（控制科学与工程专业论文）直线感应电机牵引系统的仿真及磁浮交通中电磁力的计算.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 作为种新型环保交通工具，中低速磁浮列车爬坡度大、转弯半径小、低噪声、无污 染、对环境兼容能力强，在未来城市交通中具有较强的竞争力。直线感应电机作为中低速 磁浮列车牵引系统的重要组成部分，其性能对列车运行特性及经济指标有重要影响。本文 围绕直线感应电机牵引系统的性能展开研究，其中涉及了直线牵引过程中的推力、效率、 控制方法以及磁浮交通中的电磁阻力等问题，为提升直线牵引系统性能及明确电磁作用机 理提供了参考。 首先，理论分析了直线感应电机边端效应对气隙磁场、推力的影响及电机结构参数与 边端效应力之间的关系。利用有限元软件仿真计算了效率、功率因数、推力随不同气隙、 次级结构、速度的变化情况。结果表明：受边端效应及大气隙影响，直线感应电机功率因 数及效率较低：运行状态下的边端效应力对电机推力有较大影响；设计电机时选用台适的 次级材料、减小气隙、增大品质因数都可提升电机的输出性能，通过设计有效的控制算法 可使电机在额定滑差下具有较高的运行效率。 其次，建立了考虑边端效应的直线感应电机矢量控制系统的仿真模型，不同速度和负 载下仿真结果验证了模型的有效性，得到了电机在轻载或低速运行时效率较低的结论。通 过建立电机损耗模型，在矢量控制的基础上设计了最优效率控制策略，解决了轻载或低速 运行时的效率低下问题，通过指定速度位置曲线下的仿真分析验证了控制策略的有效性。 最后，仿真分析对比了几种磁浮交通工具的电磁阻力、制动力，分析了涡流在其中所 产生的不同作用，明确了机理及部分结论，为后续开展的磁浮交通工具的比对与评估工作提 供了参考。 关键字：中低速磁浮列车直线感应电机边端效应最优效率控制铁心损耗 电 磁阻力涡流制动 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s 订a c t a san o v e le n v i m r n e m p r o t c c t e dv e h i c l e ，t h er n j d d l ea n dl o ws 口e e dm a g i e v 仕a i nh a sa l a 唱ec l i m b i n gg r a d i e n t ，s m a l ls w e r v i n gr a d i u s ，l o wn o i s e ，n op o l l u t i o na j l dc a 王1b ec o m p a t i b l e 诵t l la 1 1 yc i r c 眦s t a n c e s i ti st h em o s tc o m p e t m v em 也e 如n l r ec i t yt r a f f i c a ni m p o n a mp a r to f t h e 讹i n 廿a c t i o ns y s t e mi sl i i l e a r 协d u c 廿o nm o t o r ( l i m ) ，w h o s ec h 盯a c t e r sh a v eag r e a ti m p a c t o nm ep e b h n a n c ea n de c o r l o m yi n d e xo fm e 扛血r e s e a r c ho nl i m 血m s t ，e m c i e n c ya n d c o n n d ls c h e m ei sm a d et oc o n c l u d es o m em e a s u r c so fi m p r o v m gl 【mp e r f b r m 趾c e a n d 也e e l e c 廿o m a g n e t i s mr e s i s t a n c e i 1 1 m a g l e v 订甜强c i sd i s c u s s e di n0 l - d e rt 0s e e l ei n t e m c t i o n m e c h a m s mo f e l e c 仃o m a g n e t i s m f i r s n y ，t 1 1 ec h a r a c t e r so fl i m 盯ea i l a l y z e db ys h u l a t i o n i n n u e n c eo fc n de 脏c to na i rg a p m 婶1 e d cf i e l d ，t l l m s ti sd w e l to n ，a n dt 1 cr c l a t i o i l s h i pb e “v e e ne n de f ! e b c tf o r c ea n ds 衄l c t i l r e p a r 锄e t e r so fm o t o ri s 姐c e dc h a i l g eo fl i me 伍c i e n c y ，p o w e rf a c t o r ，t h n l s t 诵t l l 也ed i 虢r e n t a i rg a p ，s e c o n d a r ys m j c m r e ，v e l o c i t yi sc a l c l l l a t e db yf i i l i t ee l e m e mm e m o d t h es i m l l l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e rf a c t o ra i l de m c i e n c yo fl i ma r em u c hl o w e rt l l a nm a to fr o t a r y i i l d u c t i o nm o t o rd u et oe n de 虢c ta n db i ga i rg a po fl i m e n de 髓c tf o r c eh a sag r e a ti i l f l u e n c e o nm et l l l 瑚to fl i m t h ep e r f 0 曲a n c eo fl i mc a i lb ei i i l p m v e d 、i t l lt l l ep r o p e rs e c o n d a r y 咖c t u r e ，s m a l la i rg 印，a n db i gg o o d n e s sf 缸o r a n d “c a i lb ec o n 的l l c d 删n g a tar a t i n gs l i p ， w h e ni 乜e 撮c i e n c yi st h ch i g h e s t t h e n ，s i m u l a t i o nm o d e lo fu mv e c t o rc o m r o ls y 或e mi sc o n 蛐n l c t e d w h i c hi sp r o v e d a c c u m t eb ys i m l l l a t i o nr e s l l l t sm l d e rd i f f 毫r e n ts p e e da i l dd i f 艳r e n tl o a d a i l di ti sc o i l c l u d e d 也a t l i mc 伍c i e n c yi sl o w e ru n d e rl i g h tl o a do r l o ws p e e d 1 k o u 曲t l l el o s sm o d e lo fl i m ，b e s t e 施c i e n c yc o i 血o ls c h c m ei sp r o p o s e db a s e do n 也ev e c t o rc o n o l ，b yw h i c hl o we m c i e n c yo f l i mu n d e r l i g h tl o a do r l o ws p e e di si m p r o v e d r i kc o 曲o ls c h e m ei sp r o v e de 彘c t i v et l l i d u 曲 s i r n u l a d o nu n d e ras p e c i n e ds p e e d 1 0 c a t i o nc l l 】r v e a tl a s t ，e l e c 订o m a g r l c t i s mr c s i s t a l l c ea n db r a l 【i n gf o r c eo fs e v e r a lm a g l e vv e h i c l e sa r e d i s c u s s e d t h ed i 丘b r e n ta c t i o no fe d d yc u r r e n ti sa m l y z e d t h ep r i n c i p l ea i l ds e v e r a lc o n c l u s i o n s a r ed i s c o v e r e d ，w h i c ho 丘色rs o m er e f e r e n c ef b rt l l ef e rc o n 仃a s ta n de v a l u a t i o no ft h e s e m a g l e vv e l l i c l e si nt h ef u n l r e 1 “yw o r d s ：m i d d l ea n dl o ws p e e dm a 羽e vt n i n l i n e a ri n d u c t i o nm o t o re n de f f e c t b e s te m c i e n c yc o n t r o li r o nc o r el o s s e l e c t r o m a g n e t i s mr e s i s t a n c ee d d yc u r r e n t b r a k e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：童缦盛廛垫扭空i 丕缝煎鱼裹区壁登塞通坚童垡左曲盐茳 学位论文作者签名：独j 挺日期：彻孽年l 月) 学日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：童缝盛座电狃茔l 丞统鲍笾裹题壁翌塞通主壑鲎左煎荭差 学位论文作者签名：獾i ! 捡日期：矶力j - 年| 月毋日 作者指导教师签名：起整 日期：。如，年，月l 吕铝 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本章介绍了课题研究的背景和意义，综述了中低速磁浮列车用直线感应电机特性分析 及控制技术的研究动态，阐述了磁浮交通中电磁阻力、制动力等问题的研究背景与现状， 最后介绍了本文的主要研究工作。 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1常导磁浮列车的发展现状 磁浮列车作为一种新型交通工具，以其高速、安全、平稳、舒适等优点受到了日益广 泛的关注。与超导磁浮列车相比。常导磁浮列车不需要特殊材料和特殊机构来提高系统性 能，主要利用现代信息技术融合来提高传统机电技术性能，所以，常导磁浮列车发展较快。 常导磁浮列车按照运行速度可分为高速常导磁浮列车和中低速常导磁浮列车两种，分别采 用直线同步电机( 1 i n e 盯s y n c h o u sm o t o r ，l s m ) 和直线感应电机( 1 i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ， l i m ) 实现列车牵引，目前这两种技术逐步走向应用。 在世界常导磁浮技术研究领域中，目前占据领先地位的是德国和日本。德国主要发展 常导高速磁浮列车，我国已引进德国设计的t r 0 8 系统，并在上海建成了世界上第一条商 业运营的高速磁浮线路龙阳路至浦东机场线路。该线长约3 0 公里，2 0 0 3 年该线的顺 利运营是高速磁浮列车发展的里程碑，在国际上产生了很大的影响。日本主要发展中低速 常导磁浮列车，在购买德国t r 0 4 专利的基础上发展了h s s t 系列中低速磁浮列车，该型 号磁浮列车已于2 0 0 5 年3 月在日本爱知世博会投入商业运营。美国政府为了摆脱对石油 资源的依赖，改变原先的“航空+ 高速公路”的交通模式，现在已经有通用原子能公司、 m a g l l e t m o t i o n 公司以及朋v r i 公司等发展磁浮列车技术，代表项目有：在老多米尼大学校 园内修建1 3 公里磁浮示范线、m 3 磁浮列车、m a g p l a l l e 以及m a 9 1 e v 2 0 0 0 等。韩国机械材 料协会( m m ) 于1 9 9 8 年推出了两节编组的u 1 m 0 1 ，随后三年的运行测试证实该系统 性能基本满足要求，但目前仍无法投入正式商业应用。r o t e m 公司也推出了自己的磁浮 列车，计划从2 0 0 3 年l o 月到2 0 0 6 年9 月进行r u l m 开发，目标是建立城市运输的商业 化模型忆 与德国、日本等国相比，我国在常导磁浮技术领域也具备了相当的水平。国防科技大 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 学于2 0 0 1 年1 1 月研制出一辆全尺寸的磁浮列车试验样车，并建成2 0 4 米试验线，2 0 0 5 年 7 月该车已累计运行7 0 0 0 多公里；西南交通大学1 9 9 4 年研制出可载4 吨的磁浮列车，并 于1 9 9 7 年开始建设4 0 0 米青城山试验线；铁道部科学研究院在“八五”科技攻关中，研制出 单转向架磁浮系统。 1 1 2我国中低速磁浮列车技术的研究意义 在我国，城市发展非常迅速，城市交通拥挤不堪。地铁虽然是解决城市交通的一个途 径，但造价昂贵；城市轻轨对人口密集的地区，很难满足环保要求，尤其是噪声标准。中 低速磁浮交通系统是一种新型的有轨交通系统，它利用电磁力实现列车的无接触支承和导 向，通过直线电机实现无接触牵引和制动，避免了传统铁路中车轮和轨道之间的机械接触， 克服了传统轮轨列车提高速度的主要障碍，避免了轮轨噪声。因此，中低速磁浮列车作为 现代化城市先进的客运交通系统，具有速度快、安全、舒适、污染小等优点，对降低城市 污染、提高环境质量、改善交通运行状况都将起到积极的作用，是符合我国发展现状的城 市轨道交通运输系统。 1 1 3中低速磁浮列车直线牵引系统介绍 图1 1 为中低速磁浮列车下部结构示意图。 图1 1中低速磁浮列车结构图 由图l l 可以看出，短初级l i m 与悬浮电磁铁被钢轨分隔在轨道上下两侧，钢铝复合 结构的轨道作为直线电机的次级，直线电机的初级部分及其牵引变流器均属车载电气设 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 各，随同车辆一起运行，变流器通过控制输出不同频率的电流，使l i m 输出不同的推力。 行走的车辆通过轨道底部两侧的直流供电轨受流，而后经变流器逆变输出交流提供给l i m 的初级绕组。 l i m 可以认为是旋转电机在结构上的一种变化，它可以看成是将旋转电机沿径向剖开， 然后将电机的圆周展成直线构成的，如图1 2 所示。由定子演变而来的一侧称为电机的初 级，由转子演变而来的一侧称为次级。短初级、单边型直线电机在制造成本、运行费用、 结构上都较好，适用于交通领域的直线驱动。中低速磁浮列车直线牵引系统采用单边型 l i m ，仅在次级的一边安放初级，其结构特点是电机初级长度有限，电机线圈绕组不连续， 初、次级之间的气隙较大。这种直线牵引系统具有结构简单、紧凑，安装维护方便，直接 驱动等较明显的优点。 图l - 2 旋转感应电机到直线感应电机的演化 1 1 4课题的来源与意义 本课题来源于由北京控股磁浮有限公司投资的“中低速磁浮列车工程化项目”，主要 围绕l i m 性能分析与节能运行展开。由于u m 的输出特性决定着整个磁浮列车系统的运 行特性，它的能耗高低影响着磁浮列车系统的运营成本，因此，l i m 及其控制性能的提高 对中低速磁浮列车的进一步发展具有重要的意义。 此外，虽然常导磁浮列车通过磁悬浮方式摆脱了轮轨交通中轮轨摩擦阻力的影响，但 是带来的另一个问题是磁浮列车在运行过程中是否受电磁阻力的影响，运动磁场所产生的 涡流对车辆起推动作用还是阻碍作用，它们在不同磁浮交通中的机理是否相同? 这些问题 与牵引相关，与电磁场产生及其相互作用有关，最终也将影响磁浮列车系统运行性能的评 估，因此本课题将针对这些问题进行一一分析解释。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 课题国内外研究现状 1 2 1l i m 的研究现状 国外对l i m 的研究最早可追溯到1 8 4 0 年惠斯登开始提出和制作了略具雏形但并未成 功的直线电机，至今已有1 6 0 多年的历史吲。历经如此漫长的发展，对直线电机的研究取 得了阶段性成果。1 9 0 5 年，两位学者曾建议将直线电动机作为火车的推进机构例：英国的 hw i l s o n 建议把初级短段嵌入轨道，德国的a z e m e n 建议把初级装在车上、片状次级轨 条装在轨道上，a z e h d c n 的想法正是目前中低速磁浮列车用l d v i 的先驱。1 9 6 8 年，g a r r e t t 公司设计制造了1 8 3 7 5 k w 的l i m ，用于时速为4 0 2 k m 的火车上吐德国经过多年对磁浮 技术的研究发现，短初级u m 和长初级直线同步电机在磁浮领域发展潜力巨大，目前l i m 已成功应用于中低速磁浮列车中【”。我国对l i m 的研究是从7 0 年代开始的，国内开展l i m 应用研究的单位主要有中科院电工所、西安交大、浙大等，主要研究成果有l i m 驱动中低 速磁浮列车、l 讧驱动电梯等【2 】。我国对l i m 的研究虽然取得了一些成绩，但与国外相比， 还基本处于应用领域的探索、设计制造及特性分析阶段，一些学者做了p d 控制、矢量控 制、直接力控制方法的研究，而l i m 最优效率控制、智能控制等方面的研究还基本处于起 步阶段。目前，国内外更多关注于l i m 的动静态特性分析、优化设计以及控制方法的研究。 l 、u m 分析方法的研究现状 如图卜2 所示，u m 的气隙大、初次级两端开断使得其动静态特性与旋转电机的有所 不同，大气隙导致了其电磁推力、功率因数、效率的下降，初、次级开断导致了边端效应 的产生。目前，主要关注的l i m 特性有：边端效应、气隙磁场分布、品质因数、功率因数、 电磁推力、速度、效率。分析这些特性所采取的主要方法有【4 】：直接解法，磁场分层分析 法，边界单元法，有限元法。 ( 1 ) 直接解法 为了解决u m 的边端效应问题，s h t u 珊a ng i 和a 姗o vr l 在1 9 4 6 年提出一维直接 解法【4 】，其基本思想：从m “w e l l 方程出发，推导出气隙磁场方程，并得到气隙磁场的磁 场强度，主要分为三部分：不衰减的前进行波磁场、入口端部效应波及出口端部效应波。 出口端部效应衰减的较快，可不予考虑，而入口端部效应波衰减较慢，使得l i m 的特性变 坏。根据气隙磁场方程还可得到一种简化的等效电路用于分析l i m 的边端效应。 1 9 8 0 年，p o j o u j a d o 硝5 】对一维直接解法提出了修正，推导了气隙行波磁场的二阶、三 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 阶和四阶方程，其中三阶方程中包含了次级中x 向电流的近似效应，四阶方程中铁心的磁 导率为有限值，即考虑了饱和效应。 1 9 8 2 年，w i l 瞄n s o n 【6 】又提出了一种更详细的分析方法，根据l i m 的入口边端效应建 立了气隙磁密方程，根据电磁力的瞬态过程，他发现是由于初级铁心外部的出口端部效应 的衰减，使得所产生的力比旋转电机的小。 直接解法得到了气隙磁场方程、推力表达式，但忽略了齿槽效应、横向边端效应及气 隙漏磁的影响，也没有考虑到初级铁心的饱和。 ( 2 ) 磁场分层分析法 由g u l l e n 和b a 哟n 【7 1 首先提出，后来由g r i e g 和f r e e m a n 嘲、j f e a s t l l a m 和r o g 一9 】 等人发展起来的一种二维磁场分布解法，它假设各层在x 和y 方向无限延伸，各场量在 z 方向上是不变的，次级电流只有z 向分量。其基本思想：在各个分层的交界面处，磁密 b ，连续，若交界面处无电流存在，h x 也是连续的，若各层的电流密度已知，就可以计算出 电流各层的磁场分量，然后根据m a ) ( w e l l 应力法，或者根据各层之间纯功率流量，计算出 各层的受力情况。 分层理论分析法最根本的缺陷是没有考虑初级铁心的有限长、宽，从而也不能将边端 效应的影响考虑进去，而且也没有考虑铁心饱和的影响。1 9 7 3 年，有人在二维分层方法基 础上提出了三维分层方法【0 1 ，用f o 血e r 双级数来模拟l i m 的横向和纵向边端效应。1 9 9 3 年，i d j rd a w s o n 和e a s l 蛆【1 1 1 首次提出一种考虑初、次级铁心饱和的分层理论分析方法。 ( 3 ) 边界单元法 早在1 9 8 6 年，n o n a k a 和o g a w a 用边界单元法计算了l i m 的性能【1 2 】。并与空间谐波 方法进行了比较，但并未与实际的实验结果相比较，因而无法得知它的计算精度。同时， l a p o n e 和h u a i l g 用边界单元法进行了l i m 的优化设计【1 3 】。边界单元法的基本思想是：求 解模型不同区域之间边界上的未知节点变量的值，然后通过这些边界点的值求解所需的场 量。这种方法的缺点是磁饱和不易处理，并且求解时的系数矩阵是满秩的，故需要很大的 存储空间和计算时间，为了克服这些缺点，又发展了有限元和边界单元相结合的分析方法。 ( 4 ) 有限元法 早在1 9 8 7 年，k a d a m i a k 等人就根据m a x 、v e l l 张力理论用有限元方法计算了l i m 推 力和法向力。2 0 0 0 年，韩国学者s u n gc h a i la 1 1 1 1 ，j r ，j u n gh ol e e 和d o n gs e o kh y u n 提出通过有限元进行l i m 的动态特性分析，并进行了实验验证【1 5 】。有限元的核心思想是结 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理 性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分 析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。l i m 内部电 磁关系非常复杂，有限元方法的推广应用使得通过电磁场分析精确计算u m 的动态问题成 为可能，成功解决了以上方法所不能解决的l i m 齿槽效应、边端效应、磁饱和等问题。它 不仅能得到l i m 的磁场分布，还能直观的反映出参数变化对电机特性的影响。 2 、l i m 控制方法 l i m 的控制主要是速度和位置的控制，可在考虑l i m 的自身特性基础上，沿用旋转感 应电机的控制策略。旋转感应电机是一个多变量、非线性的被控对象，过去的v v v f 控制， 即保持电压频率恒定，都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。 近年来，随着控制理论、电力电子技术、计算机技术的飞速发展以及现代电机控制理 论的更加完善，极大地推动了电动机控制技术的发展。电力电子技术的迅猛发展促使了电 机控制水平有了突破性提高。u m 调速系统的控制策略也得以完善，旋转电机的许多新型 控制方法 1 6 】被应用到l i m 中。 1 9 9 3 年，日本大阪大学u m a s a o g i n o ，y 0 s i s i g e m u r a k a n l i 和神户大学m u t s u o n a k a o k a 论证了如何将矢量控制应用到超低速运行、p w m 逆变器供电的l i m 中以提高电机性能【1 7 j ： 1 9 9 9 年韩国j e o n g - h y o u ns l l n g 和k 啪n g l l e en 锄在考虑l i m 边端效应的基础上建立了其 矢量控制系统的数学模型，并进行了仿真和实验验证【1 3 】。1 9 7 7 年由a b p 1 u 1 1 k c t t 提出了 直接转矩控制基本思想【1 6 1 ，后来应用到l i m 中，发展为l i m 直接力控制【2 0 1 。这两种控 制方案均实现了励磁电流和转矩电流的重构和解耦，在此基础上可方便地实现速度和位置 的控制，从而促进了l i m 控制系统走向实用化。 电机机械特性和电磁特性的解耦控制反映速度较快，但在电流环和速度环之外再加上 一个位置环，整个系统调整起来比较困难。于是，在解耦控制的基础上，又提出了高精度 和快响应位置伺服控制方法。 自适应控制2 ”，其研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓“不确定性” 是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因 素。l i m 的电阻、电感等参数随环境的变化而改变，如何设计适当的控制策略，使得某一 指定的性能指标达到并保持最优或近似最优，自适应控制可以实现该问题的解决。目前应 用较多的是用自校正控制( s t c ) 和模型参考自适应控制( m r a c ) 对次级磁链和速度进行观 第6 页 国防科学技术大学研冗生院学位论文 测，它通常利用超稳定性理论或李雅普诺夫原理设计观测器，能够有效提高控制系统的鲁 棒性。另一方面是利用m r a c 进行电机参数的辨识，同其他辨识方法相比，它的性能结果 比较优越，但控制结构相对复杂。 滑模变结构控制固【2 4 1 ，变结构控制，使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间， 根据系统中某些参数的状态以跃变的方式有目的的变化，从而将不同的结构揉合在一起， 取得比固定结构系统更完善的性能指标。滑模( s l i d m gm o d e ) 控制方法是变结构控制中最主 要的内容。在滑模变结构系统中，应使系统运动轨迹在速度和角度相平面上沿某一选定曲 线运动至原点，而且不需精确的建模，因此系统结构简单，易于实现，且能获得优良的动 静态特性。目前研究的重点是无静差滑模变结构控制。 智能控制，主要包括：专家系统、神经网络口5 】【2 司【2 7 】、模糊控制【2 扪、遗传算法等。它们 针对一些结构和参数均未知的对象，比如对一些运行机理特别复杂、目前尚未被人们充分 理解的对象，不可能建立有效的数学模型，因而也无法沿用完全基于数学模型的方法来解 决其控制问题。这类方法虽然能够解决一些问题，但往往因为算法太复杂而不能实际应用。 3 、l i m 的最优效率控制 迄今为止，最优效率控制大多局限于旋转感应电机的应用。美国d s 鼬r s c h e n 和d w n o v o n l y 等人在8 0 年代中后期曾经对旋转电机最优效率控制进行过比较系统的研究【3 0 】； s c p e a l 【等人在8 0 年代中期就展开了感应电机驱动系统损耗问题的研究f 3 l l ；b k b o s e 等人在这一领域的研究已数年，于1 9 9 5 年实现了模糊控制在线效率最优，在实验室取得 了一些成果吲，用转矩前馈补偿的方法克服低频转矩波动进行了很好尝试；1 9 9 7 年对神经 模糊控制( 基于b p 训练算法) 在线效率最优方案进行了仿真研究【3 3 】。日本n 0 b u - y o s l im u t o h 等人通过控制磁场电流和转矩电流的比例来实现最优效率控制技术已经在电动车上实验 口4 】。韩国h g 磁m 等人也在8 0 年代中期曾研究通过控制转差间接控制磁链来优化效率； g y u s 墩嵇m 等人在8 0 年代末开始研究这一专题，1 9 9 2 年他们提出：不需坐标变换而实现 磁链和速度解耦，采用f i b o n a c c i 搜索算法实现在线最优效率控制；还有一些学者建立了感 应电动机损耗模型，提出了各种规律，以控制某种变量实现最优效率控制，也有人采用实 时计算损耗来控制变量实现最优效率控制【3 2 】。 要实现l i m 的效率优化，可在考虑l i m 特殊结构的基础上，沿用以上旋转电机的最 优效率控制策略思想。 1 2 2磁浮交通系统中电磁力的研究 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 虽然常导磁浮列车通过磁悬浮方式摆脱了轮轨交通中轮轨摩擦阻力的影响，但是带来 的另一个问题是磁浮列车是否在运行过程中受电磁阻力的影响，运动磁场所产生的涡流对 车辆起着推动作用还是阻碍作用，它们在不同磁浮交通中的机理是否相同? 这些问题与牵 引相关，与电磁场产生及其相互作用有关，最终也将影响着磁浮列车系统的运行性能的评 估。针对这些问题，国内外所作的研究工作主要有： 1 9 世纪7 0 年代初，日本人山田竹内从m a x w e l l 电磁方程式出发分析推导了中低速磁 浮列车用l i m 的气隙磁场、电磁推力及法向力的作用原理，但推导过程比较麻烦，计算公 式也比较复杂【3 5 】；后来逐渐探索出诸如有限元法【1 4 1 【1 5 】、等效电路法等一系列分析测量 l i m 磁场及推力的简便方法。 由参考文献【3 6 可知，日本在1 9 7 5 年还进行了中低速磁浮列车中电磁阻力的详细分析 和计算，并得出电磁阻力随电磁铁长度的增加而减小：国内西南交通大学也于1 9 9 9 年对 e m s 型磁浮列车运行阻力问题进行了论述口7 1 。 对于高速磁浮列车的制动系统，早在2 0 世纪7 0 年代德国推出的t r 系列磁浮列车除 使用通过反向直线同步电动机的推力来进行制动外，还使用线形涡流制动，利用沿车体前 进方向分布的导轨中的感应涡流来工作【3 8 l ；随后，韩国、印度、英国等技术人员开始对涡 流制动力进行分析计算，并将涡流制动系统应用于其它领域【3 9 】【删；我国同济大学电气工程 系对磁浮列车的涡流制动力进行了详细的推导与计算【3 8 】。 2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工学院开始磁浮飞机的研究，对其斥浮力、电磁阻力的 作用原理进行了详细分析论述【4 1 】【4 2 】，但到目前为止尚未进行任何工程试验。 1 2 3仿真工具的使用 随着军事和科学技术的迅猛发展，计算机仿真已成为各种复杂系统研制工作中一种必 不可少的手段，它实现了在计算机中用对被控对象的仿真模型的研究来替代对真实物体在 运行场合的某些试验研究，可以预测被控对象的特性，实现优化设计，提高了经济效益。 为了实现l i m 的优化设计、进行磁浮交通工具中各种电磁力的分析，理论推导需要太多的 前提假设，分析结果非常粗糙。相对而言，仿真实验方便快捷、易于实现。仿真工具的优 劣将影响仿真的效率与效果。 电机建模、控制方面的仿真工具目前国内外使用最多的是m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件。 s i m u l i l l l ( 作为一种对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，具有模块化、可重载、可封 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。至今还没有发 现有更优秀的电机控制仿真工具能与之媲美。 电磁场仿真工具种类繁多：a n s y s 、血l s o f 【o 幢删e l l 2 d ，3 d 、r 缸p r t ) 、j m a g - s t u d i o 、s l i m 、 m a 印e t 等。目前使用最多的是：a n s y s 公司的a n s y s 软件和a n s o f t 公司的m a x w e l l 系列软 件。a n s y s 软件不断汲取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形 学和优化技术相结合，已成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。a n s y s 功能强大， 主要体现在前后处理能力，得到了大幅度的改进与扩充，使得a n s y s 在功能、性能、易 用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，帮助用户解 决了成千上万个工程实际问题。但作为一种大型通用有限元软件，它并不擅长电磁场的分 析，对电磁场分析计算的精度低，使用起来也比较复杂。【4 3 】 近年来a n s o f i 公司推出了一系列专业电磁场有限元分析软件，主要有m a ( w e l l 2 d ，3 d 、 r m x p r t 等。m a x w e l l 以其在电磁场仿真领域的卓越表现而著称于世。电磁和机电元件的设 计者依靠m a ) 【、v e u 无可比拟的精确性和便捷性达到设计目标，降低设计风险，加快了产品 投向市场的时间。m a x w e l l2 d 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元 分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或r z 对称的条件下采用。它不仅能分析交直流 磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场，还可产生高精度的等效电路模型供电子电路仿真 软件s i m p l o 崩模块和其他电路分析工具调用。m a ) 【w e l l3 d 向导式的用户界面、精度驱动 的自适应剖分技术和强大的后处理功能使其成为工业界最佳的高性能三维电磁设计软件。 可以分析涡流、位移电流和集肤效应，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体 特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗( r 和l ) 、力、转矩、电感、储能等参数 可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、b 和h 分布图、能量密度、温度分布 等图形结果。m 1 3 本文的主要内容 本文针对中低速磁浮列车的l i m 牵引系统的性能，从电机的特性分析和运行控制方法 两方面入手来寻求提升l i m 运行性能的方法，同时，还引入对几种磁浮交通工具中的涡流 及不同电磁力的对比分析，明确磁浮列车在牵引过程中推力、效率、能耗等方面的规律与 机理。论文的各章主要内容安排如下： 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章，绪论。介绍了课题的来源、背景及意义，综述了l i m 特性分析方法、控制策 略及磁浮交通中电磁力研究情况，介绍了常见的电机电路及磁场仿真软件。 第二章，l i m 的特性分析与计算。介绍了l i m 的运行原理及边端效应，分析了边端效 应对气隙磁场、推力的影响，仿真得到了的l i m 的功率因数、效率、推力、速度随间隙、 极数、次级材料等电机结构参数的变化，实现了l 以的结构优化。 第三章，基于效率最优的l i m 矢量控制仿真研究。基于旋转感应电机的矢量控制，建 立了u m 矢量控制系统模型，并进行了仿真，实现了控制l i m 在额定滑差下运行效率提 高的要求，在此基础上，分析建立了l i m 的损耗模型，提出了最优效率控制方法，提升了 l i m 在轻载或低速牵引运行时的效率。 第四章，几种磁浮交通工具的电磁力的仿真分析与比较。根据l i m 的推进原理，讨论 了中低速磁浮列车、高速磁浮列车以及磁浮飞机中涡流的不同作用。对中低速磁浮列车的 电磁阻力、高速磁浮列车的涡流制动力以及磁浮飞机的斥浮力的产生机理进行了分析和比 较。 第五章，全文总结。对整个论文研究的成果、不足及进一步研究的方向进行了阐述。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章l i m 的特性分析与计算 本章以单边扁平型l i m 为例，介绍了其基本工作原理和主要优缺点，对它的几种边端 效应进行了阐述，利用解析方法分析了边端效应对l i m 的气隙磁场分布和推力的影响，并 通过有限元分析得到了l i m 的功率因数、效率、推力等特性曲线，实现了l i m 的结构优 化。 2 1l i m 概述 2 1 1l i m 的工作原理 l i m 不仅在结构上与旋转感应电机相类似( 图2 1 ) ，其工作原理也是相似的。以单边扁 平型l i m 为例，其基本工作原理是：当初级三相绕组通入三相对称正弦电流后，就会产生 气隙磁场。当不考虑因铁心开断引起的边端效应时，气隙磁场沿展开的直线方向呈正弦分 布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线移动，这个平移的气 隙磁场就是行波磁场。再由楞次定律，行波磁场在金属次级上感应电动势，产生电流。又 由安培定律可知，次级感应电流和气隙磁场相互作用便产生连续电磁推力。对于中低速磁 浮列车用短初级l i m ，一般将初级安放在车上、次级固定，那么初级将在推力的作用下做 直线运动。 次级初级 lo7ooo oo i 目目吲剧目 目 图2 1从旋转电机到直线电机 2 1 2l i m 的主要优缺点 l i m 可广泛应用于交通、运输、传送装置及其他各种直线运动的场合，和旋转电机相 比，它有以下优点： 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 无需任何中间传动装置，直接产生直线运动机械能。故简化了装置，保证了运行 的可靠性，提高了传递效率，降低了制造成本，易于维护。 ( 2 ) 旋转电机由于离心力作用，其圆周速度受到限制；而l i m 的速度不受限制。 ( 3 ) l i m 运行过程中，无机械接触，从而使机械损耗大大减少。 ( 4 ) l i m 的结构简单，散热效果好，使用时受周围环境的影响小。 当然，l i m 也存在不足之处： ( 1 ) l i m 的气隙大，故所需的磁化电流也较大。 ( 2 ) l i m 的初、次级开断导致了边端效应力的产生，从而使l i m 的功率因数和效率都 比较低。 为了确保u m 的合理使用，必须综合考虑以上优缺点，充分发挥它的长处，避免它的 不足。 2 2l i m 的特性分析与计算 旋转感应电机和l i m 的根本不同之处就在于l i m 的边端效应以及大气隙，也正是这 种差异性导致了l i m 性能与旋转电机有所不同，特别是效率、功率因数方面，这些参数的 变化将极大影响磁浮列车的牵引性能和能耗指标。本节在分析l i m 特性时，作了以下假定： ( 1 ) 各场量随时间作正弦规律变化；( 2 ) 不考虑齿槽效应、铁心饱和；( 3 ) 忽略气隙漏磁的影 响；( 4 ) 不计横向边端效应；( 5 ) 初级三相绕组结构参数完全对称；( 6 ) 各层的物理常数是均 质的、各向同性的，并且是线性的。 2 2 1l i m 的边端效应 出口 端 图2 2次级电流路径 由图2 2 可以看到，纵向上直线电机的初级绕组和初级铁心都是有限长度；横向上初、 次级的宽度也是有限的。这种电机的有限长度结构而引起的特殊现象，就是边端效应。根 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 据结构方向的不同，边端效应又可以细分为横向边端效应和纵向边端效应，纵向边端效应 又有静态和动态之分。 ( 1 ) 横向边端效应 l i m 初、次级均为有限宽度，通常次级比初级宽一些。l i m 这种实际特点的影响叫做 横向边端效应。当只考虑次级电流横向分布时可得次级感应电流如图2 2 所示，这些电流 有纵向分量l 和横向分量厶，纵向分量厶是产生横向边端效应的主要来源。因而初级和次 级等宽的l i m 横向端部效应比次级较初级宽得多的u m 横向边端效应要大一些。横向边 端效应的主要影响是使等效电路中的次级电阻率增加，因此在等效电路中可以忽略横向边 端效应，但是将次级的电阻率乘以修正系数【4 5 】。 ( 2 ) 静态纵向边端效应 对于双层绕组的u m ，其两个纵向边端是单层绕组，导致了边端气隙磁密要小于中间 双层绕组的气隙磁密。另外由于初级铁心及其绕组在两端的不连续造成了各相间的互感可 能不相等，即使通入三相对称交流电压，在各相绕组中也将产生不对称的电流。因此气隙 磁场不仅含有正向行波磁场，还有交变脉振磁场，脉振磁场增加了附加的损耗，在电机行 进过程中表现为阻力，这种由于电机本身纵向结构的有限长度而导致的边端效应称为静态 纵向边端效应。 ( 3 ) 动态纵向边端效应 图2 3动态纵向边端效应的作用原理 动态纵向边端效应是由于l i m 有限长的初级和无限长的次级之间有相对运动产生的。 当初级相对于次级作高速运动时，行波磁场在初级入口和出口端会发生畸变，相应的次级 区域也将感应出涡流，沿前进方向在初级的前端位置所对应的次级区域会产生涡流以阻碍 该区域气隙磁场强度的增强，在初级的后端位置所对应的次级区域则会产生涡流以阻碍该 区域气隙磁场强度的减弱( 如图2 3 ) ，这就是表现为附加损耗和附加力的l i m 的动态纵向 边端效应。 2 2 2气隙磁场方程以及边端效应的影响 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 由直线电机的运行原理及对边端效应的分析可知，气隙磁场是初级和次级电流相互作 用共同产生的，边端效应的存在将影响初级入口、出口端气隙磁场的分布。假定坐标轴x 方向为运动方向( 纵向) ，z 方向为横向方向，y 方向和x 、z 向垂直。现用假想的无限薄的 电流层来等效初级载流绕组，并假定初级等效电流只在z 坐标方向( 如图2 4 ) 上流动，则初 级等效线电流密度为： = 厶p 。“一肛( 2 一1 ) 图2 - 4置缄感应电机的物理模型 设初、次级之间的相对速度恒定为v ，则由运动介质的欧姆定律可得次级的等效面电 流密度为： 以：业生( 2 2 ) ps 式中，e 是感生电动势，v b 是动生电动势，n 是次级面电阻率。 沿图2 - 4 有效区域( o