（仪器科学与技术专业论文）高速磁浮列车波动特性及其抑制技术研究.pdf

( 保密学位论文在解密后。：用本授权书)学位论文题目学位论文作者作者指导教师第二章高速磁浮列车电磁力波动特性研究1 92 1 高速磁浮列车电磁力理论分析1 92 1 1 高速磁浮列车中悬浮电磁铁的基本结构1 92 1 2 磁感应强度理论分析2 02 1 3 推力与悬浮力理论分析2 52 2 高速磁浮列车电磁力仿真分析2 72 2 1 静态情况下气隙磁场仿真2 72 2 2 动态情况下悬浮电磁铁仿真3 02 2 3 仿真结果与理论分析对比3 42 2 4m a x w e l l 对a n s y s 仿真结果的验证3 52 3 本章小结3 7第三章电磁力波动对列车动力学性能影响研究3 83 1 高速磁浮列车垂向动力学解析分析3 83 2 高速磁浮列车纵向动力学解析分析4 03 2 1 高速磁浮列车的基本阻力4 03 2 2 列车启动时的动力学特性4 13 2 3 列车匀速运行时的动力学特性4 73 2 4 列车减速时的动力学特性4 8第1 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文3 3 高速磁浮列车纵向动态响应分析5 03 3 1 磁浮列车结构有限元模型5 13 3 2 磁浮列车动态响应分析5 33 4 本章小结5 9第四章基于结构优化的波动抑制技术研究6 14 1 磁浮列车波动特性的主要影响因素6 l4 1 1 引起磁浮列车电磁力波动的主要原因6 l4 i 2 电磁力波动的主要抑制方法6 24 2 基于分数槽理论的变极距结构对波动特性的影响分析6 44 2 1 分数槽绕组基本理论6 44 2 2 变极距对推力波动的影响6 54 2 3 依据等效极对数的动子极距选取方法6 74 3 程序化优化设计一6 84 3 1 设计对象的基本结构6 84 3 2 程序化优化设计方法描述6 94 3 3 优化设计过程7 04 3 4 互感矩阵计算方法7 04 3 5 优化设计结果7 24 4 本章小结7 3第五章基于定子电流谐波消除的波动抑制技术研究7 45 1 高速磁浮列车供电系统分析7 45 1 1 悬浮供电系统7 45 1 2 牵引供电系统7 55 2 谐波磁场产生机理及其对电磁力波动的影响8 05 3 多电平逆变器选择谐波消除技术8 15 3 1 选择谐波消除技术中开关角的计算8 15 3 2 开关角误差分析8 55 - 3 3 基于鲁棒系数选择开关角8 75 4 本章小结9 l第六章实验研究及列车波动特性的评估9 26 1 高速磁浮列车气隙磁场测量9 26 1 1 气隙磁场测量系统的硬件结构9 26 1 2 磁浮列车气隙磁场测量方案9 3第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文6 1 3 测量结果及分析9 46 2 高速磁浮列车电磁力的软测量9 76 3 列车动力学性能的评价指标9 76 4 磁浮列车波动抑制效果评估1 0 16 4 1 结构优化对列车动力学性能的改善1 0 16 4 2 定子电流谐波消除对列车动力学性能的改善1 0 46 5 本章小结10 6第七章总结与展望1 0 77 1 全文总结1 0 77 2 下一步工作展望1 0 9致谢111参考文献113作者在攻读博士学位期间发表的论文12 4第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文表目录表2 1 长定子轨道和悬浮电磁铁组合的基本数据。3 5表2 2 理论与仿真结果对比3 5表3 1 磁浮列车固有频率数值结果5 2表4 1 等效绕组系数6 6表4 2 不同动子极距时各次谐波的电磁力分布系数6 7表4 3 优化前后悬浮电磁铁模型的几何参数7 2表4 4 优化前后悬浮电磁铁性能的变化7 3表5 1 主管开关状态与相输出电压7 9表5 2 基波和前9 次谐波的幅值8 6表5 3a ，有误差时的基波和前9 次谐波幅值8 7表5 4 仅，= o 0 3 4 9 时基波和前9 次谐波幅度的变化率8 8表5 5 满足要求的开关角及相应的鲁棒系数8 9表5 6a a = 0 0 1 时9 次谐波的变化量9 0表5 7 a ，：o 0 1 、a ，= - - 0 0 1 时9 次谐波的变化量9 0表5 8 a 。= a a ，= o 0 1 时9 次谐波的变化量9 0表5 9 开关角及相应的鲁棒系数9 0表5 1 0 各组开关角对应的综合鲁棒系数和总体鲁棒系数9 l表6 1 定子齿中心点的垂向磁感应强度分布9 6表6 2 定子槽中心点的垂向磁感应强度分布9 6表6 3 定子齿中心点的横向磁感应强度分布9 6表6 4 客车运行平稳性等级9 9表6 5 频率修正系数取值表1 0 0表6 6 加速度与舒适性测试结果的关系表1 0 0表6 7 振动作用时间与加速度关系表1 0 0表6 8 直线同步电机动子极距改变时的推力和悬浮力数据1 0 2表6 9 直线同步电机动子极距改变时磁浮列车的平稳性指标1 0 3表6 1 0 定子电流谐波概4 前后磁浮列车的平稳性指标1 0 5第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文图目录图1 1 车体结构示意图2图1 2 轨道结构示意图3图1 3 悬浮、导向与推进系统4图1 4 原理示意图4图1 5 工作在双l 型铝片导轨上的车辆磁浮系统横截面图7图1 6 磁浮车辆的多体动力学仿真模型8图1 7 悬浮系统控制模型9图1 8 均匀充磁等厚六边形磁铁紧密排列结构1 l图1 9 基于神经网络给定补偿i p 控制的直线伺服系统。1 3图1 1 0 具有a n n 扰动力补偿的p m l s m 伺服系统控制框图1 4图1 1 1 有扰动补偿下的速度响应曲线1 4图1 1 2 直线电动机推力波动测试实验台1 5图2 1 悬浮电磁铁组合结构图1 9图2 2 用各向异性介质去近似模拟齿槽区域。2 0图2 3a 相上层绕组电流分布2 l图2 4 高速磁浮列车等效分层模型2 3图2 5 磁质力求解示意图2 5图2 6 静态情况下两个相邻悬浮电磁铁中间模块的a n s y s 模型2 8图2 7 静态情况下两个相邻悬浮电磁铁中间模块的网格划分图2 9图2 8 气隙6 = 1 0 m m 时的磁力线分布2 9图2 9 气隙6 = 1 0 m m 时气隙中央处的磁场分布2 9图2 1 0 气隙滑动表面3 1图2 1 1 动态条件下的二维模型( 运行起始位置) 3 2图2 1 2 动态条件下的二维模型( 运行终止位置) 3 2图2 1 3 悬浮电磁铁的磁力线分布图( 局部) 3 2图2 1 4 悬浮电磁铁组合所产生的推力随时间的变化3 3图2 1 5 定子电流频率为5 0 h z 时推力的频谱分析结果。3 3图2 1 6 悬浮电磁铁组合所产生的悬浮力随时间的变化3 4图2 17 定子电流频率为5 0 h z 时悬浮力的频谱分析结果3 4图2 1 8 用m a x w e l l 建立的常导高速磁浮列车仿真模型3 6图2 1 9 用m a x w e l l 和a n s y s 仿真得到的推力波形对比3 6图2 2 0 用m a x w e l l 仿真得到的悬浮力波形3 7第v 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文图3 1 列车节数n = 6 时的基本阻力曲线4 l图3 2 采用分段近似法计算得到的列车速度变化曲线4 4图3 3 采用分段近似法计算得到的列车加速度变化曲线4 4图3 4 采用二次曲线拟合法计算得到的列车速度变化曲线4 6图3 5 采用二次曲线拟合法计算得到的列车加速度变化曲线4 6图3 6 两种不同方法计算得到的列车速度变化曲线对比图4 7图3 7 两种不同方法计算得到的列车加速度变化曲线对比图4 7图3 8 列车减速时的速度变化曲线5 0图3 9 列车减速时的加速度变化曲线5 0图3 1 0 磁浮列车结构示意图5 1图3 1 l 磁浮列车有限元模型5 2图3 1 2 车体第一阶弯曲振型( 8 3 h z ) 5 2图3 1 3 车体第一阶扭转振型( 1 2 h z ) 5 3图3 1 4 车体第一阶纵向振型( 1 5 0 2 h z ) 5 3图3 1 5 车头部位的加速度响应5 4图3 1 6 车头部位加速度响应幅频特性5 4图3 1 7 车中部位的加速度响应5 4图3 18 车中部位加速度响应幅频特性5 5图3 1 9 车尾部位的加速度响应5 5图3 2 0 车尾部位加速度响应幅频特性5 5图3 2 l 磁浮列车动态响应的幅频特性曲线5 6图3 2 2 车头部位的加速度响应5 7图3 2 3 车头部位加速度响应幅频特性5 7图3 2 4 车中部位的加速度响应5 8图3 2 5 车中部位加速度响应幅频特性5 8图3 2 6 车尾部位的加速度响应5 8图3 2 7 车尾部位加速度响应幅频特性5 9图4 1 高速磁浮列车两个极距的基本结构示意图一6 9图4 2 程序化优化设计流程图7 l图5 1 悬浮供电系统的基本结构。7 5图5 2 牵引供电系统的基本结构7 6图5 3 两步供电方式原理图。7 7图5 4 三步供电方式原理图7 8图5 5 三点式逆变器一相结构图7 9第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文图5 6 两电平逆变器输出波形8 2图5 7 阶梯波波形生成示意图8 2图5 8 逆变器输出波形8 6图5 9 谐波分布图8 6图5 1 0a ，有误差时的谐波分布图8 7图5 1 l 采用定时器来实现的开关角8 8图6 1 高速磁浮列车气隙磁场测量原理图9 3图6 2 高速磁浮列车气隙磁场测量系统。9 3图6 3 定子与动子的位置关系示意图9 4图6 4 气隙为2 5 m m 时p 点的磁感应强度9 4图6 5 气隙为2 5 m m 、激励电流为2 5 a 时的纵向磁感应强度分布9 5图6 6u t a c v 车辆走行品质规范9 9图6 7 等极距和变极距两种情况下一个电磁铁组合所产生的推力的比较。1 0 2图6 8 等极距和变极距两种情况下一个电磁铁组合所产生的悬浮力的比较1 0 2图6 9 定子电流中叠加谐波后的推力波形1 0 4图6 1 0 定子电流中叠加谐波后的悬浮力波形1 0 5第v i i 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文第v i i i 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文摘要电磁型高速磁浮列车具有无接触、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等优点，在铁路运输领域拥有广阔的发展应用前景。本文以国家8 6 3 项目“车辆电磁场研究 为依托，对电磁型高速磁浮列车的波动特性及其抑制技术进行了理论、仿真和实验研究，为高速磁浮列车国产化研究提供了强有力的技术支撑。论文主要工作和创新点如下：第一，高速磁浮列车电磁力波动特性研究。基于电磁场基本理论，借鉴交流电机电枢齿壁上切向力的求解方法，建立了电磁力的解析模型：基于a n s y s 有限元分析软件，采用“空间离散模型”解决了非连续介质运动情形下的有限元分析问题，得到了高速磁浮列车气隙磁场的分布情况、电磁力的变化规律和波动规律；理论分析结果与仿真结果误差在1 0 以内，与仿真结果实现了较好的相互验证，解析模型精度较以往模型显著提高：应用m a x w e l l 验证了采用“空间离散模型”处理非连续介质运动情形下求解的有效性。第二，电磁力波动对列车动力学性能影响研究。首先将高速磁浮列车视为刚体从解析角度研究了电磁力幅度变化对高速磁浮列车动力学性能的影响，采用曲线拟合和分段近似方法解决了非线性运动模型的求解问题，建立了列车在不同运行状态下的速度和加速度表达式，得到了电磁力波动对列车速度、加速度的影响曲线；然后将对象视为弹性体从有限元分析角度重点研究了频率响应，建立了高速磁浮列车结构动力学分析三维有限元模型，依据第二章得到的高速磁浮列车波动特征构造有限元模型的激励，得到了相应的幅频响应特性，从频谱分析中发现不仅推力波动影响列车的动力学性能，而且存在共振频率点。所获得结果不仅有力地表明了电磁力波动的危害性，也为列车的最优运行控制提供了理论依据。第三，基于结构优化的波动抑制技术研究。采用分数槽理论分析了定子、动子不等极距设计对电磁力波动的影响机理和和特定设计的效果，提出了利用等效极对数来设计动子极距的方法；兼顾波动抑制和发电的需求，建立了一套结构程序化设计方法，通过使所定义的目标函数取值最小来实现最优设计，并对悬浮电磁铁结构进行了优化设计，结果表明推力波动降低显著。所提出的基于等效极对数选取动子极距的方法和所建立的结构程序化优化设计方法有效地减小了高速磁浮列车电磁力的波动，为高速磁浮列车的结构优化设计提供了一种方法。第四，基于定子电流谐波消除的波动抑制技术研究。分析了磁场谐波的产生机理及其对高速磁浮列车电磁力波动的影响，在此基础上分析了选择谐波消除技术在高速磁浮列车三电平逆变器中的应用方法，从理论上证明了三电平逆变器采用选择谐波消除技术存在的局限性，分析了开关角误差对谐波消除效果的影响。第i 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文结合五电平逆变器，提出了利用开关角鲁棒系数来选择开关角的方法，算例分析表明该方法达到了预期消除谐波的效果，从而减小了推力的波动。所做研究为逆变器的控制方法设计提供了参考依据。第五，实验研究及磁浮列车波动特性的评估。建立了高速磁浮列车的气隙磁场测量系统和电磁力软测量模型，对国防科技大学磁浮实验中心磁浮系统的气隙磁场进行了全方位测量，测量结果验证了理论和仿真分析的正确性；结合磁浮列车动力学性能的评价指标，分析了论文提出的高速磁浮列车推力波动抑制措施对列车动力学性能的改善效果，结果表明论文所作研究有效地抑制了高速磁浮列车的波动。关键词：磁浮列车：波动分析；电磁特性；结构优化设计：谐波消除第i i 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文a b s t r a c tt h ee l e c t r o m a g n e t i ch i g hs p e e dm a g l e vh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sn o n - c o n t a c t ，h i g hs p e e d ，q u i c ks t a r t - u p ，l o we n e r g ye x p e n d i t u r ea n dl i t t l ee n v i r o n m e n ti n f l u e n c e i th a sw i d ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nf i e l d s u p p o a e db yan a t i o n a l8 6 3p r o j e c t “r e s e a r c ho fv e h i c l e se l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fh i g hs p e e dm a g l e v sf l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n di t sr e s t r a i n i n gt e c h n o l o g y i tp r o v i d e sp o w e r f u lt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h er e s e a r c ho fd o m e s t i ch i g hs p e e dm a g l e v t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n so ft h i sp a p e ra r ed e s c r i b e d 舔f ol l o w s f i r s t l y , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ef l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fh i g hs p e e dm a g l e vi ss t u d i e d b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，t h ea n a l y t i cm o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei se s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h es o l v i n gm e t h o do ft a n g e n t i a lf o r c ei na ce l e c t r o m o t o r sa r m a t u r et o o t hw a l l i su s e df o rr e f e r e n c e b a s e do nf m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r ea n s y s ，t h eq u e s t i o no fd i s c o n t i n u o u sm e d i u mi nm o t i o ni ss o l v e du s i n gs p a t i a ld i s c r e t em o d e l t h ed i s t r i b u t i o no ft h ea i r - g a pm a g n e t i cf i e l da sw e l l 觞t h ec h a n g i n ga n df l u c t u a t i n gr u l eo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sf o u n d t h ee r r o rb e t w e e na n a l y t i c a la n a l y s i sa n de m u l a t i o n a la n a l y s i si sw i t h i n10p e r c e n t ，w h i c ha c h i e v e sg o o dm u t u a lv a l i d a t i o n c o m p a r e dw i t hp r e v i o u sm o d e l ，t h en e wa n a l y t i cm o d e lh a sad i s t i n c tp r o m o t i o n m o r e o v e r ，t h ev a l i d i t yo ft h es p a t i a ld i s c r e t em o d e li sp r o v e db ya n o t h e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em a x w e l l s e c o n d l y ，t h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e f l u c t u a t i o no nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fh i g hs p e e dm a g l e vi ss t u d i e d f o ro n et h i n g ，t h ef l u c t u a t i o ni n f l u e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei ss t u d i e du s i n ga n a l y t i cm e t h o dw h e nt h eh i g hs p e e dm a g l e vi sc o n s i d e r e d 鹤ar i g i db o d y t h ev e h i c l e sn o n l i n e a rm o v i n gm o d e li ss o l v e du s i n gb o t ht h ec u r v ec o m p o s i n gm e t h o da n de q u i v a l e n ta p p r o x i m a t i o nm e t h o d 1 1 1 ev e h i c l e sv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ne x p r e s s i o n su n d e rd i f f e r e n tm o v i n gs t a t ea r ec o n s t r u c t e d t h ei n f l u e n c ec t w v e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e sf l u c t u a t i o nt ov e h i c l e sv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o na r eo b t a i n e d i na d d i t i o n ，t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ei sa n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw h e nt h eh i g hs p e e dm a g l e vi sc o n s i d e r e d 嬲a ne l a s t o m e r a3 df i n i t ee l e m e n tm o d e lu s e df o rs t r u c t u r a ld y n a m i c sa n a l y s i si se r e c t e d t h ev e h i c l e sa m p l i t u d et of r e q u e n c yr e s p o n s ei sg a i n e dw h e ni t ss t i m u l a n ts i g n a li sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h es e c o n dc h a p t e r sa n a l y s i sr e s u l t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff r e q u e n c yr e s p o n s e ，t h ei n f l u e n c eo ft h r u s tr i p p l eo nv e h i c l e sd y n a m i cp e r f o r m a n c e 觞w e l la sr e s o n a n tf r e q u e n c i e si sf o u n d i tn o to n l yp r o v e st h eh a r mo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c e f l u c t u a t i o nb u ta l s op r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m u mm o v i n gc o n t r o lo f t h ev e h i c l e t h i r d l y , t h ef l u c t u a t i o nr e s t r a i n i n gt e c h n o l o g yb a s e do ns t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni ss t u d i e d t h ei n f l u e n t i a lm e c h a n i s ma n ds p e c i f i c a l l yd e s i g n e de f f e c to ft h es t a t o ra n d第i i i 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文r o t o r sd i f f e r e n tp k c ha r ea n a l y z e du s i n gf r a c t i o n a ls l o tt h e o r y a nu n e q u a lr o t o rp i t c hd e s i g nm e t h o di sr a i s e db a s e do ne q u i v a l e n tp o l ep a i r s g i v i n ga t t e n t i o nt ob o t hf l u c t u a t i o nr e s t r a i n ta n de l e c t r i c 时g e n e r a t i n g ，ap r o g r a m m e do p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do fs t r u c t u r ei sp r o p o s e d t h es t r u c t u r eo fl e v i t a t e de l e c t r o m a g n e t i ci r o ni so p t i m i z e dt h r o u g hm i n i m i z i n gt h ed e f i n e do b j e c t i v ef u n c t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et h r u s tr i p p l ed e c r e a s ee v i d e n t l y t h e s es t r u c t u r a lo p t i r n i z a t i o nd e s i g nm e t h o d sn o to n l yr e d u c et h ef l u c t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ee f f e c t i v e l y , b u ta l s op r o v i d eam e t h o df o rh i g hs p e e dm a g l e v ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n f o u r t h l y ，t h ef l u c t u a t i o nr e s t r a i n i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h eh a r m o n i ce l i m i n a t i o no fs t a t o rc u r r e n ti ss t u d i e d t h ep r o d u c i n gp r i n c i p l eo fh a r m o n i cm a g n e t i cf i e l da n di t si n f l u e n c et ot h ef l u c t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea r ei l l u s t r a t e d t h ea p p l i c a t i o nm e t h o d so fs e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nt e c h n o l o g yi nt h r e e 1 e v e li n v e r t e ra r ea n a l y z e d t h el i m i t a t i o no fs e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nt e c h n o l o g yi nt h r e e 1 e v e li n v e r t e ri sp r o v e du s i n gm a t h e m a t i cm e t h o d t h ei n f l u e n c eo fi n v e r t e r ss w i t c ha n g l ee r r o rt oh a r m o n i ce l i m i n a t i o ni sa n a l y z e d c o m b i n i n gw i t hf i v e l e v e li n v e r t e r , as w i t c ha n g l e ss e l e c t i v em e t h o da c c o r d 证gt ot h e i rr o b u s tc o e f f i c i e n t si sp r o p o s e d c a l c u l a t i o ne x a m p l e sp r o v ei tr e a c h e st h ep r o s p e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nr e s u l t ，w h i c hc a nr e d u c et h ef l u c t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c e t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fi n v e r t e r sc o n t r o lm e t h o d f i r h l y e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n df l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i ce v a l u a t i o no fh i g hs p e e dm a g l e vi si m p l e m e n t e d 。a na i r g a pm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e mo fh i g hs p e e dm a g l e vi se s t a b l i s h e da n das o f tm e a s u r e m e n tm o d e li se r e c t e d ac o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n ti si m p l e m e n t e dt ot h ea i r - g a pm a g n e t i cf i e l d so fm a g n e t i cl e v i t a t i o ns y s t e mb u i l ti nm a g n e t i cl e v i t a t i o ne x p e r i m e n t a lc e n t e ro fn u d t t h em e a s u r e m e n tr e s u l tv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so ft h ea n a l y t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n c o m b i n i n gw i t ht h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni t e m so fh i g hs p e e dm a g l e v ，m a g l e v sd y n a m i cp e r f o r m a n c ei m p r o v e db vt h ef l u c t u a t i o nr e s t r a i n tm e t h o d so fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sa n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u ro ft h i sp a p e ri n d i c a t e st h a th i g hs p e e dm a g l e v sf l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a sb e e nr e s t r a i n e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：m a g l e v ，f l u c t u a t i o na n a l y s i s ，e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，h a r m o n i ce l i m i n a t i o n第i v 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文第一章绪论1 1 课题来源和意义本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “高速磁浮交通技术”重大专项子课题车辆电磁场研究，主要研究基于长定子直线同步电机原理的电磁型高速磁浮列车的动力学特性、气隙磁场分布、电磁力波动产生的机理以及通过直线同步电机结构优化、定子电流谐波抑制等方法对列车的电磁力波动进行抑制的措施。中国幅员辽阔，人口众多，随着经济和社会的快速发展，8 0 0 1 5 0 0 公里中长距离的客运市场潜力巨大，相距几十公里至数百公里的中心城市与附近重要城市之间的快速交通联系也亟待加强。就陆路交通而言，中国可耕地面积仅占国土面积的1 7 ，可耕地十分宝贵，故不宜发展占地面积较大的交通设施。据统计，津塘高速公路每公里占地8 1 万平方米，而铁路每公里仅占地l 。6 3 万平方米。普通路基的磁浮列车占地与铁路相当，高架磁浮列车占地则要少得多，即使是双轨的，占地面积也仅为高速公路的5 。因此，从保护耕地面积的角度出发，中国应优先发展铁路【旧j 。中国现有铁路总长度不足8 万公里，约占全世界铁路总长度的6 ，人均铁路拥有量约为美国的7 ，世界排名在1 0 0 位之后，而旅客和货运量却占全世界的2 5 ，居世界第3 位，几乎与美国总长度约3 0 万公里铁路所完成的客货量相等。目前，中国铁路的货运量只能满足社会需求量的3 5 左右，客车超员高达5 0 0 o , - 1 0 0 。因此，只有大力发展中国的铁路交通，才能满足经济和社会发展的需要。常规铁路轮轨系统由于其自身无法克服的粘着力和机械原因，其最高速度受到很大限制。磁浮列车在人类地面交通技术史上第一次实现了车辆与路面之间无接触、无摩擦、无磨损的运行，克服了传统机车车辆必须通过轮轨机械接触实行列车牵引的弊端，其最高运行速度可达5 0 0 k m h 以上，而且它的振动、噪声要比常规轮轨系统小得多，对环境的污染也小。此外，从经济性的角度来看，磁浮列车每个座位的投资是飞机的l 3 ，而它的速度比轮轨式交通工具快得多，比较适合中距离的城际运输。因此，磁浮列车被称为“2 1 世纪最理想的交通工具”【1 矧，在中国铁路发展的广阔天地中大有用武之地。磁浮列车技术涉及电子技术、电气工程、机械工程、计算机科学、材料科学、控制科学等学科的高新技术，因而国际上把磁浮列车列为高技术产品。磁浮列车有低速和高速之分，高速更符合未来高效交通的需求。对于高速磁浮列车而言，第1 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文通常将其看作一个典型的直线同步电机对象来进行研究，必然存在齿槽、端部等因素造成的推力波动。实际上，它又有别于一般的直线同步电机，轨道是长定子，车载电磁铁是动子，而电磁铁本身又比较复杂，一个电磁铁组合是由多个电磁铁模块组装起来的，且通过机械联接带动一个重4 8 吨的车体，因此，它不仅仅是一个简单的直线同步电机，而是一个机、电、磁一体化的复杂控制系统。国内对高速磁浮列车的研究起步较晚，仍处于基础阶段，目前正借鉴从德国引进的上海高速线进行国产化研究。因此，深入研究高速磁浮列车的动力学特性、气隙电磁场分布和变化规律、电磁力波动机理及其抑制技术不仅对发挥高速磁浮列车低噪音、小振动、舒适等优势有着重要的意义，而且可以为高速磁浮列车技术的国产化研究提供强有力的支持。1 2 高速磁浮列车概况高速磁浮列车具有快捷、安全、噪音小等优点，得到了世界上众多国家的关注。从世界范围来看，德国的t r a n s r a p i d ( t r ) 系列常导磁浮列车技术经过三十多年的努力发展和试验线长期试验的考验，奠定了良好的实际运营基础。日本是另一个努力发展高速磁浮列车技术的国家，采用超导电动式方案，悬浮间隙可达1 0厘米，因而其适应性更强【7 】。美国也在积极进行新方案的研究，其中采用永磁体的m a g p l a n e 方案引起了各国学者的关注。综合上述分析可知，德国是磁浮列车技术领先的国家，因此，下面以德国的t r a n s r a p i d 为例介绍高速磁浮列车的基本结构和工作原理【8 l o 。1 2 1 基本构成一个t r 系统通常由四大部分组成：车辆、轨道工程、推进与供电、运行控制系鲥1 1 1 。图1 1 车体结构示意图挂弹簧第2 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文车辆：t r 0 8 车辆分三个层次，即车厢、二次悬挂系统、电磁悬挂与导向系统，其车体结构如图1 1 所示。有的资料把磁浮架与二次系合并称为悬浮底盘。轨道：轨道如图1 2 所示。长定子轨道是同步推进直线电机的原边激磁绕组，由地面三相变频调速器供电，形成行进磁场，与车载电磁铁磁极的磁场相互作用，从而产生列车行进的牵引力。图1 2 轨道结构示意图牵引系统：t r 0 8 牵引系统设置在地面，这样可以为车辆牵引动力提供足够的功率，而不像车载的牵引电机和牵引逆变器那样受到体积重量和严峻环境条件的限制。这种系统的结构和牵引控制结构均比较复杂。t r 系统供电系统分三个层次：( 1 ) 从公共电网到供电站：两个供电站之间距离大约4 0 公里( 根据运量和列车制动距离等因素决定) 。两个供电站中间只能运行一列车。( 2 ) 从供电站到开关站：两个开关站距离从3 0 0 米到2 0 0 0 多米不等，需要牵引力大的地段( 如爬坡、高加速度段、高速段) ，开关站之间距离短。一般平原地区的长大干线，开关站之间距离可以大一些，例如2 公里以上。( 3 ) 从开关站到定予段。运行控制：t r 列车运行的控制完全由运行控制中心执行，是一套高度自动化的指挥、调度和控制系统。德国磁浮列车的运行控制系统有4 套子系统：( 1 ) 长定子供电牵引控制；( 2 ) 维修与诊断系统；( 3 ) 公用设施的计算机控制；( 4 ) 运营管理。运行控制系统包括2 套光纤网络，分为3 个层次：管理中心、运行控制、执第3 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文行单元。另外，控制系统还包括变压器站、无线电站及道岔。1 2 2 工作原理在德国磁浮列车的悬浮与驱动系统中，悬浮和驱动系统既有联系又有区别。其联系在于悬浮和驱动是一个有机整体，它们统一于作为列车运行关键部件的长定子直线同步电动机，而区别主要在于二者在列车运行中发挥作用是不一样的，体现在同步电机上，就分别是初级( 长定子) 和次级( 悬浮磁铁) 。如图1 3 所示。图1 3 悬浮、导向与推进系统高速磁浮列车的原理如图1 4 所示，图中的上半部分是带有三相绕组的长定子铁芯，下半部分是带有直流励磁绕组的励磁转子，也就是车上的悬浮电磁铁。发电绕组用于车运行起来后为车上提供能源。叠片铁心、定予绕组_ 、极萼1 、。1 p肾。瓣。溉。弦图1 4 原理示意图动子车体)第4 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文1 2 2 1 悬浮原理德国磁浮列车的悬浮方式为电磁吸引悬浮控制方式，简称e m s ( e l e c tr o m a g n e t i es u s p e n s i o n ) 。当列车上的电磁铁通以直流电时，将有一穿过气隙同时交链电磁铁与轨道的主磁场产生，轨道被这个外磁场磁化，进而产生将电磁铁向上吸的磁场力。这种导轨与电磁铁之间的吸引力，使列车上的动子( 电磁铁) 和轨道上的长定子保持一定的空气间隙，如果有沿轨道方向的牵引力，列车便能在无接触、无摩擦条件下行进。1 2 2 2 推进原理德国磁浮列车采用长定子线性同步电机来提供牵引力，它的驱动装置是根据直线同步电机的原理设计的。驱动装置的长定子固定在轨道梁上，三相绕组由绝缘电缆构成，并由敷线车将其安装在导轨两侧的定子上【8 】。车上采用线性发电机( 带有备用电池) 作为电源，它向悬浮、导向磁铁及车上的所有用电设备( 如控制仪器、照明、通信等) 提供电能。定子铁芯由薄硅钢片叠成，其叠装方式与变压器铁芯一样，这些铁芯固定在导轨的下部。长定子直线同步电机与普通转子式同步电机的原理基本一致。普通同步电机中，直流励磁转子的磁极不变，当转子磁场和定子所产生的旋转磁场耦合后，形成稳定的合成磁场。这时转子的磁极在合成磁场磁力矩的作用下旋转，并与旋转磁场相对静止，达到同步。直线同步电机实际上是同步电机的特殊形式，只要把旋转式同步电机展成平面，这时旋转磁场就变成了行波磁场，转子变成了动子，当励磁磁场和定子绕组磁场达到完全同步的时候，就产生了恒定的牵引力。如果定子绕组的电流增加，则合成磁场的磁感应强度也增加，牵引力也随之增大。1 3 国内外研究现状与发展趋势自德国人h e r m a n nk e m p e r 在二十世纪三十年代提出电磁悬浮理论后，法、德、英、日等国纷纷展开磁浮技术研究并建立了相应的试验和营运线，取得了举世瞩目的成就。德国在充分分析气垫悬浮、永磁悬浮、常导悬浮和超导悬浮等四种悬浮模式优缺点的基础上，最终选定常导悬浮作为发展方向，其标志性成果t r a n s r a p i d 以长定子直线电机作为推进方式，已有几代产品。1 9 9 3 年，德国建成t r 0 7 型常导磁浮列车，采用长定子直线同步电机推进，在3 5 k m 的线路上，速度达到了4 5 0 k