變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)，應(yīng)用航母艦載機(jī)電磁彈射，作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源。電機(jī)初期設(shè)計(jì)加工制造時(shí)，不同彈射位移處，制造電機(jī)極距不同，可采取極距連續(xù)變化方式，也可以采取極距分段變化方式，制造過(guò)程可采用數(shù)控機(jī)床加工。艦載機(jī)彈射過(guò)程無(wú)需檢測(cè)彈射速度或彈射位移，初級(jí)線圈繞組電流頻率、大小均保持不變，優(yōu)化彈射控制方式。采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，可以解決逆變器頻率受限問(wèn)題，減小艦載機(jī)彈射過(guò)程直線電機(jī)損耗，提高直線電機(jī)效率，簡(jiǎn)化直線電機(jī)控制方式。
【專利說(shuō)明】
變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及艦載機(jī)電磁彈射技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)用 作直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國(guó)內(nèi)外電磁彈射驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)主要采用長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)。其電機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，次級(jí)質(zhì)量小，制造和運(yùn)行成本低，運(yùn)行安全可靠，逆變器大功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻 率較低，可W較好的適用于艦載機(jī)電磁彈射系統(tǒng)之中。
[0003] 然而針對(duì)電磁彈射驅(qū)動(dòng)用直線感應(yīng)電機(jī)均為恒極距直線電機(jī)，通過(guò)改變初級(jí)繞組 電流頻率，改變電磁推力大小，進(jìn)而控制彈射速度。然而在實(shí)際艦載機(jī)彈射過(guò)程中，時(shí)間短 暫，要不斷檢測(cè)位置和速度大小，整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。實(shí)際的彈射過(guò)程是將25噸的物體，在 100m長(zhǎng)的彈射軌道上從靜止加速到lOOm/s，用時(shí)2s。簡(jiǎn)化分析過(guò)程，忽略空氣阻力及外部摩 擦力，忽略飛機(jī)自身產(chǎn)生的牽引動(dòng)力，假設(shè)彈射過(guò)程的牽引力僅由直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁推 力提供，并假設(shè)整個(gè)過(guò)程處于恒加速過(guò)程，即保證電磁推力恒定不變。則需要直線電機(jī)產(chǎn)生 的電磁推力為1.25MN，直線電機(jī)供能125MJ，功率62.5MW。
[0004] 傳統(tǒng)型定極距雙邊直線感應(yīng)電機(jī)采用改變線圈繞組電流頻率的方法控制電磁推 力輸出，控制采用閉環(huán)反饋控制，要不斷的檢測(cè)彈射速度或者彈射位移量，而整個(gè)彈射過(guò)程 用時(shí)極短僅有2S，無(wú)疑會(huì)增加控制難度。再者，隨著彈射速度的不斷增加，傳統(tǒng)定極距長(zhǎng)初 級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)所需電流頻率不斷增加，必然逆變器頻率要受到限制，高速時(shí)電流頻 率的增大致使電機(jī)損耗增加。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng) 電機(jī)，使之能克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
[0006] 本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下的方法實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)，主要由應(yīng)用于航母艦載機(jī)電磁彈射作為驅(qū)動(dòng)的 動(dòng)力源，雙邊直線感應(yīng)電機(jī)主要由次級(jí)侶板1和對(duì)稱置于侶板上下兩側(cè)的長(zhǎng)初級(jí)構(gòu)成，長(zhǎng)初 級(jí)由初級(jí)鐵忍和嵌合在初級(jí)鐵忍中的多個(gè)線圈繞組組成，依次級(jí)侶板的運(yùn)動(dòng)方向，即長(zhǎng)彈 射軌道方向，相鄰兩個(gè)線圈繞組呈變極距布置。
[000引進(jìn)一步地，所述變極距布置可W采用極距連續(xù)變換方式，亦可W采用極距分段變 化方式。
[0009] 所述極距連續(xù)，即是指，在依次級(jí)侶板的運(yùn)動(dòng)方向上，各線圈繞組間的極距連續(xù)增 加;所述極距分段變化，即是指，在依次級(jí)侶板的運(yùn)動(dòng)方向上，相鄰兩個(gè)W上線圈繞組具有 極距A而構(gòu)成一組，另外相鄰兩個(gè)W上線圈繞組具有極距B構(gòu)成另一組。
[0010] 采用運(yùn)樣的構(gòu)造，用于航母艦載機(jī)電磁彈射用的變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電 機(jī)在100米長(zhǎng)彈射軌道的不同位置處，雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的極距不相等，可W采用極距連續(xù) 變換方式，亦可w采用極距分段變化方式，整個(gè)艦載機(jī)彈射過(guò)程，初級(jí)線圈繞組的電流大 小、頻率均保持不變。
[0011] 采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，制造也相對(duì)容易，僅需在電機(jī)初期設(shè)計(jì)加工制造時(shí)，不同 位移處，制造電機(jī)極距不同即可，電機(jī)極距可連續(xù)變化，亦可分段變化，制造過(guò)程可采用數(shù) 控機(jī)床方便加工。采用變極距雙邊直線感應(yīng)電機(jī)作為彈射驅(qū)動(dòng)，無(wú)需檢測(cè)彈射速度和位移， 初級(jí)繞組電流大小、電流頻率恒定，則隨著彈射速度的不斷增加，不會(huì)受到逆變器頻率限 審IJ，亦不會(huì)增加電機(jī)損耗，由于電流頻率不變，彈射控制方式得W優(yōu)化且更加簡(jiǎn)便。
[0012] 由上所述，在合理的設(shè)計(jì)條件下，采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，即可W滿足航母用艦載 機(jī)彈射要求，亦可W優(yōu)化彈射控制方式。彈射過(guò)程可將電流頻率固定于一個(gè)合適的值，進(jìn)而 避免電機(jī)損耗增加。
【附圖說(shuō)明】：
[0013] 附圖1為長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 附圖2為現(xiàn)有技術(shù)定極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)縱向截面圖。
[0015] 附圖3為本實(shí)用新型變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)縱向截面圖。
[0016] 附圖4為現(xiàn)有技術(shù)定極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)初級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 附圖5為本實(shí)用新型變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)初級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 附圖6定極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)和變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)對(duì)應(yīng)的 彈射位移與電流頻率關(guān)系的仿真分析圖。
[0019] 附圖7是定極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)和變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)對(duì)應(yīng) 的彈射位移與彈射位移關(guān)系的仿真分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳述。
[0021] 圖1為直線感應(yīng)電機(jī)部分結(jié)構(gòu)圖。直線感應(yīng)電機(jī)均采用無(wú)槽繞組設(shè)計(jì)，可有效減小 體積并消除氣隙磁場(chǎng)的齒諧波影響，次級(jí)板采用侶材料，質(zhì)量輕，利于彈射要求。
[0022] 圖2和圖3所示分別為兩種不同類型的直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。定極距直線感應(yīng) 電機(jī)繞組間距不變，變極距直線感應(yīng)電機(jī)繞組間距連續(xù)變化;定子采取分段供電方式來(lái)提 高電壓的利用率;下表為變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0023]
[0024] 根據(jù)實(shí)際艦載機(jī)彈射需求，且忽略艦載機(jī)自身的牽引動(dòng)力和外界的摩擦阻力，過(guò) 程需要的牽引力假設(shè)僅有直線感應(yīng)電機(jī)提供，且認(rèn)為電磁推力恒定，為1.25MN，則可W推導(dǎo) 出變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0025] 采用等效電路的方法推導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)電磁推力表達(dá)式。
[0026]
[0027]式中，mi為初級(jí)繞組相數(shù)；Ii、l2分別為初級(jí)相電流及次級(jí)折算到初級(jí)的相電流;ka 為次級(jí)與初級(jí)長(zhǎng)度的比例系數(shù);S為滑差率，S=(Vs-Vx)/Vs，Vs和Vx分別為初級(jí)電流層和次級(jí) 沿X軸移動(dòng)速度，Vs = 2Tf，f為電機(jī)額定頻率;r'2為次級(jí)折算到初級(jí)的電阻;Xm為勵(lì)磁電抗。
[0030] 式中，山為初級(jí)鐵屯、寬度l/2;k。為初級(jí)繞組系數(shù)，為分布系數(shù)和短距系數(shù)的乘積， 取值k。= 1; ω 1為初級(jí)繞組相串聯(lián)應(yīng)數(shù);〇s為次級(jí)導(dǎo)體面電導(dǎo)率，〇s = 〇d2，σ和d2分別為次級(jí) 導(dǎo)體體電導(dǎo)率及次級(jí)導(dǎo)體厚度1/2,〇取值3.53X107s/m;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);τ為電機(jī)極距，極 距變化;μ〇為真空磁導(dǎo)率，取值43iXl〇-7H/m;Se為電機(jī)有效電磁氣隙，Se = k山分別 為鐵屯、飽和系數(shù)和氣隙系數(shù)，δ為電機(jī)機(jī)械氣隙。圖4、圖5分別給出了定極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直 線感應(yīng)電機(jī)和變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)初級(jí)部分的切面結(jié)構(gòu)。
[0031] 下表為變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)定頻200Hz時(shí)，不同彈射位置、速度所對(duì)應(yīng) 的電機(jī)極距值。。
[0032]
[0033] 根據(jù)理論分析建模，仿真分析驗(yàn)證理論計(jì)算有效性，并給出保證初級(jí)繞組電流大 小340A，電流頻率200Hz不變，電磁推力1.25MN恒定時(shí)，不同彈射位置所對(duì)應(yīng)的電機(jī)極距值。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變極距長(zhǎng)初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)作為艦載機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可行性。
[0034] 圖6所示。為了滿足艦載機(jī)彈射需要，假定電機(jī)提供的電磁推力恒定，為1.25MN時(shí)， 極距固定和極距變化，不同位移不同速度所需的電流頻率關(guān)系。極距恒定時(shí)，彈射過(guò)程采用 控制電流頻率控制電磁推力，極距恒定為ο. 30m，彈射過(guò)程電流頻率不斷增加。Im位移處，即 速度lOm/s時(shí)，電流頻率98化；10m位移處，即速度31.62m/s時(shí)，電流頻率134. OHz;當(dāng)速度增 加到lOOm/s時(shí)，即100m艦載機(jī)起飛位置處，電流頻率增加到248. OHz。整個(gè)彈射過(guò)程滑差頻 率恒定為81.3化左右，轉(zhuǎn)差率S由0.83依次減小到0.33。
[0035] 圖7所示。采用變極距雙邊直線感應(yīng)電機(jī)彈射時(shí)，控制電流頻率200Hz固定，同樣保 證1.25M州g定，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)采用不同位移處電機(jī)極距不同設(shè)計(jì)方案，完成艦載機(jī)彈射。Im 位移處，即速度lOm/s時(shí)，極距值0.231m; 10m位移處，即速度31.62m/s時(shí)，極距值0.252m; 100m艦載機(jī)起飛位置，速度lOOm/s時(shí)，極距值0.343m。整個(gè)彈射過(guò)程滑差頻率由178.35化依 次減小到54.23Hz，轉(zhuǎn)差率S由0.89依次減小到0.23。
[0036] 用本實(shí)用新型與現(xiàn)有的定極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)為彈射驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真實(shí) 驗(yàn)對(duì)比可W看出，變極距直線感應(yīng)電機(jī)彈射過(guò)程電流頻率保持不變，且在高速階段，所需電 流頻率小于傳統(tǒng)定極距直線感應(yīng)電機(jī)彈射所需頻率值。
[0037] 綜上所述，本實(shí)用新型的變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)是可減小電機(jī)損耗、優(yōu) 化電機(jī)控制、切實(shí)可行的?？闪己玫赝瓿膳炤d機(jī)電磁彈射工作任務(wù)。
[0038] 上述針對(duì)較佳實(shí)施例的具體描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，運(yùn)里所述 的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí)用新型的原理，應(yīng)被理解為實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局 限于運(yùn)樣的特別陳述和實(shí)施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被 認(rèn)為屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)，用于航母艦載機(jī)電磁彈射驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，雙邊直線 感應(yīng)電機(jī)主要由次級(jí)鋁板（1)和對(duì)稱置于鋁板上下兩側(cè)的長(zhǎng)初級(jí)構(gòu)成，長(zhǎng)初級(jí)由初級(jí)鐵芯 和嵌合在初級(jí)鐵芯中的多個(gè)線圈繞組構(gòu)成，其特征在于，依次級(jí)鋁板的運(yùn)動(dòng)方向，即長(zhǎng)彈射 軌道方向，相鄰兩個(gè)線圈繞組呈變極距布置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變極距長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)，其特征在于，所述變極距布 置可以采用極距連續(xù)變換方式，亦可以采用極距分段變化方式。
【文檔編號(hào)】H02K41/02GK205429917SQ201520872456
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年11月3日
【發(fā)明人】劉習(xí)軍, 張昆侖, 張文龍, 黎松奇, 陳小勤
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)