（电力电子与电力传动专业论文）利用磁悬浮原理测试直线电机动推力和垂向力方法的研究.pdf

a b s 硼r a c t a b s t r a c t ：s i n g l e - s i d e dl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( s l i m ) w a sw i d e l ya p p l i e di n i n d u s t r i a lw o r l d ，o fw h i c ht h r u s ta n dv e r t i c a lf o r c ea r ep r i m a r yo p e r a t i n gi n d e x e s ，e s p o fs i n g l e - s i d e ds l i mi nl i n e a rm e t r o h o w e v e r , t h em e a s u r i n gm e t h o d sf o rt h a ta 腭 r a t h e rv a r i e da n dw i t h o u tu n i f i e dm e a s u r ec r i t e r i o n t h ee x i s t i n gm e a s u r i n gm e t h o d si n s o m eu n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t i o n s a sf a ra sa u t h o r sk n o w , c 雏b eg e n e r a l i z e di n t ot h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c ：i nt h r u s tm e a s u r e m e n t , n om a t t e rl o a dm e a s u r i n gm e t h o do r a c c e l e r a t i o no n e t h em e a s u r e ds l i ma mm o s ts u p p o r t e db yw h e e l - o n r a i ls ot h a t t h r u s tc a nn o tb em e a s u r e da c c u r a t e l yb e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo f t h ef r i c t i o nb e t w e e n w h e e la n dr a i l ；a sf o rv e r t i c a lf o r c em e a s u r e m e n t , i ti sd i f f i c u l ta n de v e ni n f e a s i b l et o m e a s u r eu n d e re x i s t i n gm e t h o d ，w h i c hi su s u a l l yc o m p u t e db yt h e o r yf o r m u l ai n s t e a d i t sm e a s u r e m e n th a sa l w a y sl i k e n e s sd i f f e r e n c ef r o mr e a l i t yc o n s e q u e n t l y i nv i e wo ff a c t sa b o v e , t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o do fm e a s u r i n gt h r u s ta n d v e r t i c a lf o r c eo fs l i mb a s e do nm a g l e vp r i n c i p l e i ta p p l i e st h ep r i n c i p l eo fm a g l e vt o f i xa i rg a pb e t w e e nt h es l i m sp r i m a r ya n ds e c o n d a r yc o i l i ti sk n o w nt h a tt h e a c c e l e r a t i o no fs l i mc a nb em e a s u r e db yu s eo fp o s i t i o ns e n s o r si n s t a l l e do ni t , a n d t h e nt h et h r u s tp e r f o r m a n c eo f s l i mu n d e rd e c i d e da i rg a pc a nb eo b t a i n e d a c c o r d i n g 协t h ec u r r e n to fe l e c t r o m a g n e tc o n t r o l l e dt h es l i mt os u s p e n da n dt h ep r e s e ta i rg a p t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo fc o n t r o l l e de l e c t r o m a g n e tc a nb ec a l c u l a t e d a n dv e r t i c a l f o r c eo fm e a s u r e ds l i mc a nb eo b t a i n e da f t e rg r a v i t yi sb e e ns u b t r a c t e d t h e r e f o r e ， t h em e t h o dh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：t h em e a s u r i n go f t h r u s ti sa c c u r a t eb e c a u s eo f e l i m i n a t i n gi n f l u e n c eo ft h ef r i c t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i l v e r t i c a lf o r c eo fs l i m c a nb em e a s u r e de a s i l ya n da c c u r a t e l ya sw e l l t h ep a p e rf o c u s e do nt h i st e s tm e t h o d ，c a r r i e do u taf e a s i b i l i t ya n a l y s i s ，a n da l s o d e s i g n e da n db u i l tas l i md y n a m i cp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r mu s i n gm a g l e vp r i n c i p l e a tt h es a n l et i m e ，w ea n a l y z e da n dd e s i g n e dt h ec o n t r o l l e ro ft e s t i n gp l a t f o r mf o rt h e l i n e a rm o t o ra n dm a g l e vs y s t e ms e p a r a t e l y a tl a s t ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i tp r o v e dt oa c h i e v e 9 0 0 dc o n t r o lr e s u l t k e y w o r d s ：s i n g l e - s i d e dl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( s l i m ) ，m a g l e v , p e r f o r m a n c e m e a s u r e 1 1 1 m s t , v e r t i c a lf o r c e c l a s s n o lt m 3 5 9 4 致谢 本论文的工作是在我的导师杨中平和郑琼林教授的悉心指导下完成的，二位 教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢 三年来二位老师对我的关心和指导。 杨中平与郑琼林教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生 活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向二位老师表示衷心的谢意。 林飞教授、游小杰教授等多位课题组老师对于我的科研工作和论文都提出了 许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张慧涛、陆书文等同学对我论文中的研究工 作给予了热情帮助，在此向他 f 1 表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 本课题的研究意义与背景 直线电机的历史，据有关文献最早可追溯到1 8 4 0 年惠斯登( w h e a t s t o n e ) 开 始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机，从那时至今，已有1 6 0 多年的 历史了，在这不算短的历史过程当中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实 用商品化三个时代1 1 】1 2 如1 4 1 。尤其是在上世纪6 0 年代末、7 0 年代初至今直线电机应 用得到了迅速推广，特别是将赢线电机作为列车的驱动装置( 磁浮列车和直线电 机地铁) 得到了各国的高度重视并予以实施以后，从事直线电机研究的队伍不断， 近三十年来，直线电机得到了前所未有的发展，新产品层出不穷，并且已经在很 多领域实现了产业化应用1 5 1 - 。 其中直线电机轨道交通系统就是直线电机在产业化应用中一个成功的例子。 直线电机轨道交通系统作为一种新型的城市轨道交通系统在世界范围内正越来越 广泛地得到应用，目前直线电机轨道交通系统已经在世界上1 0 个城市( 包括刚刚 开通的广州四号线) 实现了实际应用，而且还有多个城市正在规划建设新的直线 电机轨道交通系统i l ”。所以扁平型单边直线感应电机( s i n g l e s i d e dl i n e a ri n d u c t i o n m o t o r ，s l i m ) 作为直线电机轨道交通系统中的牵引电机，得到了人们前所未有的 关注，在国内外从事s l i m 研究的科研机构也越来越多，近年来在s l i i 的控制和设 计方面的成果也是层出不穷。然而由于s l i m 结构上的特殊性，虽然从事s l i m 动态 性能研究的科研机构也不少，但是关于这种l i m 的动态性能测试成果的相关文献并 不多见，可见目前世界上在s l i m 动态性能测试方面还处于一个较为落后的阶段( 相 对其产业化程度而言) 就个人所能查阅到的资料，目前世界各国现有的s l i m 动态性能测试试验台从 测试目标上来分，主要有测试电机动推力和测试电机垂向力两种。 就测试s l i m 的动推力而言，从结构上划分又可分为以下两种形式，即旋转式 试验台和直线式试验台两种，分别如图1 1 和1 2 所示；从动推力测试原理上划分 则可分为加速度法和负荷法两种，图1 3 和1 4 是直线式试验台中以上两种方法的 示意图1 8 h 冽。 图1 1 旋转式s l i i d 动态性能测试平台 f i g u r e1 1r o t a r ys l i md y n a m i cp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m 图1 2 直线式s l i m 动态性能测试平台 f i g u r e1 2s l i ml i n e a rd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m 图i 3 利用负荷法测试s l i m 动推力试验装置示意图 f i g u r e1 3m a po f e x p e r i m e n t a ld e v i c eu s i n gl o a d - m e t h o d t ot e s ts l i mt h r u s ta c t i o n - 2 板) 负载l直线电机初级 图i 4 利用加速度法测试s l i m 动推力试验装置示意图 f i g u r e1 4m a po f e x p e r i m e n t a ld e v i c eu s i n ga c i 啪6 锄- m 甜1 0 dt ot e s ts l i mt h r u s ta c t i o n 在直线电机垂向力测试方面，相关的文献并不多见，就作者所能了解的范围 仅有不多的几家科研机构搭建了采用压力传感器测量直线电机垂向力的试验台， 但未见相关试验结果的文献，目前能查阅到的就是国防科技大学机电工程学院的 垂向力试验台闭，如图5 所示，但该试验台也只能测量直线电机在静态时的垂向 力变化。 12 345 67 图1 5 利用压力传感器测量直线电机垂向力 f i g u r e l 5 m e a s u r i n g v e r t i c a l p o w e r o f l i n e m m o t o r b y p r e s s u r es e n s o r s 图中：1 牵引力测量传感器2 弹簧连接件3 压力传感器 4 安装基座 5 直线电机带绕组一次侧6 一直线轴承 7 直线 电机二次侧 由此可见，目前国内外对s l i m 测试多以测试动推力为主，对电机的乖向力测 试仅仅处于一个起步的阶段，到目前为止还没有能同时测量直线电机动推力与垂 向力的测试平台的相关文献。然而，就直线电机城市轨道交通系统而言，直线电 机的垂向力大小的测量是相当重要的，直接关系到列车的运行阻力、感应板 ( r e a c t i o np l a t e ) 材料选择、列车轨道安装强度等因素。 基于以上原因，通过学习和比较目前世界上常用的几种测试方法，我们提出 搭建一个利用磁悬浮原理，完全无接触的，不仅能测直线电机动推力，还能测电 机垂向力的测试平台。该平台可以利用电机的加速度来测试直线电机的动推力， 利用悬浮电磁铁的电流变化来精确测量直线电机的垂向力变化。其基本原理与测 试步骤将在第二章中详细描述。 1 2 论文所做的主要工作与论文结构安排 本论文由六章构成： 第一章：通过大量的查阅国内外相关文献，分析比较了国内外现有的s l i m 测试方 法，提出了利用磁悬浮原理同时测量直线电机动推力与垂向力的研究方 法： 第二章：结合本文提出的利用磁悬浮原理的s l i m 动态性能测试的方法，设计并搭 建了s l i m 动态性能测试平台，包括测试平台的机械结构设计、实现与测 试平台电气系统的设计、实现两部分： 第三章：分析了s l i m 的结构与工作原理，通过涡流分析的建立了考虑动态边端效 应的s l i m 数学模型，并实现了该数学模型的m a t l a b 仿真，通过仿真 分析与该电机在短路实验中的实测数据比较，证明该数学模型可以精确 的模拟实际的直线电机运行；然后，本文基于该s l i m 设计了直线电机的 转差频率控制器，并在m a t l a b 下进行了仿真实验，控制效果非常理想， 为今后设计直线电机的硬件控制电路提供了必要的理论基础；在本章的 最后，利用电磁场分析软件a n s o f t ，建立了待测s l i m 的磁场有限元 分析模型，以进一步分析s l i m 的动推力与垂向力特性，所得结果可作为 将来平台测试结果的参照； 第四章：本章针对该测试平台设计的混合悬浮系统进行了电磁场理论分析，建立 了该混合悬浮系统数学模型，并通过多种控制方式的比较、仿真，选择 了合适的数字控制方式，并作了连续时间系统的离散化处理，为磁悬浮 控制系统器的软硬件提供了必要的理论基础： 第五章；测试平台的软硬件设计。其中包括：设计并调试了用于磁悬浮控制系统 的四象限斩波器，使其可以满足该平台磁悬浮系统地供电要求；并对实 验室的d s p 2 4 0 7 开发版进行了必要的改造作为该磁悬浮系统得控制板， 并做了分块调试；而后完成了磁悬浮系统的软件设计，并对各个模块进 行了分别调试，最后进行了系统的联调； 第六章：对前面所做工作做一个大体的总结，提出今后要完成的任务及注意事项。 2 直线电机测试平台系统原理组成及其各子系统设计 2 1 系统组成及其工作原理 基于磁悬浮原理的直线电机动态性能测试平台包括：直线电机、悬浮磁铁、 传感器、控制板、驱动电路、电源、导轨、支架等。 该测试平台中的悬浮系统是一个典型的吸附式的悬浮系统，测试系统的结 构框图与系统控制结构图如图2 1 所示： 图2 1 测试平台系统结构图 f i g u r e 2 1s y s t e mc h a r to f t e s t i n gp l a t f o r m 系统的工作原理为：首先设定待测的s l i m 气隙值，将磁悬浮小车调整到相应 的位置，然后给由电磁铁与永久磁铁组成的混合磁铁上电，通过d s p 来控制图2 1 中电磁铁的电流，利用混合悬浮磁铁的电磁吸引力使整个悬浮小车稳定悬浮( 即 定气隙悬浮) 。然后给图2 i 中s l l m 初级通电，当s l i m 启动后，会产生一定的 垂向力，相当于悬浮小车的重量改变，悬浮气隙有变大或变小的趋势。系统通过 电流传感器和气隙传感器检测出气隙值得变化，然后经过信号处理电路与滤波电 路，再通过d s p 控制板的a d 信号处理电路把模拟量转换为数字量，经过在d s p 的c p u 上计算，来改变d s p 程序控制器输出的p w m 脉冲，再经过接口、互锁电 路来改变控制电磁铁电流的斩波器的脉冲宽度即占空比的大小，从而改变通过电 磁铁的电流使悬浮小车在恒定气隙下稳定悬浮。此时电磁铁的悬浮电流所产成的 电磁吸引力变化就是s l i m 垂向力的变化。与此同时，通过图2 1 安装在轨道的位 置传感器可以计算出s l i m 的加速度变化，进而计算出s l i m 的动推力变化。 2 2 系统各子系统的设计 该直线电机测试系统共包括磁悬浮子系统、直线电机子系统、机械本体子系统 三个子系统，直线电机子系统将在下一章中傲详尽的介绍，本章接下来将分别就 磁悬浮子系统和机械本体子系统两方面来介绍单边型l i m 动态特性测试平台的设 计工作。 2 2 1磁悬浮子系统设计 磁悬浮子系统主要包括悬浮磁铁、驱动电路、控制电路、传感器和电源等几部 分组成，其中悬浮磁铁和传感器的选择在本章节将做主要描述，控制电路与驱动 电路的设计将在第五章“磁悬浮系统软硬件设计”中做详细描述。 2 2 1 1 悬浮磁铁的设计 悬浮磁铁是本测试系统的一关键性部件，其性能的好坏直接关系到测试系统能 否正常工作。设计悬浮磁铁就是在规定的技术条件的基础上，确定悬浮磁铁结构， 包括悬浮磁铁的形式选择、铁芯材料、铁芯的几何尺寸与形状、电磁铁绕组的匝 数与线径等，保证悬浮系统能够稳定可靠地工作。 通常作为悬浮磁铁设计依据的主要设计参数和工作参数有： ( 1 ) 悬浮体平衡位置气：即磁悬浮小车处于平衡位置时和导轨之间的气隙，本 系统我们取1 0 m m 。 ( 2 ) 额定条件下的电磁吸力e ：即悬浮体处于平衡状态时悬浮磁铁所需要提供 的吸力，由力学常识可知，此时电磁力等于悬浮体的重力加上电机垂向力 ( 最大值约为3 0 牛) 。 ( 3 ) 功率损耗：主要指线圈的功率损耗，即铜损。线圈的功率损耗是指在正常 工作时电流的平方与电阻的乘积。 容许温升：主要指电磁铁线圈在额定工作电流下的容许温升。 在设计悬浮磁铁系统时要综合考虑以上四个因数，由于本系统悬浮质量大，平 衡气隙大，如果用纯电磁铁悬浮则需要很大的电流，那么要求电磁铁绕组的线经 增大、匝数增大，对装置的轻量化和降低平台造价都不利，所以设计为由电磁铁 和永久磁铁相结合的混合悬浮系统期望该混合悬浮系统在稳定运行时，由永久 磁铁提供大部分的悬浮力，电磁铁仅仪在系统受到扰动时起调节作用。 一般的，电磁铁与永久磁铁构成的混合磁铁结构有如下两种形式，如图2 2 ： 永久磁铁 图2 2 常用的混合悬浮动态模型 f i g u r e 2 2d y n a m i cm o d e lu s e dh y b i r ds u s p e n s i o n 从加工方便角度考虑，本系统选用了第一种结构形式，此系统对混合悬浮系统 的设计指标如表2 1 所示： 表2 1 混合磁铁设计性能指标 t a b l e 2 1p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f h y b i r dm a g n e td e s i g n 性能指标参数值及要求 悬浮气隙 1 0 m m 不包括混合磁铁的悬浮体质量3 0 k g 最大额定电流 8 a 最大额定电压 1 2 v 7 永疔n 磁铁 综合悬浮磁铁的设计要求、指标与搭建测试平台的经济性、装置轻量化等条 件，在考虑漏磁系数为0 3 5 的情况下，混合悬浮磁铁的设计参数如表2 2 所示： 裹2 2 混合磁铁设计参数 t a b i e2 2p a r a m e t e ro fh y b ；r dm a g n e td e s i g n 参数名称参数值 电磁铁绕组匝数n 8 0 0 电磁铁绕组电r ( q ) 1 6 电磁铁磁极截面积s ( m 2 ) 0 0 2 6 * 0 0 3 9 铁芯截面积w x l g ( m 2 ) 0 0 2 6 * 0 0 3 5 永磁铁长度1 。 ( m ) 0 0 3 8 5 导轨折算厚度d( m )0 0 6 0 永磁铁截面积w h m ( m 2 ) o 0 2 6 * 0 0 3 5 混合磁铁高度h c ( m )o 2 5 混合磁铁宽度2 l c + h m( m )0 4 3 5 铁芯材料 d t - 4 e 悬浮体质量( 包括混合磁铁) ( 蚝 4 4 2 2 1 2 气隙传感器的选择 在磁悬浮系统中，气隙传感器是本系统的关键部件，要求有很高的精度和稳 定性，而且由于在本系统中，磁悬浮小车要被直线电机带动着沿轨道做水平运动， 所以应该选用高精度的无接触式位移传感器。 常见的无接触式位移传感器主要有激光传感器、电涡流传感器、超声波传感 器、l e d 传感器、光敏元件传感器、图像传感器等。以上几种传感器各有优缺点， 如光敏元件传感器分辨率低，可控范围低：激光传感器和图像传感器精度高，稳 定性好，可控范围大，但造价太高；电涡流传感器造价低，分辨率高，可控范围 大，但线性度太低，受磁场影响大，所以也不适合本磁悬浮系统，超声波传感器 虽然没有以上传感器的缺点，但响应时间慢，有一定延迟，也不适合用于磁悬浮 系统的动态实验。经过大量的查阅资料，与和多位从事磁悬浮控制的学者的交流， 本系统决定选用型号为z 4 w v 2 5 的l e d 位移传感器。 该传感器体积小便于安装，分辨率高，线性度好，响应时间快几乎没有延迟 时间，可控范围为4 m m 完全满足本系统要求，接线简单、放大器内置，直接输 出i - - 5 v 的标准电压，而且价格也比较低。可以完全满足本系统的要求，其具体 参数如下表所示，图2 3 是其输出特性曲线。 表2 3z a w v 2 5 r 型l e d 传感器的参数 1 曲i e2 3p a r a m e t e ro f z 4 w v 2 5 rl e ds g t h q o l 测定范围 4 m m 测定中心距离 2 5 l m m 光源( 发光波长)红色发光波长( 7 0 0 n m ) 光点直径 巾2 m m ( 处于测定中心距离) 分辨率x 1 l o hm 直线性2 3 e s 应答时间x 3动作、复位：各5 m s 显示灯s t a b i l i t y ( 光量表示) 输出模拟位移输出 n p n 开放式集电极输出d c 3 0 v 负 d a r k 输出 载电流5 0 m a 以下( 残留电压l v 以下) 1 0 5 5 h z ( 双振幅1 5 m m ) 、3 方 振动( 耐久) 向各1 5 m i n 2 扫描 冲击( 耐久) 5 0 0 m s 23 方向 d c l 2 2 4 v 1 0 波动( p - p ) 1 0 电源电压 以内 消耗电流8 0 m a 以下 动作时：1 0 + 5 5 、保存时：- 2 0 周围温度 + 6 5 ( 不结冰、结露) 动作时、保存时：各3 5 8 5 r h 周围湿度 ( 不结露) 保护构造i e c 规格i p 6 6 材料 外壳：a b s 连接方式导线引出型( 标准导线长5 m ) 9 从传感器开始距离c r a m ) 图2 3l e d 位移传感器输出特性曲线 f i g u r e 2 3o u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f d i s p l a c e m e n ts e n s o r 2 2 2机械本体子系统的设计 任何系统整体性能的好坏涉及到的因素是多方面的，但最基本的因素是系统 机械结构及性能的优良与否。因此，为了满足单边型l i m 动态性能测试平台整体 达到一个优良的性能，不仅要有优良的电气设计、控制算法的编制，而且还要有 优良的机械结构设计予以保证。下面就从机械系统设计角度出发，结合系统各部 件的工作特点，来进行系统机械结构的设计，以满足直线电机测试平台系统稳定 工作的要求。 在本实验装置的设计过程中，主要考虑以下几个方面的要求： ( 1 ) 设备的性能指标：性能指标包括电气性能指标和机械性能指标。前者主 要指电信号幅度的标量、频率的标量和波形的标量，对本实验系统而言，这里主 要考虑光电信号的灵敏度、准确度以及非线性失真问题，电磁铁功率问题等。后 者主要指各类移动、扰动、传动的精度及其结构强度等。 本节中主要讨论的是后者，主要考虑实验装置的结构强度、定位精度以及系 统的抗干扰性等方面。考虑到电磁铁的重量、系统的稳固性、实用性以及可操作 性等因素，采用系统控制部分和实现部分分离的方式。通过初步的估算系统实现 部分采用厚钢板作为基体，这样才能保证足够的强度而且不容易变形。 ( 2 ) 设备的工作环境条件主要指环境气候条件，机械作用力条件，化学物理 条件( 如金属的腐蚀、非金属的老化) 和电磁污染条件( 各种干扰信号的浸入和辐射) 。 由于本实验系统中的电磁铁的铁芯是软铁、导轨和连接部分是钢板，很容易 生锈，故应保证实验环境的干爽，并上漆。直线电机部分和混合悬浮系统之间用 导磁材料隔离吸收漏磁，保证两者之间在工作时各自的磁场不受影响。 ( 3 ) 设备的使用要求主要包括设备的体积、重量、操作控制和维护的要求。 在满足实验装置有足够稳定性的前提下，整个装置的体积应尽可能小。更重要的 是考虑到操作维修的方便，实验装置采用了分离体系的设计，若其中某一部分发 生故障，可以单独进行维修，并且还减少了各部件间的相互干扰。 在直线电机动态性能测试平台的结构设计过程中，综合了考虑以上几点，最 后的平台设计如下： 测试平台的机械结构主要由以下几部分组成：轨道、直线电机小车、直线电 机初级与次级、气隙与位置传感器、支架。测试平台的机械结构原理图如下： 1 4 1 6 、 iil i 、k 5 4 、 i ti i i 、j 一 6 7 1 5 1 2 叶6 m m c 1 3 冈i 一 。 、8 图2 a 测试平台机械结构原理图 f i g u r e 2 4m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f t e s t i n gp l a t f o r m 图中：1 - - 顶板，2 保护板，3 - - - 连接板，4 - - 单边型l i m 次级，5 位置传感 器，6 一单边型l i m 初级，7 一支撑板，8 一电磁铁，9 - - - 连接柱，l o 纯铁铁芯、 l l 一永久磁铁，1 2 一底座，1 3 一气隙传感器，1 4 一支架，1 5 悬浮气隙，1 6 - - - 直 线电机气隙。 测试平台整体尺寸为长一1 3 0 0 r a m ，商一1 2 0 0 m m ，宽一3 0 0 m m 。连接装置均 采用厚钢板，导轨与磁悬浮小车的结构示意图如图2 5 、2 6 所示。混合磁铁采用 电磁铁与永久磁铁相结合的形式，共两套，每套由一块永久磁铁、两块d t e 4 的电工纯铁和匝数为1 6 0 0 匝的电磁铁组成，实物图如图2 7 所示。所选直线电机 为扁平型单边短初级l i m ，型号为：x y l 8 0 9 _ - 4 5 a l 3 ，其中反应板为长1 3 0 0 m m 宽7 5 m m 的复合板，其内层( 靠近直线电机初级的一侧) 是厚度为3 m m 的铝板， 外层是厚度为8 m m 的铁板，其余参数将在下一章的直线电机数学建模中详细给出。 气隙传感器为型号为z a w - - v 2 5 r 的l e d 无接触传感器，在每一套混合磁铁安装 一台；混合磁铁为磁致伸缩位置传感器，在如图2 4 的位置与导轨平行安装。直线 电机测试平台机械结构实物图如图2 8 所示。 图2 5 导轨部分机械结构三视图 f i g u r e 2 5m e c h a n i c a ls t n l c t u r et h r e e - v i e wd i a g r a mo f g u i d er a i l 8 l l 图2 6 磁悬浮小车机械结构的三视图 f i g u r e 2 6m e c h a n i c a ls t r u c t u r et h r e c - v i c wd i a g r a mo f m a g n e t i c a l l ys u s p e n d e dm o d e lc 图2 7 混合磁铁实物图 f i g u r e 2 7m a t e r i a ld i a g r a mo f h y b j r dm a g n e t 1 3 2 3 本章小结 图2 8 测试平台实物图 f i g u r e 2 8m a t e r i a ld i a g r a mo f t e s t i n gp l a t f o r m 任何实验平台的硬件部分设计的优良与否是系统能否正常工作的前提条件，本 章着重介绍了直线电机测试平台的硬件组成及各个组成部分的详细设计过程，主 要从电气部分和机械部分两个方面来进行讨论，并经过实验加以验证该测试平 台的设计现在已申请国家级新型发明专利。本章中的硬件设计为直线电机动态性 能测试的实现打下了坚实的基础。 3s l i m 的动态模型和控制分析 本章从直线电机的结构形式和基本工作原理出发，分析了直线电机的工作原 理及其特有的边端效应，结合直线电机的电磁场分析理论，推导出了考虑纵向动 态边端效应的l i m 等效电路，并结合实际控制电机参数在基于m a t l a b 的 s i m u l i n k 下搭建了动态仿真模型，进行了仿真分析，且与实际的电机短路试验 测试数据进行对比验证其正确性。基于以上分析，本章设计了该电机的转差频率 控制仿真模型，为下一步直线电机硬件控制电路的设计提供必要的理论支持。最 后，由于直线电机的垂向力在目前的试验条件下仍无法测量，且通过涡流分析的 等效电路很难计算直线电机的垂向力，所以在本章的最后通过磁场有限元分析的 方法搭建了一个直线电机模型，仿真其垂向力，以便与将来测试平台测试数据相 比较。 3 18 llm 的结构形式和基本工作原理 可以认为直线电机是旋转电机在结构上的一种演变，它可看作是将一台旋转 电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线( 如图3 1 所示) ，这样就得到了由旋转 电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演 变而来的一侧称为次级。 图3 1 由旋转感应电机演化为l i m 过程 a ) 旋转感应电机1 3 ) l i m f i g u r e 3 1e v o l u t i o np f o c so f r o t a r yi n d u c t i o nm o t o rf o rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r a 1r o t a r yi n d u c t i o nm o t o r 1 3 ) l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 3 1 1sl i m 的结构形式 l i m 的初级铁芯由带槽的电工钢片叠成，槽内为三相绕组：次级为钢板，上 覆以一薄的铝板，上层的铝扳作为导体使用，下层的钢板作为磁路的一部分，以 减小次级的漏磁。初次级间的气隙为电磁功率交换区域。出于对安全的考虑，一 般情况下l i m 的气隙不能做得很小，一般机械气隙为3 l o m m 左右，再加上导电 材料板( 3 5 m m ) ，总的气隙为十几毫米，造成功率因数和效率下降。 为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合情况能够保持不变， 在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度。制造直线电机时，既可以是初 级短，次级长，也可以是初级长，次级短。前者称为短初级长次级，后者称为长 初级短次级。但由于短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此， 目前除特殊场合外，一般均采用短初级长次级t 2 ”。 3 1 2s l j m 基本工作原理 给直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，和旋转电机一样，它也 会产生气隙磁场。不考虑由于铁芯两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙 磁场的分布情况与旋转电机的类似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当 三相电流随时间变化时，气隙磁场按a 、b 、c 相序沿直线移动。与旋转电机不同 的是该磁场是平移的，称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定予内 圆表面上的线速度是一样的，即为v , ( m s ) ，称为同步速度，且匕2 2 f r 。 假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并 产生感应电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在该电 磁推力的作用下，如果初级固定不动，那么次级就沿着行波磁场运动的方向作直 线运动。若次级移动的速度用v 表示，转差率用s 表示，则有：s = o 。一v ) v , ， ，= ( 1 一s h ；其工作原理图如下： 斛4 镤积_ 娥 岷姒长直 、么 周期 运动方向嬲 _ i _ - 图3 2 l i m 工作原理图 f i g u r e 3 2w o r k i n gd i a g r a mo f l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 3 2 直线电机的边端效应 3 2 1 直线电机纵向边端效应分析 和旋转电机不同的是，直线电机存在着边端效应。直线电机的铁芯是长直的、 两端开断的，这是和旋转电机在结构上不同的地方。由于铁芯及安置于其槽中的 绕组在两端不连续，所以各相之间的互感不相等，即使在初级绕组中供给三相对 称的交流电压，在各相绕组中也将产生不对称的电流。利用对称分量法可以把它 们分解成正序、负序和零序电流，对应于这三种电流的将有三类磁场，即正序正 向行波磁场、负序反向行波磁场和零序脉振磁场。后两类磁场在次级运行的过程 中将产生阻力和增加附加损耗，严重影响直线电机的性能和要求指标。这种由于 铁芯两端开断所引起的各相绕组互感不相等以及反向磁场、脉振磁场的存在称为 l i m 的静态纵向边端效应。l i m 的极数、边缘齿宽、初级绕组形式、初级绕组的 连接方式和气隙大小、纵向边缘扩散磁场等都影响l i m 的静态纵向边端效应。为 此要对l i m 进行合理设计，以减小静态纵向边端效应的影响，以下是直线电机静 态边端效应的改善方法【2 9 1 ： ( 1 ) 极数越多，由静态纵向边端效应产生的脉振磁场越小，增加电机的极数会 1 7 减小互感之间的不对称。当极数等于或大于6 时，就可认为零序和负序电 流与正序电流相比足够小而可以忽略，因此l i m 一般选用较多的极数。 ( 2 ) l i m 的纵向边缘齿宽也对脉振磁场的大小有影响，半齿宽优于全齿宽，因 而在设计直线异步电机时，在机械强度允许的情况下，其纵向边缘齿宽应 尽可能接近半齿宽。 ( 3 ) 从削弱脉振磁场的大小出发，双层有补偿绕组要优于双层无补偿绕组，即 在l i m 的设计中，选用双层绕组时，通过加补偿绕组可以削弱静态纵向 边端效应产生的影响。 ( 4 ) 同样极数的l i m ，初级绕组y 形联接时，静态纵向边端效应对气隙磁场 的影响要小于形联接时的情况。 直线电机的初级相对于次级移动，在入口端和出口端，次级里的感应电势和 感应电流，造成气隙磁密畸变使电机性能恶化( 图3 3 ) ，称为动态纵向边端效应。 对于动态纵向边端效应对直线电机的影响，我们可以按照动态纵向边端效应所产 生的附加损耗和附加力对应的有效功率，而改变传统旋转感应电机等效电路图来 表示，如图3 4 就是一种典型的等效形式，具体等效电路参数的设计将在下一节中 详细介绍。 图3 3 气隙磁密畸变 f i g u x e 3 3g a pm a g n e t i cd i s t o r t i o n 孚吩 图3 a 考虑纵向动态边端效应的直线电机等效电路 f i g u r e 3 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f l i n e a ri n d u c t i o nm o t o rc o n s i d e r i n g l o n g i t u d i n a ld y n a m i ce d g ee f f e c t 3 2 2l i m 的横向边端效应 l i m 的初级和次级宽度都是有限的( 一般情况下次级比初级宽一些) ，在这种有 限宽的情况下，次级电流及次级板对气隙磁场均会产生影响，从而影响l i m 的性能 和要求指标，这种影响称为l i m 的横向边端效应。从次级电流路径图上可以看出， 次级电流有纵向分量，和横向分量，v o 次级电流的纵向分量是产生l i m 的横向边 端效应的主要来源。可见初级和次级宽度相等的l 1 m 的横向边端效应比次级较初级 宽的l i m 的横向边端效应要大一些。由电磁场分析可知。横向边端效应对l i m 的主 要影响可以近似认为仅使l 1 m 的次级电阻率有所增加。即可认为l i m 没有横向边端 效应，而只是它的次级电阻率增大了一些。在进行定量计算时，只要把次级电阻 率乘以一个恰当的修正系数墨，就可以了。其中的修正系数墨。可以近似用下述 公式来表示： 疋= 1 t a n h ( # t j 2 r ) 1 - 瓦t ；百k _ = = 万面_ t 式中：c 一次级导体片单边伸出初级铁心的宽度( c m ) ；初级铁心叠厚( c m ) ； f 一直线电机极距( c n l ) 。 一般的，根据经验公式当直线电机的次级宽度与初级宽度比大于# r 时，可 以忽略直线电机的横向边端效应，本测试平台中用到的直线电机次级与初级宽度 比大于该值，所以在接下来直线电机控制规律的设计中不考虑电机的横向边端效 1 9 扯塞銮煎太堂亟堂位：l 金塞 应【3 0 j 。 3 3l l m 的数学建模 由于l i m 结构上的特殊性，使得电机会产生各类边端效应。其中l i m 的纵向 动态边端效应对电机的动态性能影响尤为重要，其产生的附加电流会使直线电机 的损耗增加，功率因数降低，出力减少等，对直线电机的动态性能有很大的影响。 因此，要想精确的控制一台直线电机，必须要分析其动态边端效应，即建立考虑 纵向动态边端效应的等效电路，这是我们研究直线电机控制的基础也是一个难点。 目前国内外在建立考虑直线电机动态边端效应的等效电路方法很多，可谓是五花 八门，各显神通。作者通过大量的查阅资料并结合自己的理解，归纳出主要有以 下方法： 1 、首先在不考虑边端效应的情况下通过参数估算的方法建立类似与旋转电机 的等效电路然后通过涡流分析或磁场有限元分析等多种方法，量化l i m 的边端效 应，来修正在不考虑边端效应的等效电路，一般是在原电路上的某些电感或电阻 上乘上一修正系数或干脆串联或并联上一些电阻、电感回路； 2 、直接通过磁场分析，分析直线电机在不同速度下的特性曲线，用参数拟合 的方法得出l i m 等效电路。 本节将首先采用第一种方法，通过参数估算的方法建立直线电机不考虑边端 效应的等效电路，然后通过涡流损耗分析的方法来修正其等效电路，并在下一节 中搭建在s i m u l i n k 下的数学模型，仿真其在不控状态下的输出特性，验证其正 确性，在验证所搭建模型正确性后，设计用于控制该l 1 m 转差频率控制器。 3 3 1 l i m 等效电路的参数估算 l i m 等效电路的参数估算即估算如图3 5 所示的等效电路中的参数，所用的直 线电机模型如图3 6 所示【3 1 】。 图3 5 不考虑边端效应的直线电机等效电路 f i g u r e 3 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f l i n e a ri n d u c t i o nm o t o rw i t h o u tc o n s i d e r i n ge d g ee f f e c t 二j 1 = o o , c v 3 = o