阅读说明：本技术 用于高速磁浮交通的电磁推进系统及磁悬浮列车 (Electromagnetic propulsion system for high-speed maglev traffic and maglev train ) 是由 杜修方 毛凯 张艳清 张志华 韦克康 张庆杰 康颖 陈松 于 2019-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统及磁悬浮列车,该系统包括直线电机和电动悬浮组件,直线电机用于实现车体的加速和导向,直线电机包括第一、第二定子线圈组、第三、第四定子线圈组、第一和第二超导动子线圈组,第一超导动子线圈组位于第一定子线圈组和第二定子线圈组之间且固定设置在车体的一侧,第二超导动子线圈组位于第三定子线圈组和第四定子线圈组之间且固定设置在车体的另一侧,电动悬浮组件用于实现车体的自动悬浮,电动悬浮组件包括永磁体阵列单元和悬浮感应板,永磁体阵列单元与悬浮感应板相互作用以产生悬浮力。应用本发明的技术方案,以解决现有技术中电磁推进系统的推力较低且稳定性差的技术问题。(The invention provides an electromagnetic propulsion system for high-speed maglev traffic and a maglev train, wherein the system comprises a linear motor and an electric suspension assembly, the linear motor is used for realizing acceleration and guidance of a train body, the linear motor comprises a first stator coil group, a second stator coil group, a third stator coil group, a fourth stator coil group, a first superconducting rotor coil group and a second superconducting rotor coil group, the first superconducting rotor coil group is positioned between the first stator coil group and the second stator coil group and fixedly arranged on one side of the train body, the second superconducting rotor coil group is positioned between the third stator coil group and the fourth stator coil group and fixedly arranged on the other side of the train body, the electric suspension assembly is used for realizing automatic suspension of the train body, the electric suspension assembly comprises a permanent magnet array unit and a suspension induction plate, and the permanent magnet array unit and the suspension induction plate interact to generate suspension force. By applying the technical scheme of the invention, the technical problems of lower thrust and poor stability of the electromagnetic propulsion system in the prior art are solved.)

用于高速磁浮交通的电磁推进系统及磁悬浮列车

技术领域

本发明涉及电磁推进技术领域，尤其涉及一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统及磁悬浮列车。

背景技术

目前，上海高速磁悬浮和日本低温超导磁悬浮车的成功运行推动了高速铁路的发展，磁浮交通使用的直线电机牵引系统，可将电能直接转变为车辆动能而不需要中间传动装置，在高速铁路领域有着较好的应用前景。

我国的北京地铁首都机场线和广州地铁4、5、6号线，均使用了直线感应电机进行车辆牵引。直线感应电机驱动系统将三相绕组安装在车体下方，利用铺设在轨道中间的感应板产生的涡流与车载绕组间的作用力驱动列车前进。但直线感应电机属于异步电机，运行速度较低，不适用于高速运行条件。

上海磁悬浮列车专线使用了运行速度更高的常导同步直线电机，其结构与前者不同，需要将三相绕组安装在轨道上，车载部分为电磁体，运行时速可达430km/h。同步直线电机不仅更适用于高速运行，而且摆脱了车辆集电设备对列车速度的制约。

日本山梨线maglev列车作为代表，其采用长定子超导同步电机。maglev列车的最高速度可达500km/h以上，此线路的直线电机动子采用超导线圈安装在车体上，定子线圈安装在地面上位于超导线圈一侧，具体如图7所示。

然而，尽管现有的超导磁悬浮推进系统具有速度快、加速度大能耗低等优点，但仍存在以下不足。一方面，现有技术中超导磁体的强磁场未能得到高效的利用，若想达到更高的速度就需要变流系统为直线电机输入更高的电压，但是由于目前变流系统的容量限制，从而限制了直线电机输出的推力。此外，由于需要液氦对超导体进行冷却降温，所以成本很高。另一方面，现有技术中车体稳定性不高，振动大。

发明内容

本发明提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统及磁悬浮列车，能够解决现有技术中电磁推进系统的推力较低且稳定性差的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统，电磁推进系统包括：直线电机，直线电机用于实现车体的加速和导向，直线电机包括第一定子线圈组、第二定子线圈组、第三定子线圈组、第四定子线圈组、第一超导动子线圈组和第二超导动子线圈组，第一定子线圈组和第二定子线圈组固定在地面上且位于车体的一侧，第三定子线圈组和第四定子线圈组固定在地面上且位于车体的另一侧，第一超导动子线圈组位于第一定子线圈组和第二定子线圈组之间且固定设置在车体的一侧，第二超导动子线圈组位于第三定子线圈组和第四定子线圈组之间且固定设置在车体的另一侧；电动悬浮组件，电动悬浮组件用于实现车体的自动悬浮，电动悬浮组件包括永磁体阵列单元和悬浮感应板，悬浮感应板固定设置在地面上，永磁体阵列单元设置在车体下部，永磁体阵列单元与悬浮感应板相互作用以产生悬浮力。

进一步地，直线电机包括沿车体运动方向设置的多个直线电机段，各个直线电机段均包括多个依次串联连接的第一定子线圈段、多个依次串联连接的第二定子线圈段、多个依次串联连接的第三定子线圈段和多个依次串联连接的第四定子线圈段。

进一步地，各个直线电机段的电压可根据来获取，其中，u_d为直线电机段的电机直轴同步电压，u_q为直线电机段的电机交轴同步电压，R_s为直线电机段的电阻，p为微分因子，i_d为直线电机段的电机直轴同步电流，i_q为直线电机段的电机交轴同步电流，L_sd为直线电机段的电机直轴同步电感，L_sq为直线电机段的电机交轴同步电感，τ为直线电机段的电机极距，v为直线电机段的电机动子速度，i_m为直线电机段的励磁电流，M_sm为直线电机段的初级绕组与超导励磁绕组互感。

进一步地，各个直线电机段的磁链方程为

其中，ψ_d为直线电机段的电机直轴磁链，ψ_q为直线电机段的电机交轴磁链。

进一步地，各个直线电机段的次级动子推力可根据

来获取，其中，n为直线电机段的相数，ψ_r为直线电机段的次级超导线圈产生的励磁磁链。

进一步地，直线电机的定子为n相集中式绕组，第一定子线圈段包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段包括n个第二定子线圈，第三定子线圈段包括n个第三定子线圈，第四定子线圈段包括n个第四定子线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接，n个第三定子线圈与n个第四定子线圈依次并联连接。

进一步地，第一超导动子线圈组和第二超导动子线圈组均包括p个极对数，各个极对数均包括N磁极和S磁极，极对数的个数p与直线电机的相数n之间的关系为n＝2p-1、n＝2p+1、n＝2p-2或n＝2p+2。

进一步地，电磁推进系统还包括第一低温容器和第二低温容器，第一低温容器设置在车体的一侧，第二低温容器设置在车体的另一侧，第一超导动子线圈组设置在第一低温容器内，第二超导动子线圈组设置在第二低温容器内。

进一步地，永磁体阵列单元为halbach结构的永磁体阵列，永磁体阵列单元的充磁方向垂直于水平面。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁悬浮列车，磁悬浮列车包括如上所述的用于高速磁浮交通的电磁推进系统。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统，该电磁推进系统通过在第一超导动子线圈组的两侧布置第一定子线圈组和第二定子线圈组以及在第二超导动子线圈组的两侧布置第三定子线圈组和第四定子线圈组，此种方式能够更加高效地利用超导动子线圈的强磁场，在相同的变流器输入电流下，电机输出推力更高。此外，本发明通过在第一超导动子线圈组和第二超导动子线圈组的两侧均布置定子线圈，当车体沿Zc轴偏离中心位置时，电机会产生回到中心位置的自回复力，提高了车体运行的稳定性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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示出了根据本发明的具体实施例提供的用于高速磁浮交通的电磁推进系统的俯视图；

图2示出了图1中提供的电磁推进系统的左视图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的直线电机段的结构示意图；

图4和图5示出了图3中提供的直线电机段的俯视图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的电动悬浮组件的侧视图；

图7示出了现有技术中电磁推进系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、直线电机；11、第一定子线圈组；12、第二定子线圈组；13、第三定子线圈组；14、第四定子线圈组；15、第一超导动子线圈组；16、第二超导动子线圈组；101、第一定子线圈段；102、第二定子线圈段；103、第三定子线圈段；104、第四定子线圈段；20、电动悬浮组件；21、永磁体阵列单元；22、悬浮感应板；30、第一低温容器；40、第二低温容器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统，该电磁推进系统包括直线电机10和电动悬浮组件20，直线电机10用于实现车体的加速和导向，直线电机10包括第一定子线圈组11、第二定子线圈组12、第三定子线圈组13、第四定子线圈组14、第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16，第一定子线圈组11和第二定子线圈组12固定在地面上且位于车体的一侧，第三定子线圈组13和第四定子线圈组14固定在地面上且位于车体的另一侧，第一超导动子线圈组15位于第一定子线圈组11和第二定子线圈组12之间且固定设置在车体的一侧，第二超导动子线圈组16位于第三定子线圈组13和第四定子线圈组14之间且固定设置在车体的另一侧；电动悬浮组件20用于实现车体的自动悬浮，电动悬浮组件20包括永磁体阵列单元21和悬浮感应板22，悬浮感应板22固定设置在地面上，永磁体阵列单元21设置在车体下部，永磁体阵列单元21与悬浮感应板22相互作用以产生悬浮力。

应用此种配置方式，提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统，该电磁推进系统通过在第一超导动子线圈组的两侧布置第一定子线圈组和第二定子线圈组以及在第二超导动子线圈组的两侧布置第三定子线圈组和第四定子线圈组，此种方式能够更加高效地利用超导动子线圈的强磁场，在相同的变流器输入电流下，电机输出推力更高。此外，本发明通过在第一超导动子线圈组和第二超导动子线圈组的两侧均布置定子线圈，当车体沿Zc轴偏离中心位置时，电机会产生回到中心位置的自回复力，提高了车体运行的稳定性。

进一步地，在本发明中，直线电机10包括沿车体运动方向设置的多个直线电机段，各个直线电机段均包括多个依次串联连接的第一定子线圈段101、多个依次串联连接的第二定子线圈段102、多个依次串联连接的第三定子线圈段103和多个依次串联连接的第四定子线圈段104。

应用此种配置方式，直线电机采用分段供电的方式，直线电机包括沿车体运动方向设置的多个直线电机段，根据变流器的容量，列车在运行时，交流器依次向各个直线电机段供电，各个直线电机段的视在功率不超过变流器的容量。

作为本发明的一个具体实施例，直线电机10的定子为n相集中式绕组，第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16提供稳定的励磁磁场，当定子线圈组通入对称n相交流电时将产生行波磁场，行波磁场和励磁磁场的相互作用产生电磁驱动力，驱动列车做直线运动。该直线电机为长初级、短次级结构，初级固定于地面上又称定子，次级随车体运动，又称动子。电机定子为n相集中式绕组，由四排初级线圈构成，车体左右各两排初级，具体为第一定子线圈组11、第二定子线圈组12、第三定子线圈组13和第四定子线圈组14。

第一定子线圈组11包括多个串联连接的第一定子线圈段101，第二定子线圈组12包括多个串联连接的第二定子线圈段102，第一定子线圈段101和第二定子线圈段102分别设置在第一超导动子线圈组15的两侧，第一定子线圈段包括n个第一定子线圈，第二定子线圈段102包括n个第二定子线圈，n个第一定子线圈与n个第二定子线圈依次并联连接。第三定子线圈组13包括多个串联连接的第三定子线圈段103，第四定子线圈组14包括多个串联连接的第四定子线圈段104，第三定子线圈段103和第四定子线圈段104分别设置在第二超导动子线圈组16的两侧，第三定子线圈段包括n个第三定子线圈，第四定子线圈段102包括n个第四定子线圈，第三定子线圈段的n个第三定子线圈与第四定子线圈段的n个第四定子线圈一一对应并联连接。

电机动子包括第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16，第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16分别固定设置在车体两侧下部，第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16均包括p个极对数，各个极对数均包括N磁极和S磁极，第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16的磁极N、S交替排列，第一超导动子线圈组15和第二超导动子线圈组16对应的磁极磁性相同。此外，为了提高电机的反电势效果及绕组利用率，电机相数和极对数之间的关系应满足n＝2p-1、n＝2p+1、n＝2p-2或n＝2p+2。

作为本发明的一个具体实施例，图3至图5示出了其中一个直线电机段的结构组成。该直线电机段包括四个依次串联连接的第一定子线圈段101、四个依次串联连接的第二定子线圈段102、四个依次串联连接的第三定子线圈段103和四个依次串联连接的第四定子线圈段104。如图5所示，第一个第一定子线圈段包括定子线圈A1、B1和C1，第二个第一定子线圈段包括定子线圈A2、B2和C2，第三个第一定子线圈段包括定子线圈A3、B3和C3，第四个第一定子线圈段包括定子线圈A4、B4和C4，定子线圈A1、A2、A3和A4依次串联连接，定子线圈B1、B2、B3和B4依次串联连接，定子线圈C1、C2、C3和C4依次串联连接，定子线圈A1、A2、A3、A4和定子线圈B1、B2、B3、B4以及定子线圈C1、C2、C3、C4的一端与变流器连接，另一端星型连接。

第一个第二定子线圈段包括定子线圈A1’、B1’和C1’，第二个第二定子线圈段包括定子线圈A2’、B2’和C2’，第三个第二定子线圈段包括定子线圈A3’、B3’和C3’，第四个第二定子线圈段包括定子线圈A4’、B4’和C4’，定子线圈A1’、A2’、A3’和A4’依次串联连接，定子线圈B1’、B2’、B3’和B4’依次串联连接，定子线圈C1’、C2’、C3’和C4’依次串联连接，其中，定子线圈A1与A1’并联，定子线圈B1与B1’并联，C1与C1’并联，A2与A2’并联，B2与B2’并联，C2与C2’并联，A3与A3’并联，B3与B3’并联，C3与C3’并联，A4与A4’并联，B4与B4’并联，C4与C4’并联。定子线圈A1’、A2’、A3’、A4’和定子线圈B1’、B2’、B3’、B4’以及定子线圈C1’、C2’、C3’、C4’的一端与变流器连接，另一端星型连接，定子线圈A1’、A2’、A3’、A4’、定子线圈B1’、B2’、B3’、B4’以及定子线圈C1’、C2’、C3’、C4’的星型连接端与定子线圈A1、A2、A3、A4、定子线圈B1、B2、B3、B4以及定子线圈C1、C2、C3、C4的星型连接端连接。与此类似，位于车体另一侧的第三定子线圈段103和第四定子线圈段104的排列方式及连接方式与第一定子线圈段101和第二定子线圈段102相同。

进一步地，在本发明中，由于采用空心式直线电机，即无铁心直线电机，定子侧每米下的电感参数相同，在电机的电压方程中，可将动子覆盖区域的初级绕组dq轴电感和未覆盖区域的初级绕组dq轴电感进行整合计算，得到整段电机的数学模型。其中，dq轴即电机的直轴和交轴，为了使电机得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立一个坐标系，此坐标系与动子同步运动，取动子磁场方向为d轴，垂直于动子磁场的方向为q轴。实现d-q轴的解耦，实现电机运动的磁场与推力特性的分开，从而得到良好的控制。直线电机段的数学模型具体包括电压方程、磁链方程和推力方程。

在本发明中，为简化计算，根据同步电机dq双轴理论，建立超导直线同步电机在dq轴下的数学模型，各个直线电机段的电压可根据

来获取，其中，u_d为直线电机段的电机直轴同步电压，u_q为直线电机段的电机交轴同步电压，R_s为直线电机段的电阻，p为微分因子，i_d为直线电机段的电机直轴同步电流，i_q为直线电机段的电机交轴同步电流，L_sd为直线电机段的电机直轴同步电感，L_sq为直线电机段的电机交轴同步电感，τ为直线电机段的电机极距，v为直线电机段的电机动子速度，i_m为直线电机段的励磁电流，M_sm为直线电机段的初级绕组与超导励磁绕组互感。

在此种配置方式下，根据直线电机段的电压方程，为了获取理想的电机动子速度，亦即为了获得理想的车体速度，通过调节电机直轴同步电流和电机交轴同步电流即可得到理想的车体速度。

进一步地，在本发明中，各个直线电机段的磁链方程为其中，ψ_d为直线电机段的电机直轴磁链，ψ_q为直线电机段的电机交轴磁链。

此外，在本发明中，各个直线电机段的次级动子推力可根据来获取，其中，n为直线电机段的相数，ψ_r为直线电机段的次级超导线圈产生的励磁磁链。在此种配置方式下，根据直线电机段的次级动子推力方程，为了获取理想的次级动子推力，通过调节直线电机段的电流即可获得理想的次级动子推力。

进一步地，在本发明中，为了防止电机运行过程中线圈温度过高，可将电磁推进系统还包括第一低温容器30和第二低温容器40，第一低温容器30设置在车体的一侧，第二低温容器40设置在车体的另一侧，第一超导动子线圈组15设置在第一低温容器30内，第二超导动子线圈组16设置在第二低温容器40内。

在本发明中，电动悬浮组件20用于实现车体的自动悬浮，电动悬浮组件20包括永磁体阵列单元21和悬浮感应板22。作为本发明的一个具体实施例，永磁体阵列单元21为halbach结构的永磁体阵列，永磁体阵列单元21的充磁方向垂直于水平面。永磁体阵列单元21和悬浮感应板22相互平行，两者之间的气隙为悬浮气隙。图6示出了永磁体阵列单元21的充磁方向，各个磁极之间的充磁方向依次相差90度。在实际应用中，可根据不同的悬浮感应板表面磁感应强度需求、车体重量等，设计不同的充磁方向和悬浮气隙。

作为本发明的一个具体实施例，halbach结构的永磁体阵列单元21安装在列车下部随列车运动，悬浮感应板22固定安装于地面。当列车运动带动永磁体阵列单元21运动时，永磁体阵列单元21磁场的运动在悬浮感应板22表面会感应出涡流，涡流产生的磁场与永磁体的磁场相互作用而产生悬浮力。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁悬浮列车，该磁悬浮列车包括如上所述的用于高速磁浮交通的电磁推进系统。由于本发明的电磁推进系统能够更加高效地利用超导动子线圈的强磁场，在相同的变流器输入电流下，电机输出推力更高。此外，本发明的电磁推进系统通过在第一超导动子线圈组和第二超导动子线圈组的两侧均布置定子线圈，当车体沿Zc轴偏离中心位置时，电机会产生回到中心位置的自回复力，提高了车体运行的稳定性。因此，将本发明的电磁推进系统运用到磁悬浮列车中，能够极大地提高磁悬浮列车的工作性能。

综上所述，本发明提供了一种用于高速磁浮交通的电磁推进系统，该电磁推进系统。充分利用了超导动子线圈组的磁场，提高了系统的经济性。此外，当车体偏移时，由于超导动子线圈组左右两侧的定子线圈组采用并联连接形式，那么磁体所受合力在磁体偏移工况下为自稳定的回复力，具有自稳定性，实现了动子的导向功能，提高了列车运行的稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。