超导长定子直线电机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，用于在列车两侧产生极性相反的第一磁场；多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，长定子线圈的中心线与超导磁体内的线圈的中心线等高，用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场使得行波磁场在第一磁场作用下产生作用于转向架几何中心处的第一合力，以实现列车牵引制动；多对8字形线圈，位于超导磁体和多对长定子线圈之间，用于在第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。本发明专利技术提高了牵引力密度和超导磁体的利用率，节省了磁浮列车的成本。

【技术实现步骤摘要】
超导长定子直线电机及其控制方法
本专利技术涉及轨道交通领域，尤其是涉及一种用于超导磁悬浮列车的双边驱动的单磁体超导长定子直线电机及其控制方法。
技术介绍
超导磁悬浮列车是将超导材料应用于磁悬浮的直线牵引电机而发展起来的独特列车系统。它利用了超导材料的零电阻恒流特性以及超导线圈通电后产生的强大磁场，将超导材料用于牵引直线电机，利用其牵引力驱动列车前进，列车前进过程中，可通过悬浮装置使得列车悬浮于轨道上方，与轨道无接触无摩擦，是当前超高速轨道交通的重要形式之一。在现有超导牵引直线电机技术中，具有如下几种方案。第一，牵引力、悬浮力和导向力是同一个线圈产生。这种方法虽然可使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，但解耦控制的难度增大。第二，高速磁浮交通的电磁推进系统内的直线电机采用定子线圈实现牵引，并且使用永磁体实现列车悬浮，这种方法的内部结构相对冗余，牵引和悬浮能力的可靠性不足，永磁体的磁场强度不算大，列车悬浮气隙会很小，对轨道施工、车体制造的精度有较高要求。第三，仅利用超导线圈来实现列车悬浮，并且采用永磁同步电机实现列车牵引，由于永磁材料限制了直线电机的牵引力，该方案的牵引、制动性能略显不足。另外，超导磁悬浮列车利用超导线圈零电阻恒流特性大大减少了悬浮消耗功率，并且具有自动悬浮导向的优势。但是由于超导材料价格昂贵，增加了列车成本，并且超导磁体在空气中形成的磁场有比较多的磁力线泄漏，存在较大的磁场辐射问题。较大的磁场辐射会对精密的电子设备造成干扰，比如：会影响手机/电脑等的信号质量、以及干扰心脏起搏器等设备的正常工作，因此，需要对列车车厢及周边环境采取良好的防辐射措施。此外，现有技术中的超导牵引直线电机常会出现，因内部结构导致电机控制的复杂度提高、牵引和悬浮力的性能不足或可靠性不足等问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，其用于在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，所述长定子线圈的中心线与所述超导磁体内的线圈的中心线在同一水平面内，所述多对长定子线圈用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在与所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引制动；多对8字形线圈，每对8字形线圈位于所述超导磁体和所述每对长定子线圈之间，且单侧8字形线圈固定于轨道凹槽的开口侧边缘处，用于在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。优选地，所述超导磁体包括：低温容器，所述低温容器为双层中空腔体，所述低温容器的内腔中充注储冷物质，所述低温容器的内腔壁与外腔壁之间通过支撑结构固定连接，所述低温容器的外腔采用真空层；第一超导线圈和第二超导线圈，所述第一超导线圈和第二超导线圈分别安装在低温容器内腔壁外侧的左、右侧。优选地，所述每对8字形线圈按照预设间距铺设于轨道两侧的凹槽内，所述每对8字形线圈包括分别位于轨道两侧的第一8字形线圈和第二8字形线圈，所述第一8字形线圈和第二8字形线圈的中心线处于第一水平面内，所述第一水平面位于所述超导磁体内的线圈的中心线所处的第二水平面的上方，其中，所述第一水平面和所述第二水平面的距离为预设的第一距离。优选地，所述每对长定子线圈包括分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，所述第一长定子线圈和所述第二长定子线圈结构相同且以相同绕接方式与外接交流电源器连接，其中，所述长定子线圈包括并联的第一单相线圈、第二单相线圈和第三单相线圈，所述第一单相线圈、所述第二单相线圈和所述第三单相线圈之间按预设极距沿轨道方向铺设，并分别与外接交流电源器的U、V和W相连接，所述外接交流电源器所提供的交流电源优选为三相对称交流电。优选地，同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。优选地，所述外接交流电源器优选为变流器，其中，同侧轨道内相邻的同相长定子线圈串联。优选地，所述第一超导线圈和第二超导线圈采用自闭合的短路线圈。优选地，所述单侧8字形线圈分别与其同侧长定子线圈和所述超导磁体之间形成为气隙通道；所述每对8字形线圈的铺设间距优选为所述每对长定子线圈内每对单相线圈的铺设极距的1/3。优选地，所述转向架包括：转向架本体，其与列车车体的底部连接，所述转向架本体的内部中心轴线位置处安装有所述超导磁体；支撑导向轮，其与列车U型轨道中间处的导向轮轨道的凹槽相匹配，用于在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时作为所述列车的提供支撑和导向装置。另一方面，本专利技术还提供了一种用于超导长定子直线电机的控制方法，所述控制方法利用如上述所述的超导长定子直线电机对列车的牵引和悬浮导向进行控制，所述方法包括：安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；在列车运行过程中，多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引或制动；以及位于所述超导磁体和所述多对长定子线圈之间的多对8字形线圈，在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。优选地，在多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场步骤中，包括：向分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，通入相应的三相对称交流电，从而产生所述行波磁场。优选地，向同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。优选地，通过控制所述三相对称交流电的频率，调整所述列车的行驶速度，使得所述行驶速度与所述行波磁场的速度相一致，其中，按照如下表达式对所述列车的行驶速度进行控制：v＝2fτ其中，v表示所述行波磁场的速度，f表示三相对称交流电的频率，τ表示长定子线圈的极距。优选地，通过控制所述三相对称交流电的相位和幅值，调整所述行波磁场的强度，从而控制所述列车的牵引力大小和行驶速度。优选地，在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时，由所述转向架内的支撑导向轮作为所述列车的支撑和导向装置。优选地，在列车的行驶速度为预设的第二速度阈值范围时，若所述列车产生位置偏移，则所述多对8字形线圈在所述第一磁场的作用下产生感应电流，并进一步对所述超导磁体产生不同方向的电磁力分力，从而通过各电磁力分力的合力形成为与当前偏移方向相反的所述第二合力，以控制所述列车返回至所述平衡位置，其中，所述平衡位置为在同组8字形线圈对所述超导磁体产生相同水平分力、并且对所述超导磁体产生的垂向悬浮力与列车重力平衡时列车所处的位置。与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：...

【技术保护点】
1.一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：/n安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，其用于在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；/n多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，所述长定子线圈的中心线与所述超导磁体内的线圈的中心线在同一水平面内，所述多对长定子线圈用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在与所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引制动；/n多对8字形线圈，每对8字形线圈位于所述超导磁体和所述每对长定子线圈之间，且单侧8字形线圈固定于轨道凹槽的开口侧边缘处，用于在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：
安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，其用于在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；
多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，所述长定子线圈的中心线与所述超导磁体内的线圈的中心线在同一水平面内，所述多对长定子线圈用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在与所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引制动；
多对8字形线圈，每对8字形线圈位于所述超导磁体和所述每对长定子线圈之间，且单侧8字形线圈固定于轨道凹槽的开口侧边缘处，用于在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。


2.根据权利要求1所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述超导磁体包括：
低温容器，所述低温容器为双层中空腔体，所述低温容器的内腔中充注储冷物质，所述低温容器的内腔壁与外腔壁之间通过支撑结构固定连接，所述低温容器的外腔采用真空层；
第一超导线圈和第二超导线圈，所述第一超导线圈和第二超导线圈分别安装在低温容器内腔壁外侧的左、右侧。


3.根据权利要求1或2所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述每对8字形线圈按照预设间距铺设于轨道两侧的凹槽内，所述每对8字形线圈包括分别位于轨道两侧的第一8字形线圈和第二8字形线圈，所述第一8字形线圈和第二8字形线圈的中心线处于第一水平面内，所述第一水平面位于所述超导磁体内的线圈的中心线所处的第二水平面的上方，其中，所述第一水平面和所述第二水平面的距离为预设的第一距离。


4.根据权利要求1～3中任一项所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述每对长定子线圈包括分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，所述第一长定子线圈和所述第二长定子线圈结构相同且以相同绕接方式与外接交流电源器连接，其中，所述长定子线圈包括并联的第一单相线圈、第二单相线圈和第三单相线圈，所述第一单相线圈、所述第二单相线圈和所述第三单相线圈之间按预设极距沿轨道方向铺设，并分别与外接交流电源器的U、V和W相连接，所述外接交流电源器所提供的交流电源优选为三相对称交流电。


5.根据权利要求4所述的超导长定子直线电机，其特征在于，同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。


6.根据权利要求4或5所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述外接交流电源器优选为变流器，其中，同侧轨道内相邻的同相长定子线圈串联。


7.根据权利要求2所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述第一超导线圈和第二超导线圈采用自闭合的短路线圈。


8.根据权利要求3所述的超导长定子直线电机，其特征在于，
所述单侧8字形线圈分别与其同侧长定子线圈和所述超导磁体之间形成为气隙通道；
所述每对8字形线圈的铺设间距优选为所述每对长定子线圈内每对单相线圈的铺设极距...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯瑶鑫，赵岸峰，袁贤珍，石煜，苏军贵，范祝霞，文艳晖，贺聪，杨曼莉，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43