技术领域
[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80～300km/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——
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：列车制动时，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。同时，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，制动时需要消耗
电能，存在断电及电能不足时制动失效的危险，且低速时，制动力小，适用列车速度范围窄。
发明内容
[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。
[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开有槽，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。
[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开有槽，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开槽，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心的左右两个气隙侧。
[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、高速时，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时，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。
[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。
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电机系统的电气原理示意图。
具体实施方式
[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开有槽，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时，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。在列车减速的同时，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，同时，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开槽，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开有槽，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时，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。在列车减速的同时，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，同时，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时，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开槽，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动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时，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开槽，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心的左右两个气隙侧。
[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。
[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、高速时，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时，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时为高速，工作在额定速度以下至额定速度的一半时，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。
