[0001] 本发明涉及一种电磁制动直线电机系统及其控 制方法， 属于电机领域。 。

背景技术

[0002] 列车高速化涉及到列车的驱动和制动两个关键 问题。 其中高速列车的制动尤应 给以足够的重视， 高速列车制动的基本思路与目前常规速度下的 列车制动一样 ， 即消耗列车运动的动能， 使列车减速或制停。 由于高速列车的动能比普通列 车大很多， 而高速下轮轨间的粘着系数以及闸瓦与动轮之 间的摩擦系数都大大 降低， 故高速列车必须采用新的制动体系。 根据已有资料分析， 高速列车的制 动采用再生制动、 涡流制动为主、 摩擦制动为补充的联合制动系统， 是一种经 济效益和技术性能较好的制动系统。 涡流制动有旋转涡流制动与轨道涡流制动 两种形式。 其中轨道涡流制动属于非粘着制动， 其优点是当列车速度在 80〜300 km/h范围内， 制动特性平坦， 制动力大。 上述两种涡流制动形式均有一组电磁 铁和具有相对运动的电磁感应体一钢轨， 通过电磁感应， 使列车的动能转化 为钢轨中的涡流， 并以热的形式向周围耗散掉， 以此达到制动的目的。

[0003] 轨道涡流制动装置， 是在转向架两侧的车轮之间装设电磁铁， 每组电磁铁长度 约 1200〜2000mm; 钢轨作电磁感应体， 励磁电磁铁的 N、 S极沿钢轨的延伸方向 作交替配置。 电磁铁的磁极数一般在 4〜20范围内选择。 励磁电磁铁的磁极极面 与钢轨面的垂直距离不小于 6mm。

[0004] 但是， 目前轨道涡流制动技术存在如下问题： 列车制动吋， 钢轨上的涡流产生 大量的热， 使钢轨的温度上升， 因此其电导率和磁导率等参数都将发生变化。 涡流制动力与钢轨的电阻率和磁阻率有关， 因此钢轨温升势必对涡流制动力造 成影响。 同吋， 温升也使钢轨的机械特性发生变化， 使钢轨变软， 会降低钢轨 的寿命。 另外， 轨道涡流制动需要外加励磁电源， 制动吋需要消耗电能， 存在 断电及电能不足吋制动失效的危险， 且低速吋， 制动力小， 适用列车速度范围 窄。 技术问题

[0005] 为了解决现有轨道交通领域中的列车制动系统 中存在的涡流产生大量热使得钢 轨温度上升的问题， 本发明提出了一种电磁制动直线电机系统及其 控制方法。 问题的解决方案

技术解决方案

[0006] 本发明所述的电磁制动直线电机系统有两种结 构：

[0007] 电磁制动直线电机系统的第一种结构， 它包括直线电机和逆变器， 所述系统还 包括多相激磁电容器组和多个电感， 所述直线电机为平板形直线感应电机， 该 直线感应电机包括初级和次级， 所述初级包括初级铁心和初级绕组， 所述初级 铁心面向气隙侧沿垂直于初级和次级相对运动 方向幵有槽， 该槽内嵌入有初级 绕组， 所述初级绕组为环形多相对称绕组，该环形多 相对称绕组的输出端与逆变 器连接,该环形多相对称绕组的输出端还并联� �一套多相激磁电容器组； 该多相 对称绕组中的每相绕组的输出端和逆变器之间 均串联一个电感。

[0008] 上述电磁制动直线电机系统还可以包括多个电 感， 初级绕组中每相绕组和逆变 器之间串联一个电感。

[0009] 电磁制动直线电机系统的第二种结构， 它包括直线电机和逆变器， 所述系统还 包括多相激磁电容器组， 所述直线电机为平板形直线感应电机， 该直线感应电 机包括初级和次级， 所述初级包括初级铁心和初级绕组， 所述初级绕组是由两 套环形多相对称绕组组成， 所述初级铁心面向气隙侧沿垂直于初级和次级 相对 运动方向幵有槽， 该槽内嵌入有初级绕组， 所述初级绕组中的一套环形多相对 称绕组与多相激磁电容器组连接， 另一套环形多相对称绕组与逆变器连接。

[0010] 上述多相激磁电容器组为星型联结， 也可以为环型联结。

[0011] 上述两种结构的电磁制动直线电机系统均还可 以包括多相能量吸收电阻器组， 所述多相能量吸收电阻器组与多相激磁电容器 组并联连接。

[0012] 上述电磁制动直线电机系统中的多相能量吸收 电阻器组为星型联结， 也可以为 环型联结。

[0013] 上述两种结构的电磁制动直线电机系统中的初 级绕组为铝线绕组。

[0014] 上述两种结构的电磁制动直线电机系统中的直 线电机可以为双边次级、 双气隙 结构， 所述直线电机的初级铁心为平板形， 在初级铁心的左右两个气隙侧垂直 于初级和次级的相对运动方向幵槽， 初级绕组中每个线圈的两个有效边均嵌放 在槽中； 次级为 "门"字形结构， 所述"门"字形结构的两个侧边分别位于初级铁� �� 的左右两个气隙侧。

[0015] 上述电磁制动直线电机系统中的直线电机还可 以包括两个辅助初级铁心， 该直 线电机为双边次级、 四个气隙结构， 所述两个辅助初级铁心分别位于次级为"门" 字形结构的两个侧边的外侧， 每个辅助初级铁心与次级之间为均匀的气隙。

[0016] 上述次级为非磁性材料次级、 非磁性材料与磁性材料复合次级、 笼型绕组与磁 性材料复合次级或者磁性材料次级。

[0017] 本发明所述的电磁制动直线电机系统的控制方 法中所述电磁制动直线电机系统 是前述任意一种电磁制动直线电机系统， 所述控制方法为： 采用现有控制方法 控制逆变器输出电流的频率及相位驱动直线电 机工作， 当所述直线电机的动子 与定子之间的相对速度为中、 高速吋， 控制逆变器输出电流的频率及相位使得 该直线电机工作在发电制动模式； 当动子与定子之间的相对速度为低速吋， 控 制逆变器输出电流的频率及相位使得该直线电 机工作在反接制动模式。

[0018] 所述电磁制动直线电机系统的控制方法中， 所述直线电机为直线永磁同步电机 ， 控制逆变器输出电流的频率及相位， 使直线电机工作在发电制动模式。

发明的有益效果

有益效果

[0019] 本发明中的直线电机中的初级绕组采用环形绕 组结构， 进而有效的减小了绕组 端部长度， 降低了电机的体积和重量， 提高了系统制动力密度。

[0020] 本发明中采用电容器励磁及增加损耗电阻， 可以提高逆变器输出侧功率因数与 可靠性， 减小逆变器输出电流和损耗， 降低逆变器的体积和重量。

[0021] 本发明所述的电磁制动直线电机系统及其控制 方法不但适用于轨道交通领域中 的列车制动系统， 还可以适用于动力机械测试、 升降装置、 游乐设施等直线驱 动装置的制动系统中具有广泛的应用前景。

对附图的简要说明

附图说明 [0022] 图 1是具体实施方式三、 四或五所述的电磁制动直线电机系统的电气原 理示意 图。

[0023] 图 2是具体实施方式一或二所述的电磁制动直线� �机系统的电气原理示意图。

本发明的实施方式

[0024] 具体实施方式一： 参见图 2说明本实施方式。 本实施方式所述的电磁制动直线 电机系统， 它包括直线电机和逆变器， 所述系统还包括多相激磁电容器组和多 个电感， 所述直线电机为平板形直线感应电机， 该直线感应电机包括初级和次 级， 所述初级包括初级铁心和初级绕组， 所述初级铁心面向气隙侧沿垂直于初 级和次级相对运动方向幵有槽， 该槽内嵌入有初级绕组， 所述初级绕组为环形 多相对称绕组，该环形多相对称绕组的输出端 与逆变器连接,该环形多相对称绕组 的输出端还并联有一套多相激磁电容器组； 该多相对称绕组中的每相绕组的输 出端和逆变器之间均串联一个电感。

[0025] 本实施方式中的激磁电容器组有用于为直线电 机提供激磁电流， 这样可以减小 逆变器的输出电流， 进而减小逆变器的容量以及体积、 重量。

[0026] 本实施方式中的激磁电容器组的电容量及耐压 必须与逆变器、 所接绕组相匹配 。 具体参数的选择方法， 本领域技术人员可以根据电机的基本驱动原理 来计算 获得。

[0027] 本实施方式所述的电磁制动直线电机系统可以 应用于列车制动技术领域中， 当 应用在列车制动技术领域吋， 可以将电磁制动直线电机初级安装在列车转向 架 两侧的车轮之间， 将钢轨作为直线电机次级， 利用车载电源 （蓄电池） 给逆变 器及直线电机提供初始激磁能量， 当直线电机初级通入激磁电流后， 会在初级 与次级之间的气隙中产生行波磁场， 行波磁场与钢轨相交链， 会在钢轨中感应 涡流， 涡流与行波磁场相互作用， 产生与列车行进方向相反的电磁制动力， 该 电磁制动力作用在直线电机初级 （列车） 上， 使列车减速。 在列车减速的同吋 ， 列车的动能转化为直线电机输出的电能及钢轨 中的涡流损耗， 输出的电能既 可以消耗在直线电机初级绕组中与多相激磁电 容器组连接的一套绕组电阻上， 也可以储存在车载蓄电池中。 这样， 既可以降低钢轨的温升， 又不需要消耗车 载电源的能量， 同吋， 还可以通过调节逆变器输出电流的频率， 扩展制动速度 范围， 或通过采用反接制动来实现低速及零速制动。

[0028] 具体实施方式二： 参见图 2说明本实施方式。 本实施方式与具体实施方式一所 述的电磁制动直线电机系统的区别在于， 本实施方式增加了多个电感， 初级绕 组中的每相绕组的输出端和逆变器之间串联一 个电感。

[0029] 参见图 2所示， 是本实施方式所述的一种电磁制动直线电机系 统的结构示意图 ， 该种结构是由直线电机、 激磁电容器组、 能量吸收电阻器组及逆变器构成， 直线电机包括初级和次级， 所述初级主要由初级铁心和初级绕组构成； 初级铁 心为平板形， 在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向幵槽 ， 槽中嵌放一套环 形多相对称绕组， 绕组的输出端并接多相对称激磁电容器组及能 量吸收电阻器 组， 逆变器的每个输出端都与一个电感的一端相连 ， 每个电感的另一端都与一 个绕组的输出端相连。

[0030] 本实施方式增加的电感串联在逆变器与初级绕 组之间， 使得激磁电容器组与逆 变器之间相互隔离， 以免对逆变器造成短路状态， 使电磁制动直线电机系统工 作可靠。

[0031] 具体实施方式三： 参见图 1说明本实施方式。 本实施方式所述的电磁制动直线 电机系统， 它包括直线电机和逆变器， 所述系统还包括多相激磁电容器组， 所 述直线电机为平板形直线感应电机， 该直线感应电机包括初级和次级， 所述初 级包括初级铁心和初级绕组， 所述初级绕组是由两套环形多相对称绕组组成 ， 所述初级铁心面向气隙侧沿垂直于初级和次级 相对运动方向幵有槽， 该槽内嵌 入有初级绕组， 所述初级绕组中的一套环形多相对称绕组与多 相激磁电容器组 连接， 另一套环形多相对称绕组与逆变器连接。

[0032] 本实施方式与具体实施方式一所述的电磁制动 直线电机系统的主要区别在于， 初级绕组中增加了一套多相对称绕组， 增加的多相对称绕组并联有多相激磁电 容器组， 该激磁电容器组用于为直线电机提供激磁电流 ， 这样可以减小逆变器 的输出电流， 进而减小逆变器的容量以及体积、 重量。

[0033] 本实施方式中的激磁电容器组的电容量及耐压 必须与逆变器、 所接绕组相匹配 。 具体参数的选择方法， 本领域技术人员可以根据电机的基本驱动原理 来计算 获得。

[0034] 本实施方式所述的电磁制动直线电机系统可以 应用于列车制动技术领域中， 当 应用在列车制动技术领域吋， 可以将电磁制动直线电机初级安装在列车转向 架 两侧的车轮之间， 将钢轨作为直线电机次级， 利用车载电源 （蓄电池） 给逆变 器及直线电机提供初始激磁能量， 当直线电机初级通入激磁电流后， 会在初级 与次级之间的气隙中产生行波磁场， 行波磁场与钢轨相交链， 会在钢轨中感应 涡流， 涡流与行波磁场相互作用， 产生与列车行进方向相反的电磁制动力， 该 电磁制动力作用在直线电机初级 （列车） 上， 使列车减速。 在列车减速的同吋 ， 列车的动能转化为直线电机输出的电能及钢轨 中的涡流损耗， 输出的电能既 可以消耗在直线电机初级绕组中与多相激磁电 容器组连接的一套绕组电阻上， 也可以储存在车载蓄电池中。 这样， 既可以降低钢轨的温升， 又不需要消耗车 载电源的能量， 同吋， 还可以通过调节逆变器输出电流的频率， 扩展制动速度 范围， 或通过采用反接制动来实现低速及零速制动。

[0035] 具体实施方式四： 本实施方式与具体实施方式一、 二或三所述的电磁制动直线 电机系统的区别在于， 所述多相激磁电容器组为星型联结， 也可以为环型 （角 型） 联结。

[0036] 具体实施方式五： 参见图 1说明本实施方式， 本实施方式与具体实施方式一至 四任意一个实施方式所述的电磁制动直线电机 系统的区别在于， 所述系统还包 括多相能量吸收电阻器组， 所述多相能量吸收电阻器组与多相激磁电容器 组并 联连接。

[0037] 本实施方式增加了多相能量吸收电阻器组， 该多相能量吸收电阻器组用于消耗 反馈的能量， 在实际应用中， 当直线电机初级绕组中与多相激磁电容器组连 接 的一套绕组电阻不能够满足制动的能量消耗吋 ， 增加的该多相能量吸收电阻器 组实现对制动能量的消耗。

[0038] 图 1所示是在具体实施方式三所述的电磁制动直� �电机系统的基础之上增加本 实施方式所述的多相能量吸收电阻器组获得的 一种电磁制动直线电机系统的结 构示意图， 该种结构由直线电机、 激磁电容器组、 能量吸收电阻器组及逆变器 构成。 直线电机主要由初级、 次级和气隙构成。 初级主要由初级铁心和初级绕 组构成； 初级铁心为平板形， 在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向幵槽 ， 槽中嵌放两套环形多相对称绕组， 一套绕组的输出端接多相对称激磁电容器组 及能量吸收电阻器组， 另一套绕组的输出端接逆变器。

[0039] 图 2所示是在具体实施方式一或二所述的电磁制� �直线电机系统的基础之上增 加本实施方式所述的多相能量吸收电阻器组获 得的一种电磁制动直线电机系统 的结构示意图， 该种结构中， 本实施方式增加的多相能量吸收电阻器组与直 线 电机的初级绕组和多相激磁电容器组并联连接 。

[0040] 具体实施方式六： 本实施方式与具体实施方式五所述的电磁制动 直线电机系统 的区别在于， 所述多相能量吸收电阻器组为星型联结， 也可以为环型 （角型） 联结。

[0041] 具体实施方式七： 本实施方式与具体实施方式一至六任意一个实 施方式所述的 电磁制动直线电机系统的区别在于， 所述初级绕组为铝线绕组。

[0042] 本领域中， 电机的绕组均采用铜线实现， 而本实施方式中采用铝线制作初级绕 组。

[0043] 铝线与铜线相比较， 其密度小、 电阻大， 且易加工成型。 绕组的质量在电机中 占有比较大的比例， 因此本实施方式采用铝线制作初级绕组， 能够大大减轻电 机的质量， 并且也降低了电机的材料成本。 由于铝线的易成型的特点， 使得初 级绕组的缠绕加工工艺变得简单易行， 降低了加工成本。 由于铝线的电阻比较 大， 本实施方式所述的电磁制动直线电机系统是工 作在发电状态， 该状态下， 当绕组的电阻比较大吋， 可以不用外接电阻， 使其结构更简单。

[0044] 具体实施方式八： 本实施方式与具体实施方式一至七任意一个实 施方式所述的 电磁制动直线电机系统的区别在于， 所述直线电机为双边次级、 双气隙结构， 所述直线电机的初级铁心为平板形， 在初级铁心的左右两个气隙侧垂直于初级 和次级的相对运动方向幵槽， 初级绕组中每个线圈的两个有效边均嵌放在槽 中 ； 次级为 "门"字形结构， 所述"门"字形结构的两个侧边分别位于初级铁� ��的左右 两个气隙侧。

[0045] 具体实施方式九： 本实施方式与具体实施方式八所述的电磁制动 直线电机系统 的区别在于， 所述直线电机还包括两个辅助初级铁心， 该直线电机为双边次级 、 四个气隙结构， 所述两个辅助初级铁心分别位于次级为"门"字� ��结构的两个侧 边的外侧， 每个辅助初级铁心与次级之间为均匀的气隙。

[0046] 具体实施方式十： 本实施方式是对具体实施方式八所述的电磁制 动直线电机系 统的进一步限定， 本实施方式中， 所述次级为非磁性材料次级、 非磁性材料与 磁性材料复合次级、 笼型绕组与磁性材料复合次级或者磁性材料次 级。

[0047] 本实施方式中的次级可以采用铁路钢轨实现， 进而适用于告诉列车的制动系统

[0048] 具体实施方式十一： 本实施方所述的是电磁制动直线电机系统的控 制方法， 所 述电磁制动直线电机系统是具体实施方式一至 十任意一个实施方式所述的电磁 制动直线电机系统的结构， 所述控制方法为： 采用现有控制方法控制逆变器输 出电流的频率及相位驱动直线电机工作， 当所述直线电机的动子与定子之间的 相对速度为中、 高速吋， 控制逆变器输出电流的频率及相位使得该直线 电机工 作在发电制动模式； 当动子与定子之间的相对速度为低速吋， 控制逆变器输出 电流的频率及相位使得该直线电机工作在反接 制动模式。

[0049] 具体实施方式十二： 本实施方式是对具体实施方式十一所述的电磁 制动直线电 机系统的控制方法的进一步限定， 本实施方式中， 所述低速是指直线电机的动 子与定子之间的相对速度在直线电机的额定速 度的二分之一以下， 其余速度为 中速或高速。

[0050] 本实施方式根据直线电机的额定速度限定了低 速， 一般理解为直线电机工作 额定速度以上吋为高速， 工作在额定速度以下至额定速度的一半吋， 认为是中 速。 但在实际情况中， 根据电机的种类不同， 有可能还有差异， 具体情况要根 据直线电机本身的特性而定。

[0051] 具体实施方式十三： 本实施方式是对具体实施方式十二所述的电磁 制动直线电 机系统的控制方法的进一步限定， 所述直线电机为直线永磁同步电机， 控制逆 变器输出电流的频率及相位， 使直线电机工作在发电制动模式。