本发明涉及磁悬浮列车技术领域，具体涉及一种可为高速磁悬浮列车运行提供推力、悬浮力和侧向力，实现牵引、悬浮和侧向导向功能一体化的应用于磁悬浮列车的超导直线电机。
背景技术：
在轨道交通领域，非接触式的磁悬浮交通由于其噪音低、无磨耗、安全性高，并且符合绿色出行的发展要求，成为现代轨道交通发展的重要方向。对于磁浮列车，牵引、悬浮和导向是其需要关注的重要环节。
在现有的高速磁浮系统中，列车是用直线同步电机驱动的：即通过安装在地面轨道的初级线圈和安装在磁浮列车上的次级来实现的。而悬浮和导向则是通过悬浮电磁铁或者其他线圈等装置实现的。因此，目前磁浮列车上产生所需的牵引力、悬浮力和实现自动导向的装置一般有两个或多个，这样就会使得磁浮结构比较复杂，同时会造成列车的重量增加、设备安装的困难度提高并降低列车的可靠性。另外，短初级的直线电机由于铁芯开端，在高速运行时有明显的端部效应，会大大降低电机的牵引力和效率；对于有铁芯的直线同步电机，由于齿槽的存在导致齿槽力的产生，从而影响牵引力波动。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种集牵引、悬浮和侧向导向功能一体化的应用于磁悬浮列车的超导直线电机，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明提供的一种应用于磁悬浮列车的超导直线电机，包括沿轨道方向依次均匀安装在轨道两侧的多个超导集成单元，以及沿轨道方向均匀安装在列车两侧的与所述多个超导集成单元对应的多个超导线圈；
所述超导集成单元包括依次并列的三个“8”字型线圈，分别为第一“8”字型线圈、第二“8”字型线圈和第三“8”字型线圈，每一个“8”字型线圈分别与三相电源的u、v、w相连接；
相邻的第一“8”字型线圈依次串联，相邻的第二“8”字型线圈依次串联，相邻的第三“8”字型线圈依次串联。
优选的，所述“8”字型线圈包括相互对称的上半线圈和下半线圈，所述上半线圈的电流流出端与所述下半线圈的电流流入端连接，所述上半线圈的电流流动方向与所述下半线圈的电流流动方向相反。
优选的，所述第一“8”字型线圈与三相电源的u相连接，所述第二“8”字型线圈与三相电源的w相连接，所述第三“8”字型线圈与所述三相电源的v相连接。
优选的，若载有带电超导线圈的列车发生向下偏移时，超导线圈通过轨道两侧的“8”字型线圈时，“8”字型线圈内部产生感应涡流，并且下半线圈的感应电动势大于上半线圈的感应电动势，下半线圈产生的磁场与超导线圈产生的磁场方向相反。
优选的，若载有带电超导线圈的列车发生横向偏移时，超导线圈通过轨道两侧的“8”字型线圈时，轨道两侧相对的两个上半线圈之间的连线形成第一闭合回路，道两侧相对的两个上半线圈之间的连线形成第二闭合回路，第一闭合回路和第二闭合回路为超导线圈提供横向导向力。
本发明有益效果：可为高速磁悬浮列车运行提供牵引力、悬浮力和横向导向力，实现了集牵引、悬浮和侧向导向功能一体化；使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，减小了列车的重量，降低了设备安装的困难度，提高列车运行的可靠性；避免了端部效应的产生，提高了电机的牵引力和效率，降低了牵引力波动，提高了列车运行质量和运行效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机结构原理图。
图2为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机悬浮功能实现原理框图。
图3为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机悬浮功能实现时的列车截面示意图。
图4为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机悬浮功能实现时的受力分析原理框图。
图5为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机横向导向功能实现原理框图。
图6为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机横向导向功能实现时的列车截面示意图。
图7为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机横向导向功能受力分析原理图。
图8为本发明实施例所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机牵引力功能实现原理框图。
其中：1-超导线圈；21-第一“8”字型线圈；22-第二“8”字型线圈；23-第三“8”字型线圈；3-上半线圈；4-下半线圈。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
如图1所示，本发明实施例提供一种应用于磁悬浮列车的超导直线电机，包括沿轨道方向依次均匀安装在轨道两侧的多个超导集成单元，以及沿轨道方向均匀安装在列车两侧的与所述多个超导集成单元对应的多个超导线圈1；
所述超导集成单元包括依次并列的三个“8”字型线圈，分别为第一“8”字型线圈21、第二“8”字型线圈22和第三“8”字型线圈23，每一个“8”字型线圈分别与三相电源的u、v、w相连接；
相邻的第一“8”字型线圈21依次串联，相邻的第二“8”字型线圈22依次串联，相邻的第三“8”字型线圈23依次串联。
所述“8”字型线圈包括相互对称的上半线圈3和下半线圈4，所述上半线圈3的电流流出端与所述下半线圈4的电流流入端连接，所述上半线圈的电流流动方向与所述下半线圈的电流流动方向相反。
所述第一“8”字型线圈21与三相电源的u相连接，所述第二“8”字型线圈22与三相电源的w相连接，所述第三“8”字型线圈23与所述三相电源的v相连接。
图1仅仅示出超导直线电机的一对极，其中，由u、v、w三相交流电激励的8字型线圈表示直线磁悬浮电机的初级。直线磁悬浮电机次级的每一个小的集成单元的每一个线圈电流流动方向类似于阿拉伯数字“8”，故此称其为8字线圈。
轨道两侧的8字线圈通过导线相连，安装在列车运行轨道的两侧。超导线圈表示直线磁悬浮电机的次级，安装在磁浮列车车体的两侧。
在本发明实施例中，如图3所示，为了简化直线磁浮电机悬浮功能的分析，此处仅仅考虑超导线圈相对8字线圈发生垂向偏移，即位于车体上的超导线圈沿着z轴负方向偏移了δz。如图2所示，当载有带电超导线圈的车体以速度v通过轨道两侧的8字线圈时，轨道两侧的8字线圈之间没有电流产生，仅仅在8字线圈内部存在感应出的涡流，并且8字线圈下半侧的感应电动势大于8字线圈上半侧的感应电动势，造成8字线圈下半侧感应出涡流产生的磁场与超导线圈产生的磁场相反。此时，列车截面示意图以及8字线圈和超导线圈的受力分析如图4所示。可以得出，载有超导线圈的车体受到沿着z轴正向的悬浮力。
在本发明实施例中，如图6所示，为了简化直线磁浮电机导向功能的分析，此处仅仅考虑超导线圈相对8字线圈发生横向偏移，即位于车体上的超导线圈沿着y轴负方向偏移了δy。如图5所示，当载有带电超导线圈的车体以速度v通过轨道两侧的8字线圈时，#1线圈(即上半线圈)与#3线圈(即轨道另一侧的上半线圈)通过轨道两侧8字线圈之间的连线形成闭合回路，#2线圈(即下半线圈)与#4线圈(即轨道另一侧的下半线圈)同理形成闭合回路。其中，#1线圈和#3线圈组成的闭合回路与#2线圈和#4线圈组成的闭合回路互不影响。此时，列车截面示意图以及8字线圈和超导线圈的受力分析如图7所示。可以得出，载有超导线圈的车体受到沿着y轴正向的导向力。
本发明实施例中，为了简化直线磁浮电机导向功能的分析，此处仅仅考虑超导线圈相对8字线圈没有发生横向便宜和垂向偏移。此时，8字线圈和超导线圈的激励施加以及牵引力的受力分析示意图如图8所示。其中，相序采用u+、w-、v+、u-、w+、v-而非u+、v+、w+可以有效增加电机的极距，从而使得在运行于一特定同步速度时，第一种方案的电源频率仅仅为第二种方案电源频率的一半。
综上所述，本发明实施例所述的用于磁悬浮列车的超导直线电机，可为高速磁悬浮列车运行提供牵引力、悬浮力和横向导向力，实现了集牵引、悬浮和侧向导向功能一体化；使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，减小了列车的重量，降低了设备安装的困难度，提高列车运行的可靠性；避免了端部效应的产生，提高了电机的牵引力和效率，降低了牵引力波动，提高了列车运行质量和运行效率。
本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
技术特征：
1.一种应用于磁悬浮列车的超导直线电机，其特征在于，包括沿轨道方向依次均匀安装在轨道两侧的多个超导集成单元，以及沿轨道方向均匀安装在列车两侧的与所述多个超导集成单元对应的多个超导线圈(1)；
所述超导集成单元包括依次并列的三个“8”字型线圈，分别为第一“8”字型线圈(21)、第二“8”字型线圈(22)和第三“8”字型线圈(23)，每一个“8”字型线圈分别与三相电源的u、v、w相连接；
相邻的第一“8”字型线圈(21)依次串联，相邻的第二“8”字型线圈(22)依次串联，相邻的第三“8”字型线圈(23)依次串联。
2.根据权利要求1所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机，其特征在于，所述“8”字型线圈包括相互对称的上半线圈(3)和下半线圈(4)，所述上半线圈(3)的电流流出端与所述下半线圈(4)的电流流入端连接，所述上半线圈的电流流动方向与所述下半线圈的电流流动方向相反。
3.根据权利要求2所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机，其特征在于，所述第一“8”字型线圈(21)与三相电源的u相连接，所述第二“8”字型线圈(22)与三相电源的w相连接，所述第三“8”字型线圈(23)与所述三相电源的v相连接。
4.根据权利要求3所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机，其特征在于，若载有带电超导线圈(1)的列车发生向下偏移时，超导线圈(1)通过轨道两侧的“8”字型线圈时，“8”字型线圈内部产生感应涡流，并且下半线圈(4)的感应电动势大于上半线圈(3)的感应电动势，下半线圈(4)产生的磁场与超导线圈(1)产生的磁场方向相反。
5.根据权利要求3所述的应用于磁悬浮列车的超导直线电机，其特征在于，若载有带电超导线圈(1)的列车发生横向偏移时，超导线圈(1)通过轨道两侧的“8”字型线圈时，轨道两侧相对的两个上半线圈(3)之间形成第一闭合回路，轨道两侧相对的两个下半线圈(4)之间形成第二闭合回路，第一闭合回路和第二闭合回路为超导线圈(1)提供横向导向力。
技术总结
本发明提供了一种应用于磁悬浮列车的超导直线电机，属于磁悬浮列车技术领域。包括均匀安装在轨道两侧的多个超导集成单元，以及均匀安装在列车两侧的与超导集成单元对应的多个超导线圈；超导集成单元包括依次并列的第一8字型线圈、第二8字型线圈和第三8字型线圈，分别与三相电源的U、V、W相连接；相邻的第一8字型线圈依次串联，相邻的第二8字型线圈依次串联，相邻的第三8字型线圈依次串联。本发明实现了集牵引、悬浮和侧向导向功能一体化，使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，减小了列车的重量，降低了设备安装的困难度，提高了运行可靠性；避免了端部效应的产生，提高了电机的牵引力和效率，降低了牵引力波动，提高了运行质量和运行效率。
技术研发人员：吕刚;周桐;闫少强
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：.10.29
技术公布日：.02.18
