽，短距為2槽的 雙層三相短距繞組，則兩端半個槽深的槽[113]的數量各為yl = 3X3-2 = 7槽。
圖2 圖4中的多相(兩相、三相或更多相)電樞繞組采用雙層鋁制電樞繞組112， 在電機電磁設計時按鋁繞組計算即可。鋁制電樞繞組112采用常規方式構成，如采用波繞 組、迭繞組或混合繞組等。 電樞繞組112的嵌放可按常規直線感應電機的嵌放方式及工藝進行。
權利要求
一種輕自重的單邊直線感應電動機，為短初級、長次級結構，所述的短初級[11]設置在車上，長次級[12]沿軌道鋪設在地面上；所述的短初級[11]由帶齒槽的鐵芯[111、114、115]及嵌入槽中的多相電樞繞組[112]構成，其特征在于所述的鐵芯[111、114、115]由硅鋼片疊成，為兩端削角結構。
2. 按照權利要求l所述的輕自重的單邊直線感應電動機，其特征在于所述的鐵芯 [111、114、115]為一根直線構成的削角鐵芯，或兩段折線構成的削角鐵芯，或多根垂直折線 構成的削角鐵芯。
3. 按照權利要求1或2所述的鐵芯[111、114、115]兩端設置放置端部單層繞組的槽 [113]，槽[113]的深度是鐵芯中部放置雙層繞組的槽的深度的一半。
4. 按照權利要求1所述的輕自重的單邊直線感應電動機，其特征在于所述的多相電樞 繞組[112]采用鋁線制成。
全文摘要
一種輕自重的單邊直線感應電動機，為短初級、長次級式。其初級[11]由多相電樞繞組[112]及硅鋼片迭成的鐵芯構成。初級鐵芯為兩端削角結構，且兩端部設置單層繞組的槽[113]，其槽深為中部放置雙層繞組槽深的一半。初級繞組[112]采用鋁線制成。其次級[12]為復合式，由導電薄板[121]與導磁鐵軛[122]共同構成。本發明可用于需要直線驅動的各種場合，特別是需要減輕初級重量的場合，例如直線電機驅動的軌道交通運輸系統，如城市軌道交通、地鐵等。
文檔編號H02K41/02GK101752982SQ20101003412
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者劉育紅, 張瑞華, 李耀華, 杜玉梅, 金能強 申請人:中國科學院電工研究所