專利名稱：分離冷卻型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)明涉及一種直線電機(jī)驅(qū)動裝置，特別是涉及一種分離冷卻型軌道交通用高 溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
城市軌道交通車輛現(xiàn)在大多都是依靠輪軌來牽引和制動，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。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)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。目前全世界已有多個國家多條直線感應(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鐵路次級導(dǎo)體板 上表面之間間隙(氣隙)的變化，因此氣隙設(shè)計得不能太小，一般在12_左右。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。美國已經(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；美國現(xiàn)在正進(jìn)行IOMW超導(dǎo)風(fēng)電電機(jī)的研 制，電機(jī)的轉(zhuǎn)子用Y系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成；日本超導(dǎo)磁懸浮試驗列車用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，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。公開號CN101697461A所公開的，發(fā)明名稱節(jié)能型軌道交通用高溫超導(dǎo)直線 電機(jī)驅(qū)動裝置，它的鐵芯分成上部鐵芯和下部鐵芯，初級組件分為兩部分(初級組件的 上部和初級組件的下部)，初級組件的上部由上部鐵芯組成，初級組件的下部由下部鐵 芯和高溫超導(dǎo)繞組組成，置于低溫容器內(nèi)。在初級組件中，浸泡在液氮中的部分所產(chǎn) 生的熱量全部由冷卻液散發(fā)，這樣會消耗較多的液氮，直線電機(jī)的主要損耗來自初級鐵 芯中，由于初級鐵芯一部分放置在低溫容器中冷卻，增加了高溫超導(dǎo)直線電機(jī)的運(yùn)行成 本。另外，高溫超導(dǎo)繞組采取四層結(jié)構(gòu)，高溫超導(dǎo)繞組上的磁場較強(qiáng)，會造成的臨界電 流減小，交流損耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明 所要解決的技術(shù)問題是，減少液氮的消耗和高溫超導(dǎo)繞組的交流損耗， 提高高溫超導(dǎo)繞組的臨界電流，提供一種分離冷卻型軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動
直ο本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案本發(fā)明是在公開號CN101697461A，發(fā)明名稱為節(jié)能型軌道交通用高溫超導(dǎo)直線 電機(jī)驅(qū)動裝置所公開的技術(shù)的基礎(chǔ)上作出的。一種分離冷卻型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 和高溫超導(dǎo)直線電機(jī)，所述可控變頻電源設(shè)有變頻電源和控制器，所述高溫超導(dǎo)直線電 機(jī)設(shè)有高溫超導(dǎo)繞組、初級鐵芯、次級導(dǎo)體板、絕緣層和次級導(dǎo)磁鋼板，所述高溫超導(dǎo) 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)體板的上表面之間為 氣隙；高溫超導(dǎo)繞組采用餅式結(jié)構(gòu)、跑道型截面；所述初級鐵芯采用非晶合金片疊加而 成，固定在轉(zhuǎn)向架上；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；低溫容器 通過進(jìn)出管路與冷卻設(shè)備相通，高溫超導(dǎo)繞組放置于低溫容器中。所述低溫容器包括兩個長方體形狀的箱形結(jié)構(gòu)的上低溫容器和下低溫容器，上 低溫容器和下低溫容器結(jié)構(gòu)和尺寸相同，上低溫容器和下低溫容器的壁由雙層無磁不銹 鋼制成，雙層之間抽成真空。在上低溫容器和下低溫容器上對稱設(shè)上下貫通的二十五個矩形槽，這些槽的位 置及尺寸與初級鐵芯的二十五個齒間隙配合，當(dāng)初級鐵芯的二十五個齒插入二十五個矩 形槽時，初級鐵芯兩端的兩個齒位于上低溫容器和下低溫容器兩端的外部。在上低溫容器底部放入絕緣層后，高溫超導(dǎo)繞組的一半單層排列在上低溫容器 底部的絕緣層上，在進(jìn)行封裝，形成上繞組冷卻組件。然后初級鐵芯的每個齒插入上低溫容器的矩形槽中，再用上層擋板把上低溫容 器支撐在初級鐵芯的槽內(nèi)。在下低溫容器底部放入絕緣層后，高溫超導(dǎo)繞組的一半單層排列在下低溫容器 底部的絕緣層上，在進(jìn)行封裝，形成下繞組冷卻組件。然后低溫容器的矩形槽插入初級鐵芯的齒中，再用下層擋板把下低溫容器支撐 在初級鐵芯的槽內(nèi)。本發(fā)明和已有技術(shù)相比所具有的有效效果是在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明提出高溫超導(dǎo)直線電機(jī)內(nèi)初級鐵芯放置在低溫容器外的結(jié) 構(gòu)，明顯降低了高溫超導(dǎo)直線電機(jī)制冷費(fèi)用，進(jìn)一步發(fā)揮其優(yōu)越的電磁特性。繞組電阻 趨近于零，高溫超導(dǎo)繞組本身電能損耗極小，所以損耗主要來自初級鐵芯內(nèi)部的損耗， 初級鐵芯的損耗占總損耗的80%以上，當(dāng)把這部分拿出低溫容器后，高溫超導(dǎo)直線電機(jī) 制冷費(fèi)用會降低80%以上；和四層結(jié)構(gòu)排列相比，由于本發(fā)明采用上下兩層排列的高溫 超導(dǎo)繞組，顯著降低高溫超導(dǎo)繞組上的磁場，提高超導(dǎo)材料的臨界電流，即顯著提高高 溫超導(dǎo)材料的通流能力，同時會進(jìn)一步減小高溫超導(dǎo)材料的交流損耗。


圖1分離冷卻型軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置示意圖。
圖2圖1中局部A處的放大圖。圖3低溫容 器的主視圖。圖4低溫容器的左視圖。圖5低溫容器的A-A剖視圖。圖6分離冷卻型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7初級組件的三維示意圖。圖8初級組件的俯視圖。圖9分離冷卻型軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置的使用示意圖。冷卻通道入口 1、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、冷卻通道入口 8、上低溫容器9a、下低溫容器9b、連桿10、絕 緣層11、冷卻設(shè)備12、控制變頻電源13、冷卻通道出口 14、冷卻通道出口 15、上層擋板 16、下層擋板17。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。參照圖1、圖2和圖9，一種分離冷卻型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13和高溫超導(dǎo)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，所述高溫超導(dǎo)直線電機(jī)設(shè)有高溫超導(dǎo)繞組3、初級鐵芯4、次級導(dǎo)體板2、絕緣層 11和次級導(dǎo)磁鋼板7，所述高溫超導(dǎo)繞組3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的上表面之間為氣隙6 ；高溫超導(dǎo)繞組3采用餅式結(jié)構(gòu)、跑道 型截面；所述初級鐵芯4采用非晶合金片疊加而成，固定在轉(zhuǎn)向架上；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；低溫容器通過進(jìn)出管路與冷卻設(shè)備12相通， 高溫超導(dǎo)繞組3放置于低溫容器中。參照圖2-8，所述低溫容器包括兩個長方體形狀的箱形結(jié)構(gòu)的上低溫容器9a和 下低溫容器9b，上低溫容器9a和下低溫容器9b結(jié)構(gòu)和尺寸相同，上低溫容器9a和下低 溫容器9b的壁由雙層無磁不銹鋼制成，雙層之間抽成真空。在上低溫容器9a和下低溫容器9b上對稱設(shè)上下貫通的二十五個矩形槽Bl B25，這些槽的位置及尺寸與初級鐵芯4的二十五個齒間隙配合，當(dāng)初級鐵芯4的二十五 個齒插入二十五個矩形槽Bl B25時，初級鐵芯4兩端的兩個齒位于上低溫容器9a和下 低溫容器9b兩端的外部。在上低溫容器9a底部放入絕緣層11后，高溫超導(dǎo)繞組3的一半單層排列在上低 溫容器9a底部的絕緣層11上，在進(jìn)行封裝，形成上繞組冷卻組件。然后初級鐵芯4的每個齒插入上低溫容器9a的矩形槽中，再用上層擋板16把上 繞組冷卻組件支撐在初級鐵芯4的槽內(nèi)。在下低溫容器9b底部放入絕緣層11后，高溫超導(dǎo)繞組3的一半單層排列在下低 溫容器9b底部的絕緣層11上，在進(jìn)行封裝，形成下繞組冷卻組件。然后初級鐵芯4的每個齒插入上低溫容器9b的矩形槽中，再用下層擋板17把下 繞組冷卻組件支撐在初級鐵芯4的槽內(nèi)。初級鐵芯4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(扭222；3)或釔鋇銅氧 (YBCO)帶材制成(或其它高溫超導(dǎo)材料)。
參照圖1、圖2、圖6和圖9，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11mm。
氣隙6根據(jù)實際軌道和列車的情況試驗確定，盡可能使氣隙高度小但又要考慮 到實際運(yùn)行中防止初級鐵芯的底部平面和次級導(dǎo)體板接觸，采用初級鐵芯4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)計值為11 15mm。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1，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?？煽刈冾l電源13也安置在列車上。使高溫超導(dǎo)繞組3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1-9，為了使置于上低溫容器9a和下低溫容器9b中的高溫超導(dǎo)繞組3處 于超導(dǎo)狀態(tài)，設(shè)有冷卻設(shè)備12。高溫超導(dǎo)繞組3置于內(nèi)部為液氮的上低溫容器9a和下低 溫容器9b中，上低溫容器9a、下低溫容器9b和冷卻設(shè)備12通過冷卻通道入口 1、冷卻 通道入口 8、冷卻通道出口 14、冷卻通道出口 15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)明分離冷卻型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)列車驅(qū)動時，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。初級鐵芯4產(chǎn)生的熱通過運(yùn)動過程中的流動空氣散布在空氣中，僅僅高溫超導(dǎo)繞 組由于損耗產(chǎn)生的熱由冷卻液冷卻。
權(quán)利要求
1. 一種分離冷卻型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)，所述可控變頻電源(13)設(shè)有變頻電源和控制器，所述高溫超 導(dǎo)直線電機(jī)設(shè)有高溫超導(dǎo)繞組(3)、初級鐵芯(4)、次級導(dǎo)體板(2)、絕緣層(11)和次級 導(dǎo)磁鋼板(7)，所述高溫超導(dǎo)繞組(3)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)的上表面之間為氣隙(6)；高溫超導(dǎo)繞組(3)采用餅式結(jié) 構(gòu)、跑道型截面；所述初級鐵芯(4)采用非晶合金片疊加而成，固定在轉(zhuǎn)向架上；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；低溫容器通過進(jìn)出管路與冷卻 設(shè)備(12)相通，高溫超導(dǎo)繞組(3)放置于低溫容器中； 其特征在于所述低溫容器包括兩個長方體形狀的箱形結(jié)構(gòu)的上低溫容器(9a)和下低溫容器 (%)，上低溫容器(9a)和下低溫容器(9b)結(jié)構(gòu)和尺寸相同，上低溫容器(9a)和下低溫 容器(9b)的壁由雙層無磁不銹鋼制成，雙層之間抽成真空；在上低溫容器(9a)和下低溫容器(9b)上對稱設(shè)上下貫通的二十五個矩形槽(Bi B25)，這些槽的位置及尺寸與初級鐵芯(4)的二十五個齒間隙配合，當(dāng)初級鐵芯(4)的 二十五個齒插入二十五個矩形槽(Bi B25)時，初級鐵芯(4)兩端的兩個齒位于上低溫 容器(9a)和下低溫容器(9b)兩端的外部；在上低溫容器(9a)底部放入絕緣層(11)后，高溫超導(dǎo)繞組(3)的一半單層排列在上 低溫容器(9a)底部的絕緣層(11)上，進(jìn)行封裝，形成上繞組冷卻組件；然后初級鐵芯(4)的每個齒插入上低溫容器(9a)的矩形槽中，用上層擋板(16)把上 低溫容器(9a)支撐在初級鐵芯(4)的槽內(nèi)；在下低溫容器(％)底部放入絕緣層(11)后，高溫超導(dǎo)繞組(3)的一半單層排列在下 低溫容器(％)底部的絕緣層(11)上，在進(jìn)行封裝，形成下繞組冷卻組件；然后下低溫容器(％)的矩形槽插入初級鐵芯(4)的齒中，用下層擋板(17)把下低溫容器(％)支撐在初級鐵芯(4)的槽內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分離冷卻型軌道交通用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)驅(qū)動裝置，涉及一種直線電機(jī)。所述低溫容器包括兩個長方體形狀的箱形結(jié)構(gòu)的上低溫容器(9a)和下低溫容器(9b)，在上低溫容器和下低溫容器底部分別放入絕緣層后，高溫超導(dǎo)繞組(3)的一半分別單層排列在上低溫容器和下低溫容器底部的絕緣層上，再各自進(jìn)行封裝，分別形成上繞組冷卻組件和下繞組冷卻組件；在上低溫容器和下低溫容器的槽與初級鐵芯(4)的齒間隙配合；再用上層擋板(16)和下層擋板(17)，分別把上繞組冷卻組件和下繞組冷卻組件支撐在初級鐵芯的槽內(nèi)，形成具有兩層繞組結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)直線電機(jī)。使用該裝置，交流損耗明顯減小，超導(dǎo)材料臨界電流提高，制冷費(fèi)用大幅減小。
文檔編號H02P25/16GK102025315SQ201010590940
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者張威, 方進(jìn), 曾龍, 李棟, 楊中平, 趙佳, 趙穎, 鄭瓊林 申請人:北京交通大學(xué)