（电机与电器专业论文）常导磁悬浮列车的悬浮驱动及其控制研究.pdf

关键词：磁悬浮，直线同步电机，有限元，串级控制，交结构控制a n a l ：y s l so fe m sm a g l e vs u s p e n d i n g ，d r i v i n ga n dc o n t r o l i n ga b s t r a c tt h i st h e s i sp r o g r e s s e sw i t ht h em a g l e vp r o j e c ti ns h a n g h a i 驱动t h ew o r ki sf o c u s e do h t h ea n a l y s i so ft 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 cl e v i t a t i o n ( e m s m a g l e v ) t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h eo n g o i n gp r a c t i c a lp r o j e c ta n du s e da st h et l l e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ea s s i m i l a t i o no ft h i st e c h n o l o g y t e c h n i c a lm a t e r i a l so ft h eg e r m a nt r 0 7a r ec o l l e c t e df o rt h ea n a l y s i sa n dv a l i d a t i o n w em a i n l yd i s c u s s e dt h eb a s i cs t r u c t u r ed e s i g no fl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( l s m ) ，e l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s ，b a s i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n s ，n u m e r i c a la n a l y s i so fl e v i t a t i o nf o r c ea n dp r o p u l s i o nf o r c e ，a n df u n d a m e n t a lc o n t r o ls t r a t e g i e s l s mi st h ek e yt e c h n o l o g yo fm a g l e v f i e l da n dr o u t em e t h o d sa r ec o m b i n e df o rt h ea c c u r a c y s o m eb a s i cp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d t h eb a s i ct h e o r yo f t h eg e n e r a t o ri nl s mi sa l s od i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so f f e rg o o dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ep r a c t i c a ls y s t e m w ef o c u s e do nt h ea i rg a pc o n t r o lo fm a g l e v w eo f f e r e ds e r i a lc o n t r o la n dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lb a s e do nt h em a t , e r i a l sa v a i l a b l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e i rs t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s s i n c em a g l e vv e h i c l ei sav e r yc o m p l i c a t e ds y s t e mf o ri t si n t e g r a t i o no fe x t e n s i v et e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e ra i m sa tap r e p a r a t i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ew h o l es y s t e m ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h el a t e ri n d e p t hr e s e a r c h k e yw o r d s ：m a g l e v , l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r , f e m ，s e r i a lc o n t r o l ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r q li i关键词：磁悬浮，直线同步电机，有限元，串级控制，交结构控制a n a l ：y s l so fe m sm a g l e vs u s p e n d i n g ，d r i v i n ga n dc o n t r o l i n ga b s t r a c tt h i st h e s i sp r o g r e s s e sw i t ht h em a g l e vp r o j e c ti ns h a n g h a i 驱动t h ew o r ki sf o c u s e do h t h ea n a l y s i so ft 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 cl e v i t a t i o n ( e m s m a g l e v ) t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h eo n g o i n gp r a c t i c a lp r o j e c ta n du s e da st h et l l e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ea s s i m i l a t i o no ft h i st e c h n o l o g y t e c h n i c a lm a t e r i a l so ft h eg e r m a nt r 0 7a r ec o l l e c t e df o rt h ea n a l y s i sa n dv a l i d a t i o n w em a i n l yd i s c u s s e dt h eb a s i cs t r u c t u r ed e s i g no fl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( l s m ) ，e l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s ，b a s i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n s ，n u m e r i c a la n a l y s i so fl e v i t a t i o nf o r c ea n dp r o p u l s i o nf o r c e ，a n df u n d a m e n t a lc o n t r o ls t r a t e g i e s l s mi st h ek e yt e c h n o l o g yo fm a g l e v f i e l da n dr o u t em e t h o d sa r ec o m b i n e df o rt h ea c c u r a c y s o m eb a s i cp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d t h eb a s i ct h e o r yo f t h eg e n e r a t o ri nl s mi sa l s od i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so f f e rg o o dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ep r a c t i c a ls y s t e m w ef o c u s e do nt h ea i rg a pc o n t r o lo fm a g l e v w eo f f e r e ds e r i a lc o n t r o la n dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lb a s e do nt h em a t , e r i a l sa v a i l a b l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e i rs t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s s i n c em a g l e vv e h i c l ei sav e r yc o m p l i c a t e ds y s t e mf o ri t si n t e g r a t i o no fe x t e n s i v et e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e ra i m sa tap r e p a r a t i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ew h o l es y s t e m ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h el a t e ri n d e p t hr e s e a r c h k e yw o r d s ：m a g l e v , l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r , f e m ，s e r i a lc o n t r o l ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r q li i符号说明a ：初级铁心轴向长a ：矢量磁位b ：磁通密度d ：电位移( 矢量)f ：频率e ：电场强度( 矢量)f ，：推力f ，：悬浮力g 。：气隙函数h ：磁场强度i ：电流有效值i ：电流瞬时值i 。：电枢电流直轴分量i q ：电枢电流交轴分量j ：电流密度k ：绕组系数n ：线圈匝数p ：极对数p ：功率r ：电阻u ：电压v ：速度，线速度w ：能量，功) ( - ：励磁电抗k ：励磁电抗直轴分量k ：励磁电抗交轴分量x 。：初级漏抗) ( d ：直轴电抗x 。：交轴电抗t ：极距u ：角频率u 。：真空磁导率“。：材料相对磁导率6 ：气隙，功率角n ：效率口：功率因数角，标量电位妒：标量磁位口：电导率，：磁阻率e m s ：电磁悬浮，e l e c t r om a g n e t i cs u s p e n s i o ne d s ：电动悬浮。e l e c t r od y n a m i cs u s p e n s i o n上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：咖雳虹1日期：俨乙年月1 扣上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文o 、保密叫，在三年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密- j 。( 请在以上方框内打“4 ”)学位论文作者签名：湘p 久日期：砂。1 ，年f 月z 罾日指导教师签名：删日期：勋n 年月1 ，胡上海交通大学碗士学位论文常导磁悉浮翻车的悬浮驱动及其控翻研究第一章前言中德“上海磁悬浮列车工程设备供货及服务合同”在2 0 0 1 年1 月2 3 日签字，合同的签订标志着上海磁悬浮列车工程正式启动。按照计划，第一列磁悬浮将在2 0 0 3 年初在上海出现，磁悬浮列车运行将从浦东地铁二号线一端的龙阳路到浦东国际机场，全长3 3 公里，双线行驶，设计最大时速为4 5 0 公里，单向运行时间8 分钟，估计单程票价为5 0 元。上海磁悬浮快速列车工程既是一条浦东国际机场与市区连接的高速交通线，又是一条旅游观光线，还是一条展示高科技成果的示范运行线。它的建成将大大缩短市区到浦东国际机场的旅途时间，并为上海再增添一道亮丽的风景线。1 1 磁悬浮列车发展简史及其特点磁悬浮技术的研究源于德国，早在1 9 2 2 年h e r m a n nk e m p e r 先生就提出了电磁悬浮原理，并于1 9 3 4 年申请了磁浮列车的专利。进入7 0 年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时3 5 0 公里左右，要想超越这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但都未取得大的进展，目前只有德国和日本在持续多年进行磁悬浮系统的研究之后，取得了令世人瞩目的进展。磁浮列车从原理上可分为两种。一种是电磁型( e 骼，e l e c t r om a g n e t i cs u s p e n s i o n ) ，也称吸力型、常导型。另一种是电动型( e d s ，e l e c t r od y n a m i cs u s p e n s i o n ) ，也称斥力型、超导型。电磁型列车在车体内装有电磁铁，路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大小根据阳j 隙传感器的信号进行调节，使车体与路轨间保持一定距离。悬浮力的大小与车速无关，任何车速时均能保持稳定的悬浮力。悬浮气隙较小，约l 厘米。出于安全考虑，设有应急备用车轮。车身前进的动力由直线感应电机或直线同步电机提供( 也可用喷气推进) 。它的悬浮和推进系统消耗的功率很小，一般为1千瓦吨。结构、材料简单，但车体较重。电动型列车在车体内安装有超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的短路铝环。当超导线圈内通电时就产生强磁场，在列车以一定速度前进时，该强磁场就在路轨的铝环内产生感应电流，两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大这个排上海交通大学碗士学位论文窜导磁悬浮硼车曲悬浮驱动及其控锚研究斥力就愈大，当速度超过一定值( 时速8 0 公里以上) 时列车就脱离路轨表面，最大距离可达数十厘米以上。其悬浮是自稳定的，无须加任何主动控制；由于采用大气隙悬浮，即使车体有稍许不平衡，或车体与轨道有些许对不准，或轨道上有冰雪之类杂物，均不会影响列车运行的安全性。采用超导线圈虽可减轻线圈结构的重量，但却要增设超导所需的致冷系统，致冷电源也增加了功耗。这种结构的磁场若不加屏蔽，会增加环境的电磁污染。在低速行驶时，列车还需轮轨系统支撑，侧向稳定也要另加控制设备。除电磁型、电动型之外，还有永磁式半悬浮型、推力与悬浮结合型的磁浮列车。磁悬浮列车由于实现了磁悬浮，车身与轨道脱离接触，因而产生一系列优点：首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在1 8 2 5 年，经过1 4 0 年努力，其运营速度才突破2 0 0 公里小时，由2 0 0 公里小时到3 0 0 公里小时又花了近3 0 年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难很大。还应注意到轮轨铁路提高速度的代价是很高的，3 0 0 公里小时高速铁路的造价比2 0 0 公里小时的准高速铁路高近两倍，比1 2 0 公里小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。目前磁悬浮技术已经成熟，可进入5 0 0 公里小时实用运营的建造阶段。第二，磁悬浮列车是当今唯一能达到运营速度5 0 0 公里小时的地面客运交通工具，具有不可取代的优越性。对於客运来说，提高速度的主要目的在於缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，3 0 0 公里小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于7 0 0 公里时才优越。而5 0 0 公里小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1 5 0 0 公里以上。上述观点己为近年来国际高速轮轨交通的实践所证实。国际上2 5 0 3 0 0 公里每小时的高速轮轨铁路迄今共有1 3 条运营，总长4 3 6 9 公里。除日本东京一博多全长1 0 6 9 公里外，其它均小於6 0 0 公里。日本各种交通工具市场占有率与旅行距离间的关系表明，2 5 0 公里小时的新干高速轮轨铁路，随旅行距离的增加，其市场占有率迅速上升，在约8 0 0 公里时达到约7 0 的峰值。距离继续增大，由於旅客更多选择了飞机，占有率急剧下降，1 2 0 0 公里时降到约3 0 。上海交通_ 大学碗士学位论文第三，能耗低。它在5 0 0 公里小时速度下每座位公里的能耗仅为飞机的l 3 至1 2 ，比汽车小3 0 。在3 0 0 公里小时的相同速度下，德国t r 磁浮列车每座位公里能耗比i c e l 在3 0 0 公里小时速度时相当。第四，噪音小。实测表明，列车通过时2 5 米距离处的噪音，在3 0 0 公里小时速度时，德国t r 列车为7 9 分贝，i c e i 列车为9 1 分贝。启动停车快，爬坡能力强，选择自由度较大是高速磁悬浮的第五大优点。德国t r o t 磁浮列车启动5 0 秒後( 行程2 公里) ，时速可达2 0 0 公里小时，i 0 0 秒後( 4 8 公里) 达3 0 0 公里小时，1 5 0 秒後( 9 6 公里) 达4 0 0 公里小时：i c e轮轨高速在1 5 0 秒後( 行程5 公里) 达2 0 0 公里小时。已经证明，磁浮列车爬坡能力可达i 0 0 ，而轮轨高速为4 0 ，在同等速度下，磁悬浮列车转弯半径小，从而其选择自由度较大，这意味着线路可较短、少占地面、耕地，降低总投资。磁悬浮列车与轮轨列车相比还有安全、舒适，维修少的优势。磁浮列车在结构上保证不易脱轨，推进方式保证不易撞车。磁悬浮列车没有车轮和铁轨的接触以及与受电弓的机械接触，震动小，舒适性好，其工作属於无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动。第七大优点是，磁悬浮列车采用电力驱动，不需燃油，这使它的发展不受能源结构，特别是燃油供应的限制；同时，无有害气体排放，环境污染小。当然，磁悬浮列车技术还处在发展中，与国际上已建成总长4 3 6 9 公里、运营已有三十多年经验的高速轮轨铁路相比，高速磁悬浮列车在技术成熟性和建设运营经验上还有明显差距。比如，作为种新型交通工具，高速磁悬浮列车与轮轨铁路只能像汽车、飞机、轮船一样通过换乘来兼容；同时，高速磁悬浮的道岔要移动地面线圈系统，其成网要比轮轨铁路困难一些；在运量方面，从目前日本高速磁悬浮的运量目标看，单向i 0 0 0 0 人小时，似乎还不大；等等。这是任何一种新技术与传统技术比较时通常遇到的情况。至於投资，有人认为它需要的投资较大，也是与高速轮轨铁路相比的一个弱势。实际上，高速磁悬浮的投资的确比高速轮轨铁路高1 2 一1 5 倍，但前者的速度却比後者要高出5 0 一7 0 ，这样比较起来，其实是一个优点。随着产业发展与经验的积累，其降低投资的可能性与幅度可能远大於高速轮轨。1 2 德日两国的实用化研究水平德国是最早开始研究磁浮列车技术的国家，其研究主要集中在e m s 型磁浮列车技术上，目前在技术上占有优势。它的e m s 型磁浮列车发展计划称为- k 海交通太学硕士学位论文t r a s p a i d ，相应的车型均用t r 加编号命名。目前t r 系列已发展到t r 0 7 ( 其中t r 0 3 是气垫车) ，t r 0 4 以前的曾用火箭推进，从t r 0 5 开始改用直线同步电机驱动。目前的t r 0 7 ，它是t r 0 6 的改进型，1 9 8 8 年投入试运行。到1 9 8 9 年底，包括商业运行在内共试运行1 2 万公里，软硬件耐久试验达5 万小时，在隧道进行了各种雷击试验。德国在1 9 6 9 年研制一台重8 0 公斤的磁悬浮列车实验室原理模型，简称t r o i 。7 0 年代初，德国k r u s s - - m a f f e i 公司，在t r o i 的基础上，又发展了t r 0 2 ( 1 9 7 1 ) 和t r 0 4 ( 1 9 7 4 ) 。这个时期，人们认为既然磁悬浮列车不与轨道发生机械接触，那么它的运行就应该和飞机一样，因而人们就用刚体自由运动的飞行器概念来设计磁浮列车系统。但是，电磁铁的运动是受到轨道的严格约束的。如果把车体作为整个刚体，导致了很多问题，例如，高速时的激烈震动。明确上述问题后，德国提出了以“磁轮”概念为基础的分层递阶的系统结构概念，并研制了实验系统k o m e t ，验证了这种机械解耦系统的必要性和可行性。采用磁轮结构构造的t r 0 5 在1 9 7 9 年的汉堡国际交通博览会上接待了约五万人的乘坐，这是国际上公认的第一辆磁浮列车。以后，又继续发展了t r 0 6 经过实用技术的改进，车辆可靠性进一步提高，相继推出了t r 0 7 和t r 0 8 。它们基本相似，主要区别在于t r 0 8 通过模块化部件，强化系统的标准化，为制造，安装，维修提供了方便，同时改善气动力外形，减少阻力和噪声，涡流应急制动可使车速降至1 0 公里小时。日本一直致力于发展超导电动式磁悬浮列车，认为悬浮气隙1 c m 的常导吸引式不能用于多地震的日本。日本国有铁路( j n r ) 于6 0 年代中期就起步研究e d s型。1 9 7 2 年研制成的m l l 0 0 是世界上第台e d s 型磁浮列车。1 9 7 9 年又研制成功m l 5 0 0 。日本在引进德国的t r 0 4 技术后，发展了h s s t o l 磁浮列车，在磁浮概念上也经历了同样的转变。后来，他们研制了h s s t 0 2 ，固定电磁铁的车厢底板采用柔性结构，也就是个电磁铁之间的连接是柔性的，相对之间可以有一定的弹性变形，这样，电磁铁之间的耦合要减弱许多，但在时速1 0 0 公里时，仍然有明显震动。在磁力作用原理上，日本采用的是超导技术，与德国的常导磁浮技术有着较大区别。其车体在电磁力作用下，可产生1 0 厘米的悬浮气隙。在实验线建设上，日本先后于1 9 7 7 年和1 9 9 0 年始建宫崎和山梨实验线，并在1 9 7 9 年就获得了5 1 7 公里d , 时的当时世界纪录：1 9 9 7 年1 2 月1 2 日，实现了5 3 1 公里小时的人工驾驶运行速度：1 9 9 9 年1 1 月1 6 日，错车速度达1 0 0 3 公里d , 时的高速错车实验也获得了成功。1 3 我国的研究发展现状上海交避大学硕士学位论文常导磁悬浮鳓车的悬浮驱动捷其拉铷研究目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过铁科院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。继1 9 9 4 年西南交大成功地进行了4 个座位、自重4 吨、悬浮高度为8 毫米、时速为3 0 公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6 5 米、宽为3 米、自重4 吨、内设1 5 个座位的6 吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2 米、长3 6 米、设计时速为1 0 0 公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1 9 9 8 年1 2 月通过了铁道部科技成果鉴定。6 吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。西南交大超导技术研究所研制的世界上第一台载人高温超导磁悬浮试验车“世纪号”，今年年初在西南交大正式通过了国家超导技术专家委员会专家组的验收。这是全球目前仅有的一台高温超导磁悬浮试验车，被列为“8 6 3 ”课题进行研究。载人“高温超导磁浮列车实验车”可载5 人，其永磁导轨长1 5 5 米，最大悬浮重量达7 0 0 公斤。该车悬浮稳定性好，悬浮刚度高，低温系统连续工作可超过6 小时。这是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人“高温超导磁悬浮实验车”。我国九十年代初正式将“中低速磁悬浮列车关键技术研究”列入“八五”国家重点攻关计划，其中其核心技术悬浮及控制技术的研究，已经由国防科技大学完成，并于19 95 年首次成功实现了全尺寸单转向架的载人运行。2 0 0 1年0 9 月2 6 日，中国首辆实用型磁悬浮列车在长沙通过了国内最长的2 0 4 米列车试验线严格考验。该磁悬浮列车采用全新的外形曲线，流线型子弹头前围。车长1 5 米，宽3 米，空重2 0 吨，内设4 4 个座位，可载负1 0 0 人，最大载重量为1 6吨，设计时速1 5 0 公里小时，试验时速8 0 公里小时，车身采用全铝合金结构，外蒙为玻璃钢材料，车内设有空调暖气等。整车四转向架的悬浮、推进、爬坡、制动、加载等试验已全部完成，各项测试指标达到设计要求。今天，上海的磁浮运营线的建立必将使上海成为中国磁悬浮的研发中心。与国外开展合作，自主攻关，建立我国的磁悬浮运输体系，先建立营运实验线，不失是一个磁悬浮列车发展正确方向。以工程推动项目发展，可以带动我国冶金、机电、信息、铁道、车辆诸多行业的科技进步。同时也可以取得营运经验，为扩大应用范围创造物质条件。国家科技部及上海市科委都已将高速磁悬浮列车列入十五重大科技攻关项目，要求在消化吸收引进技术的基础上发展创新。我们立足于目前上海建造的磁悬浮列车原型t r 0 7 的技术参数为背景，对其关键技术之一的直线同步电机展开了预研工作，为其深入研究作理论上的铺垫。上海交进大学硕士学位论文常导疆悬浮列车的悬浮驱动及其控翱研究第二章磁悬浮基本工作原理概述根据磁悬浮列车上电磁铁的使用方式，磁悬浮铁路的基本制造方式可分为两大类，即：常导磁吸式( e l e c t r om a g n e t i cs u s p e n s i o n ) ，简称e m s ；和超导磁斥式( e l e c t r od y n a m i cs u s p e n s i o n ) ，简称e d s 。两种制式的基本结构和工作原理互不相同。下面就悬浮、导向和推进三个主要部分，分别加以叙述和比较。1 1 悬浮原理常导磁吸式( e m s ) ，是利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁( 悬浮电磁铁) ，和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起( 见图2 - i ) ，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，以及使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，才能使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持l o毫米左右的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。图2 1 常导磁悬浮支撑导向原理图超导磁斥式( e d s ) ，此种形式在车辆底部安装超导磁体( 放在液态氦储存槽内) ，在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈( 超导磁体)通电流，产生强磁场，地上线圈( 铝环) 与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。6上海交避大学硕士学位论文常导罐悬浮剪j 车的悬浮驱动及其控翻研究当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起来。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体，与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动来产生悬浮力，将车体抬起来的( 如图2 2 所示) 。； 磊蠢訾；l j 霉；亚；i 2 ) 奄图2 - 2 超导悬浮原理2 2 导向原理普通铁路列车的导向是靠车轮轮缘与钢轨之间相互作用实现的，而磁悬浮列车是利用电磁力的作用进行导向的。现在按常导磁吸式和超导磁斥式两种情况简述如下。1 常导磁吸式的导向系统，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。当车辆运行发生左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生种排斥力，使车辆恢复到正常位置，和导向轨侧面之间保持一定的间隙。当车辆的运行状态发生变化时，例如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的( 悬浮导向电磁铁结构如图3 3 ) 。瘦格型磁j 孚列车薏j 学示意圈以德防r 景别为学 固定在车体上的惫弹电避坎通电时，产生悬浮碰_ l ；，该磁场与固定在路轨土电磁导轨f 用铁碰材料制遗) 问，因电磁稿应产生吸力t 由下商上 自丹辜体车体与路孰问空豫的矩离，可通过调节悬浮碰缺毫流的太小来控制c 运蔫鍪一套自动控者螺统) 同样，通过倒向电碰钦f 在车体上) 与捌向导轨( 在路轨上) ，可在侧由保持车体与路轨阍的安垒越高这样，车体便稳定地悬浮在路上匿中定子部件是馆推进甩的图2 - 3 悬浮、导向电磁铁的设置上海交通大学碗士学位论文2 超导磁斥式的导向系统，可以采用以下三种方式构成：( 1 ) 在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之与导向轨侧面相互作用( 滚动摩擦) 以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。( 2 ) 在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力强平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。( 3 ) 利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。即沿线路中心线均匀地铺设“8 ”字形的封闭线圈，当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零：而当列车产生侧向位移时，“8 ”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。2 1 3 推进原理磁悬浮列车由于悬浮起一定的高度，使车轮与钢轨脱离，故不能依靠它们之间的摩擦力产生牵引力使车辆前进，而是采用直线电动机推进作为列车的牵引动力。直线电机是从旋转电机演变而来的。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，就如同将旋转电机沿半径方向切开展平而成。于是，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。由于技术、安全和经济等方面的原因，特别是轮轨间粘着条件的限制，近代高速轮轨接触式传动系统，已经达到了最大的限制速度。2 0 世纪初，许多发达国家均在探索取代传统的接触传动的新途径，纷纷开展了对直线电机的研究。直线电机最主要的优点是：结构简单，运行可靠，灵活性，适应性强，不受离心力限制以及无噪音、无振动等。高速列车上采用的直线电机，按“定子”和“转子”的设置位置分为两种基本形式：1 长转子、短定子。这种电机的“定子”安装在车辆的底部，“转子”线圈安装在轨道上；2 长定子、短转子。这种方式是将电机的“转子”线圈安装在车辆上，“定子”线圈安装在轨道上。直线电机的推进原理是：当“定子”线圈接通电流后，产生磁场，沿轨道方向移动，“转子”线圈切割磁场产生电流( 或给“转子”线圈通电流) ，“转子”上海变通大学硬士学证论文零导硪悬浮刊车的悬浮驱动及其控错研究线圈在“定子”磁场中受电磁力作用，使“定子”和“转子”之间产生相对直线运动，推动列车前进。推进力的大小取决于“定子”磁场的强度、“转子”线圈的电流以及线圈的长度。直线电机既然是从旋转电机演变而来，自然也有直线同步电机和直线异步电机之分。在磁悬浮铁路上，直线电机的固定部分只能设置在地面上，运动部分放置在车辆上。其运动部分是“转子”还是“定子”，要根据不同形式的直线电机而定。在实际应用中，直线电机的“定子”和“转子”不可能完全相等，因为在相等的情况下，在列车行进过程中，其相互的电磁耦合部分会越来越小，影响正常运行。必须将“定子”和“转子”做成长短不等，使长的那一级尽可能地长，才能保证在所需行程范围内，得到尽可能满意的电磁耦合状态，从而获得最大的推进力。一些研究磁悬浮列车起步较旱、进展较快的国家。对这两种形式的直线电机都进行了研究，根据不同的悬浮方式，采用不同的直线电机，投入实用阶段。对于低速常导磁吸式磁悬浮列车，一般采用直线异步电机。在磁悬浮列车上安装三相电枢绕组，在轨道上安装垂直的铝制感应轨。这种方式结构比较简单，容易维护，造价低，投入实用时间短，适用于中低速运输系统；主要缺点是功率偏低，不利于高速运行。随着超导技术发展，直线同步电机被提到了应用日程。在超导磁斥式磁悬浮铁路上多采用直线同步电机。处于超导状态下的导体一旦有电流通过，理论上即可保持永久通电状态，无需再继续供电。其超导电磁体安装在车辆上，在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。当磁悬浮列车上的超导电磁体通过地面闭路线圈或非磁性金属板时，由于电磁感应而出现的两者之间的排斥力使车体浮起。同时作为磁浮装置的超导电磁线圈的采用，为直线同步电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统，或者同线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用，其线圈设置方式如图3 - 4 所示。其系统原理如图：3 - 5 所示。越杼矗向图2 , - 4 零磁通超导电磁线圈原理图9上海交通大学硬士学位论文常导戳器浮硼车昀悬浮驱动及其控翻研究图2 - 5 超导磁悬浮系统原理图直线同步电机与异步电机相比，电动机的功率因数提高了。又由于许多设备移到地面上，线路上的设备和造价增加了，但车辆设计可以大大简化，故在超导磁悬浮铁路上均采用直线同步电机。以上简单地阐述了磁悬浮铁路的基本制式和工作原理，两种制式各有特点，各国均根据自己不同的国情和条件加以运用。常导磁吸式( e m s ) 不用超导技术，配备以直线感应电机，成本较低，主要适用于中、低速城市运输及近郊运输。德国经过多年的试验与比较，最后决定只发展造价低、技术简单的常导磁吸式悬浮系统。其中t r 型高速车和如今已经投入试运行的t r a n s r a p i d 型磁悬浮列车，就属于这种形式，但它采用了同步直线电机以适应高速运行。日本的h s s t 型磁悬浮列车也采用这种形式。超导磁斥式( e d s ) ，则具有重量轻、功率大、速度高的特点，但技术上相对复杂、造价较高，适用于高速和超高速磁悬浮铁路。然而，在当今超导技术迅速发展的情况下，这种形式具有十分诱人的前景，日本根据本国的实际需要决定发展这种磁悬浮系统。1 0上海交通大学硕士学位论文常导磁悬浮判车的悬浮驱动及其控翻研究第三章直线同步电机分析直线电机是一种利用电能直接产生直线运动的电机。这种电机早在十九世纪就有人提出，但是，最近十几年来才真正被开发、应用在工业生产中，形成了产品和商品尽管在现实生活中，存在着许多需要直线运动的场合，但是这些直线运动驱动源，几乎全部采用技术上早已经成熟的旋转电机。过去很长时期以来直线电机之所以没有制造出象旋转电机那样经得起时间考验的产品来，除了直线电机本身在理论上和技术上不够完善外，主要是因为没有充分发挥它的长处，避免和克服它的短处。直线电机的发展和应用的实践表明：直线电机只有向着其它驱动装置( 包括旋转电机在内) 所不能满足的，或者使用旋转电机有困难，经济上不合算的领域发展，才能够找到直线电机独特的应用领域和优秀的应用机型。1 1 直线电机的基本结构特点近几十年，直线同步电动机逐渐引起各国学者的重视，这主要是因为异步工作方式的效率低下及同步运行的优点所决定的。直线同步电动机的历史可以追溯到1 9 5 3 年，h k e n p e r 为4 0 t 重的车辆设计了同步推动和悬浮系统，车辆可以运行到2 5 0 k m h ，此直线同步电动机系统具有8 0 0 0 0 n 的推力和9 8 的效率。直线同步电动机可以分为铁心式和空心式两类。铁心式直线同步电动机可以有多种结构型式。直流磁场的激磁方式可以是常导式的，也可以由超导体激磁绕组来激磁。最普通的直线同步电动机是凸极直线同步电动机，结构原理如图3 - 1 所示，其直流激磁绕组由车上的电源供给，地面上铺设由地面电源供电的三相绕组，直线同步电动机的这种结构与直线感应电动机相比最大的优点是直流电激磁，因而提高了功率因数，而三相绕组的激磁，功率因数较低，最大的缺点是三相绕组导致了轨道成本的增加。为了减少供电费用，三相绕组通常采用分段式的供电方式。德国e m s l a n d 和日本的m i y a z a k 所建造的磁悬浮列车采用的都是这种型式的直线同步电机。图3 1德国t r 0 7 常导磁悬浮直线同步电机的纵向剖面原理图( 一对极) 1 ，2 ，3 ：地上电枢绕组：4 ：车载激磁线圈上海交通大学硕士学位论文另外几种结构型式的直线同步电动机如图3 - 2 ，图3 3 ，图3 - 4 所示。在这几种结构中，直流激磁绕组合多相绕组都放在车上，而轨道上没有绕组。图3 2 为变极式直线同步电动机，其轨道导磁条左右交替地放在纵向中心线两侧，因此从铁心臂交替流过正向或反向磁通。铁心的中心臂绕有多相绕组并与反应轨相作用而产生推力。图3 3 ，图3 - 4 是同极式直线同步电机，前者其实是后者的一个横向磁通结构型式的变种。在这种结构中，初级的两个臂由两个直流绕组激磁，一个产生n 极，一个产生s 极。左臂上的多相绕组在运动时交替感受磁场的强弱变化。图3 5 是锯齿型直线同步电机。图图3 3 同极式直线同步图3 4 同极式直线同步电机图3 5 锯齿型直线同步电机在直线同步电机中，三相交流绕组不带铁心也有相当的优势，因此产生了空心式直线同步电机。在这种电机中，采用超导磁体作磁场线圈。这是一种相当经济的方法，因为它使得相应的交流线圈系统具有较低的价格。它可以运行在较大的气隙条件下，因而适用于高速磁悬浮运输系统中。再则，因为在一段时间内只有1 、l o k m 的轨道上通电，所以功率调节设备的容量比较小，而价格比较低廉。日本的m l u 0 0 1 ，加拿大的m a g l e vt r a i s e t 的推力系统即采用这种电机。德国常导磁悬浮列车的车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就1 2上海交通太学硕士学位论文象同步直线电动机的长定予绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。在图3 - 6 中，详细标注了德国t r 0 7 列车所采用的直线电机理论模型的基本尺寸( 纵向剖面) ：lz ! ! ! i图3 - 6 模型基本结构尺寸图x ，是激磁绕组同相绕组1 之间的时变相对位置其基本材料属性列于下( 理论分析) ：铁磁材料( 包括定转子) ：1 1r = 6 0 0 0铜：ur l空气：1 10 = 4 1 0 。电阻率( 铜) ：0 0 7 1 0 “三相定子绕组由绝缘导线构成，预先成型，并由敷线车将其安装在导轨两侧，这两部分定子在电路上为串联连接。定子铁心由薄硅钢片叠成。这些铁心被加固在导轨下部。当电机的机距选择为0 2 5 8 m 时，速度为4 0 0 k m h 时，电机的频率达到了2 1 5 h z 。考虑到电机最大有效电压受逆变器输出电压的波形以及电机电缆绝缘强度的限制，每相电压选为4 2 5 k v ：在高速试验时还能升到4 5 k v ，电机最大电流为1 2 0 0 a 。由于不同的运行区段列车所需的牵引力不同，定子绕组材料采用了不同的横截面积，以充分利用材料，减少损耗，提高电机效率。该直线同步电机具有以下特征：1 电机( 转子) 的励磁电流又可以作为悬浮电流，其电流大小取决于车体重上海交通大学碗士学也论文常导磁悬浮翻车的悬浮驱动爱其控翱研究量与悬浮间隙。2 电动机推力大小借助定子绕组电流大小和相角来调节。3 定子绕组采用分段供电方式，其单个供电段较车体要长，故电动机特性主要特性取决于定子绕组和馈电电缆的漏阻抗。4 三相定子绕组采用变频变压供电方式，且根据轨道获得所要求的列车牵引特性。其基本电机特性参数列于下空气隙：1 0m m极距：2 5 8 姗推力：1 0 0k n三相定子绕组相电压：45k v电机电流：1 2 0 0a最大有功功率1 1 5 m v a最大视在功率1 5m v a效率约0 9供电频率0215hz定子绕组叠片铁心尺寸1 0 3 1 r a m 1 8 5 r a m 9 1 5 r m励磁磁铁尺寸1 3 1 8 m i n x2 3 2 m m x1 9 0 r a m励磁磁铁质量5 9 0 0 k g 节车对于电机定子绕组，要调