（电机与电器专业论文）新型混合励磁直线同步电机的研究与设计.pdf

浙江大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h en e wh y b r i de x c i t a t i o nl i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r ( h e l s m ) i sd o n ei nt h i st h e s i s t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh i g h p e r f o r m a n c ep e r m a n e n tm a g n e t t oe x c i t a t i o np o l e w i t ht h ea d v a n t a g e so f s a f e r , q u i c k e r , b e t t e re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n ds a v i n gm o r ee n e r g y , h i 曲一s p e e dm a g l e vt e c h n o l o g yi s v e r yp r o m i s i n gi nm i d d l ea n dl o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a t i o nt e r r i t o r yo fc h i n a l o n gs t a t e l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( l l s m ) i sc r i t i c a ld r i v i n gd e v i c et ot h em a g l e vs y s t e m h e l s mh a sal o to fa d v a n t a g e sb e c a u s eo ft h ei n t r o d u c t i o no fp e r m a n e n tm a g l e v , s u c h a sm o r ep o w e r f u lm a g n e t i cf i e l d ，m o r et h r u s ta n de a s yt oa d j u s t ，r e d u c i n ge x c i t a t i o n c u r r e n ta n dc a p a c i t yo fp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t ，i n c r e a s i n ga i rg a pl e n g t h ，i m p r o v i n g t h ep r a c t i c a b i l i t yo ne n g i n e e r i n ga n de a s yt or e a l i z ec o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c ho n h e l s mi sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl l s ma n dp r o m o t et h e l o c a l i z a t i o no fm a g l e vt e c h n o l o g y f i r s to fa l l ，t h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ha r es t a t e d t h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，c o n s t r u c t i o ns t y l e ，a p p l i c a t i o n ，d e v e l o p m e n tt r e n da n dc u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o n so fm a g l e vt e c h n o l o g ya n dl l s ma r ei n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt ot h e a d v a n t a g e so fl l s m t h e nh e l s m ，a st h er e s e a r c ho b j e c t ，w a si n t r o d u c e d 诫t ht h e d e v e l o p m e n to fp e r m a n e n tm a g l e v , i no r d e rt om a k eu pd e f e c t i v e so fl l s m o nt h es e c o n dp l a c e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em o t o rw a sc r e a t e d ，s ot h e m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nm a po ft h em o t o ra n df o r c ec h a r a c t e r i s t i c sw e r eo b t a i n e d 、航n lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm a g l e vl e v i t a t i o nt e s tl i n e s h o wt h ev a l i d i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i t su s e f u lt od e s i g na n da n a l y s i so f h e l s m f u r t h e r m o r e ，t w on e wh e l s m sw e r ei n t r o d u c e d a f t e rt h e a n a l y s i so f t h e d e f e c t i v e so fe x i s t i n gh e l s m s b a s e do nt h em a g n e t i cf i e l 正t h er e l a t i o i l sb e t w e e n l e v i t a t i o nf o r c ea n da i rg a pl e n g t h ，e x c i t a t i o nc u r r e n tw e r eo b t a i n e d t h ec o m p a r i s o n r e s u l t so fh e l s m sm o d e lw i t hl l s m sm o d e ls h o w e dp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so f h e l s m s i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so fp e r m a n e n ts i z ea n dp o s i t i o no nn o r m a lf o r c ew e r e i n v e s t i g a t e dt os u p p l yt h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n f i n a l l y , t h ed y n a m i cd - qm o d e lo fn e wh e l s mw a se r e c t e d t h er e s u l t so f s i m u l a t i o no fs p e e da d j u s t i n gs y s t e mw i t ha n dw i t h o u tf i e l dw e a k e n i n gw e r eo b t a i n e d r e s p e c t i v e l yo nt h eb a s i so ft h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fh e l s m t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h es p e e da d j u s t i n g 、i t hf i e l dw e a k e n i n g s y s t e mh a d m u c hb e t t e rc o n t r o le f f e c t k e yw o r d ：m a g l e vt e c h n o l o g y ，h e l s m ，l l s m ，f i n i t ee l e m e n t ，l e v i t a t i o nf o r c e ， v e c t o rc o n t r o l i i 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 近2 0 0 年来，随着人类科技的进步，客运交通得到了巨大的发展，包括轮船、 火车、汽车、飞机等各种交通工具的速度记录也都在不断被刷新。而我国幅员辽 阔、人口众多，因此客运交通的发展显得尤为重要。以我国的铁路交通为例，1 9 9 7 年到2 0 0 7 年，铁路进行了6 次大面积提速。2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路进行了第六 次大提速，其中最高速度2 5 0 k m h 延展里程达8 4 6 k m l 2 7 1 ，大幅提高了铁路客运能力。 然而，传统结构列车行驶时，车轮与钢轨是紧紧贴在一起的，当列车高速行驶时， 车轮与钢轨的阻力就大大增加。据科学家计算，依靠动力牵引，车轮与钢轨接触 的普通轮轨列车，最大时速为3 8 0 公里左右，如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨 磨损等因素，实际速度不可能达到最大时速。所以，要进一步提高速度，必须开 发新的交通工具。磁悬浮列车则是利用磁铁同性相斥、异性相吸的原理产生悬浮 力，将车体悬浮在轨道上，摆脱了地面运输车辆的车轮以及相应的传动机构，突 破了传统车辆运输速度的瓶颈，因此具有巨大的研究价值和潜力。 近年来我国经济高速发展，交通系统也大为改善f 2 8 1 ，但是由于底子太薄弱， 至今还没有形成完整的交通网，按照相关规划，至2 0 5 0 年我国将建成约8 0 0 0 公里 的高速客运专线网，因此长距离、大流量的客运交通市场潜力巨大。磁悬浮列车 快速、低耗、安全、舒适、经济、无污染。它的高速度使其在1 0 0 0 公里至1 5 0 0 公 里之间的旅行距离中，比乘飞机更优越，且运行成本和能耗低，适合于相距数百 公里至一千公里的交通枢纽之间的大容量快速客运交通。因此，中国发展磁悬浮 列车有助于我国建成2 1 世纪具有竞争力的现代大容量高速客运交通系统，磁悬浮 技术应用的优越性，也将带动众多高新技术的发展【3 1 。 磁浮列车是个复杂的综合系统，它包括了车辆，轨道，控制，通信，供电等 方面，涉及多个学科的先进技术。随着上海磁浮示范线的建成和成功运营，我国 的磁浮列车发展进入了快车道，各个高校、研究所纷纷开展了自主研究与试验， 也有了一定的研究成果，但是主要集中在低速磁悬浮列车，采用的驱动部分是直 线感应电机，对高速的磁悬浮列车还没有展开实际的研究 2 0 i l 甜1 1 2 2 1 1 2 3 1 。因此我国在 高速磁悬浮领域与先进的德国日本还有很大的差距，还有许多的理论和实际问题 l 急待解决，需要继续峰持“引进技术、消化吸收、不断创新”的道路，存引进德国 技术的基础上，不断实践、积累经验，依靠山己的力量j r 芨具有自己知识产权的 磁浮列车。而对j _ 这类常导吸浮刑磁浮列下而i ，驰动、悬浮和导向是其= j 大关 键所任，其中长定子直线同步电机作为列车的驰动、悬浮系统”，是一个需爱研 究的核心技术。 2 0 0 7 年，浙江人学电h - 程学院与浙江卧龙电气集川股份订限公司联台设计 制造了浙江省高速磁浮列车试验线，如酗1 1 所示。试验线参考德酱l t m 蝌d 高速 磁浮交通系统设玑啦边直线段长度为4 0 m ，半| 丑_ 弧段半径j j 3 0 m ，转条线路总长 约2 6 85m ，采用rk 定r 直线m 步l u 机驱动的e m s 方式，悬浮气隙为8 r a m 。 图1 - 1 卧龙磁浮试验线外景圉 本课题是田家8 6 3 磁悬浮巫人专项课题的子课题。本文针对现有高速磁悬浮列 4 = 用电线同步电机的缺陷，咀卧龙磁浮试验线为平台，结合现代水磁技术的发展， 任励磁磁极中引入高磁能积的永磁体，形成一利，新型的混合励磁直线同步电机。 术文研究重点包括电机结构晌设计、磁场和力特性分析l l 技新型混台劢磁电机的 控制。 1 2 磁浮技术发展概况 1 2 1 磁浮列午分类及发展现状 磁浮列车从悬浮机理上可分为屯磁悬浮( e m s e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) 和 电动悬浮( e d s e l e c t r o d y n a m i cs u s p e n s i o n ) 3 2 1o 所谓电磁悬浮( e m s ) 就是埘车 载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁( 或永久磁铁加励磁控制线幽) 通电励磁而产 2 浙江人学碗十学位论文 生电磁场，电磁铁与轨道上的铁磁性构件( 钢质导轨或长定子直线电机定子铁芯) 相互吸引，将列牟向上吸起悬浮于轨道上，电磁铁和铁磁轨道之问的悬浮间隙( 称 为气隙)般约8 l o m m 。列车通过占线电机术牵引运行，通过控制悬浮电磁铁的 励磁电流米保证稳定的悬浮气隙。电磁悬浮列车以德i j 的t r a l l s m d l d 0 8 和n 奉的 h s s t l o o l 型为代表，它们的悬浮和牵引原理分别如图l 一2 和幽1 3 所示。 图1 4 超导高速磁悬浮列车m i x 断面简图圈1 5 m i , x 罗u 车在山梨线试验运行 要对悬浮气隙进行主动控制。电动悬浮列车以日本i 拘m l x 型为代表，其结构如图 3 浙江人学硕士学位论文 l - 4 所示，实物见图1 5 。 磁悬浮列车的牵引电机都是直线电机，一般可分为两种型式，即长定子直线 同步电机和短定子直线感应电机。当采用长定子直线同步电机时，电机的定子( 又 称电机电枢) 沿整个线路铺设，电机的转子( 又称电机励磁磁极) 安装在车上； 当采用短定子直线感应电机时，电机的定子( 又称初级) 安装在车上而转子( 又 称次级) 在轨道上。采用长定子直线同步电机时，直接在线路上实现牵引能量的 转换。在高速运行中，车与线路之间完全无接触，因而长定子直线同步电机适合 于较高速度的磁悬浮列车牵引，德国的t r a n s r a p i d 常导磁悬浮列车和日本的m l x 超 导磁悬浮列车都采用了长定子直线同步电机牵引。 日本的h s s t 低速磁悬浮列车采用短定子直线感应电机牵引。短定子直线感应 电机结构比较简单，制造成本较低；缺点是效率和功率因数相对较低，运行中需 要地面供电装置对磁悬浮列车接触供电，不能实现车和线路之间完全无接触的运 行，所以更适合用在低速( 最高运行速度大约1 0 0 k m h 左右) 磁悬浮列车上。 德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮列车和同本的h s s t 磁悬浮列车没有采用超导技术，而 是采用普通导体通电励磁，产生电磁悬浮力和导向力，因而又有人将它们称为常 导磁悬浮列车。日本的m l x 磁悬浮列车利用安装在车辆上的低温( 绝对温度4 。2 k ) 超导线圈，产生强磁场，因而又被称为超导磁悬浮列车。 按运行速度范围来分，德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮列车最大运行速度大致在 4 0 0 5 0 0 k m h ，日本的h s s t 磁悬浮列车最大运行速度为1 0 0 k m h 左右，日本的m l x 超导磁悬浮列车最大运行速度在5 0 0 5 5 0 k m h 2 _ 间。所以，德国磁悬浮列车和日本 的超导磁悬浮列车又称为高速磁悬浮列车，主要用于大城市之间的干线交通；而 日本的h s s t , 贝i | 用于城市内或市郊的交通以及连接机场与市区等，被称为低速磁悬 浮列车。 在上述三个有代表性的磁悬浮铁路系统中，德国磁悬浮高速铁路系统最接近 商业应用，日本的h s s t 系统也在2 0 0 5 年爱知世博会上的一条9 公里的试验线上得 到验证。 我国从8 0 年代始，在国家投入少量经费资助的情况下，少数高校、科研单位 开展了常导磁浮列车的基础性研究实验工作，西南交大研制的4 吨试验车和国防科 大研制的6 吨试验车先后实现了成功运行。1 9 9 4 年9 月中科院在北京香山召开了磁 浮列车专题会议，提出了要大力开展我国磁浮列车技术的研究与开发。国家科委 2 浙江人学硕士学位论文 对这方面的软课题给予了支持，并列入了“九五 和“十五一重大科技计划中。 此外，我国与日本、德国、俄罗斯等国在磁浮列车的技术系统交流方面，来往较 多。1 9 9 5 至1 9 9 6 年，日本企业界与浙江省、上海市以及我国有关方面多次接触， 就上海到杭州之间建立一条磁浮列车商业运行线的可能性进行了多次会谈，并由 国家科委、铁道部及中科院、浙江大学、西南交大、国防科大等组成了“磁浮列 车重大技术经济问题研究 软课题，进行了研究。1 9 9 7 年，国家科委、铁道部委 托浙江大学与日本工业界共同在杭州浙江大学召开了磁浮列车国际学术研讨会， 世界上几乎所有研制磁浮列车的国家都参与了该次会议。2 0 0 3 年上海磁浮线的建 立，为我国在磁浮交通技术方面的研究开发与发展提供了一个良好的开端。 1 2 2 磁浮列车用直线电机的比较 现阶段用于磁浮列车的直线电机主要有两种，它们是短定子直线感应电动机 和长定子直线同步电动机。 直线感应电动机是由一个定子( 即初级) 和一个动子( 即次级) 组成【l j 。各方 面的考察表明，若以直线感应电机作为牵引之用，最好把初级装在车上，让轨道 作为次级。日本的h s s t 磁浮列车采用的就是这种结构。它的特点是：l 、具有较 大的启动力矩而不需要辅助的启动设备，并可以实行大范围的加速和减速；2 、具 有较大的气隙，推力随着气隙的增大而减少，功率和效率都比较低：3 、应用直线 感应电动机的磁浮列车需要辅助的悬浮系统，运行时需要地面供电装置对磁悬浮 列车接触供电，不能实现车和线路之间完全无接触的运行；4 、存在向车体的引流 问题。所以直线感应电机不宜用在高速磁浮系统中，而其结构比较简单，制造成 本较低，更适合用在低速( 最高运行速度大约1 0 0 k m h 左右) 磁悬浮列车上。 长定子直线同步电动机的励磁绕组由车上电源供给，地面上铺设由地面电源 供电的三相绕组。由于使用直流电励磁，提高了功率因数，缺点是长定子导致了 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供电的方式。其特 点是：1 、推力与悬浮力可以由统一系统提供，且对电机气隙的要求不像直线感应 电机那样严格，可运行在较大的气隙状态下，因而对轨道的要求不高；2 、三相交 流绕组铺在轨道上，降低了运行车辆的重量；4 、需要一个完整的控制系统使得直 线同步电机在所有的速度下都保持同步运行；5 、效率较高，在高速运行中，车与 线路之间完全无接触。因而长定子直线同步电机适合于较高速度的磁悬浮列车牵 8 浙江大学硕十学位论文 引，德 i 拘t r a n s r a p i d 常导磁悬浮列车和日本的m l x 超导磁悬浮列车都采用了长定 子直线同步电机牵引。 1 3 直线同步电机的发展现状 与直线感应电动机相比，直线同步电动机具有更大的驱动力，通过对定子电 流的调节，其控制性能、位置精度更好。直线同步电动机在高精度直线驱动中获 得了广泛的应用，近年来它作高速地面运输系统和直线提升装置的驱动系统而更 加受到重视。各种类型的直线同步电动机成直线驱动的主要选择。直线同步电动 机以其不可替代的诸多优越性，现己在工业生产、日常生活等的许多领域得到了 广泛应用。而磁悬浮列车技术的发展，大大推进了直线同步电机的研究和发展， 可以预测它具有广阔的应用发展前景。 直线同步电机的设计主要采用电磁设计方法和有限元方法，计算出符合要求 的电机方案。由于存在纵向边端效应、横向边端效应、齿槽效应，它们将会引起 电机推力的波动，要实现电机的平稳运动，必须在控制算法中予以抑制或补偿。 目前采用的控制策略主要有传统的p i d 控制理论、矢量控制，现代的控制方法如非 线型控制、自适应零序电流控制、最佳调整理论，滑块变结构控制、巩鲁棒自适 应控制洲、智能控制如模糊控制、人工智能控制等。可以说对于直线同步电机的 分析设计与控制已经处于非常成熟的阶段，然而实验研究却并不常见，更多的是 参照旋转电机的实验方法。【4 】 近些年以来，随着稀土永磁材料、电磁场数值计算、智能控制理论及微机技 术的出现和不断发展，永磁直线电动机作为一种新颖的驱动或推进装置，逐步成 为学术研究和开发应用的热点。它不需要电励磁，省去了励磁线圈和励磁电源， 不存在励磁损耗，提高了电机的效率，减低了电机的温升，冷却要求减低，同时 也简化了直线电机磁极的结构，结构轻，单位尺寸出力大，惯性低，响应快，对 长定子动磁极的直线电机非常合适，因为磁极不需要外加励磁电源。钕铁硼材料 具有强磁力和高娇顽力，大磁动势和高气隙密度，在减少电机体积和重量的同时 可增加电机的出力。随后稀土材料性能的提高、价格的降低，电力电子器件价格 的降低，永磁直线电机的性价比将越来越好，也逐渐被工业界广泛采用。因此， 永磁直线电机是直线电机中的重点，也是发展的方向。目前在直线电机的产品中， 永磁直线电机占了很大的份额，主要的生产商集中在美国、英国、德国等发达国 4 浙江大学硕士学位论文 家。因此，国外直线电机从诞生到现在已经经历了从探索试验、开发应用到实用 商品化三个阶段。他们在永磁电机的研究和开发方面取得的成果也越来越多。 过去，永磁材料价格高，性能也不是很好，要在磁悬浮列车车辆上使用不切 合实际。现在钕铁硼材料性能提高，价格降低，从而使得永磁直线同步电机在磁 悬浮列车中使用成为可能，其中可能性最大的是混合励磁直线电机，它的励磁磁 场大部分由永磁体提供，小部分由电励磁线圈提供，这样既保留了原有电机的优 点，又加入了永磁电机的优点，使得新系统结构简单、重量轻、气隙大。美国研 究的低速磁悬浮列车m ，采用了混合励磁后，空气隙可以达n 2 0 m m ，而t r a n s r a p i d 磁悬浮列车仅1 0 r a m ，空气隙增加大大降低了对路轨平整度的要求，这也是本论文 对现有磁悬浮列车长定子直线同步电机提出改良的原因，况且我国是稀土大国， 资源丰富，有大力发展混合励磁直线电机的优越条件。 1 4 课题研究内容 电磁悬浮式的e m s 型磁悬浮列车，其悬浮完全依靠电磁力的作用。列车稳定 悬浮时，要满足一个基本的条件：无论列车的悬浮气隙多大，悬浮力要随时和列 车的重力保持动态的平衡，所以悬浮时电磁线圈需通以大电流，悬浮功耗很大。 而混合励磁直线同步电机即是在传统电励磁直线同步电机中引入永磁体提供部分 励磁，永磁体的引入使得气隙磁场由永磁体和电励磁绕组共同提供，其优势在于： ( 1 ) 气隙磁场强、灵活可变，推力大且调节方便；( 2 ) 在气隙长度和推力保持不 变时，气隙磁场的增强能够降低励磁电流，从而可以减小供电设备的容量，反之 在车辆重量一定时，气隙长度的加大增加了系统安全性，降低了轨道加工精度的 要求，也降低了施工难度和工程造价，控制系统也容易实现【2 0 1 ；( 3 ) 永磁体的采 用降低了车载电源的容量，使车载电源整流设备和蓄电池的容量减小。 混合励磁，有时也称组合励磁或复合励磁，是由两种励磁源相互作用，共同 实现电磁能量转换，是对单一励磁( 永磁励磁或电励磁) 概念的有效拓宽与延伸。 所谓混合励磁电机，在保持电机较高效率的前提下，改变电机的拓扑结构，由两 种励磁源共同产生电机主磁场，实现电机的主磁场调节和控制，改善电机调速、 驱动性能或调压特性的一类新型电机。用高磁能积的永磁体产生的吸引力可以等 效地平衡部分甚至全部的列车负载重量，使得流过磁极的电流大大减少，磁极损 耗显著降低。而永磁制造技术和工艺的进一步完善也为混合励磁悬浮提供了必要 5 浙江大学硕十学位论文 的物质保证。 近年来，人们对节能与宽调速驱动系统和独立发电系统( 如风力发电) 的研究 日益深入，混合励磁电机也得到了越来越多的重视，成为新的研究热点之一 【1 2 】i l6 】【1 7 】【l s l 。许多欧美经济发达国家投入大量的人力、物力和财力进行了h e m 电机 的理论和应用研究。前苏联于1 9 8 8 年率先完成了混合励磁同步发电机的研制并在 移动电源方面获得了应用。美国在1 9 9 5 、2 0 0 0 、2 0 0 2 年分别研制成功1 0 6 、3 、1 0 k w 3 种不同结构的混合励磁电机，并已经把它应用于中低速的市内交通磁悬浮系统车 辆中，系统的悬浮气隙长度就设计为2 0 m m ，日本也在2 0 0 1 年完成了0 。7 5 k 混合励 磁电机的研制。中国对混合励磁电机的研究起步较晚，尚处于初期阶段。 尽管上个世纪8 0 年代就已经有人提出混合励磁悬浮的设想，但是由于永磁体 磁能积较低以及永磁技术运用中带来的潜在不稳定性问题，进行这方面研究的人 并不多，直到九十年代以后，国际上关于混合励磁悬浮的原理和控制方案研究的 文章才稍多了一些，但大多都是原理性的仿真。 由于混合励磁悬浮方式的优点比较突出，在悬浮磁极的结构上又与已经实用 化的电磁吸引式悬浮方式相近，因此国外磁悬浮交通领域的学者对混合励磁悬浮 方案产生了浓厚的兴趣，特别是德国和日本【4 5 】【删的专家多年来积极进行这方面的 研究工作，并且取得了一定的进展。近些年来，中国台湾【3 4 1 1 3 5 1 1 3 6 】也有一批学者加 入到混合励磁悬浮系统的研究行列，并且已经取得了一批实验室的成果，进步很 快。 而在中国大陆1 6 1 7 1 1 8 1 1 9 1 ，浙江大学和中科院电工所近几年开展了混合励磁悬浮 方式的研究工作。浙江大学直线电机与磁悬浮课题组对直线电机的悬浮力和驱动 力进行深入的理论分析，运用有限元方法对悬浮力和驱动力进行计算，目前该课 题组对车轮支撑情况下的同步直线电机驱动进行了深入研究，取得了不错的研究 成果。中科院电工所则在2 0 世纪7 0 年代就开展了直线电机方面的研究。在“八五 “磁悬浮列车关键技术 科技攻关中，电工所承担了额定速度6 0 公里d , 时、额定 功率9 3 k w 的直线电机样机的研制任务，样机安装在铁道部科学研究院牵头研制的 6 吨磁悬浮试验车上。中科院电工所直线电机课题组在1 9 9 3 年开展过单个混合励磁 悬浮磁极原理性的研究。 不论是德国的t r 还是日本的m l u 型磁悬浮列车，高昂的建设成本都是阻碍磁 悬浮技术大规模推广的关键因素。降低磁悬浮系统造价和改善磁悬浮系统性能成 6 浙江人学硕士学位论文 为理论研究的重要内容。中科院电工所在所长基金的支持下开展了混合励磁悬浮 技术的研究，目前已经国内首次实现了静止状态下混合励磁悬浮方式的四点悬浮 【2 4 】【2 5 】 o 总体而言，由于我国对混合励磁电机方面的研究起步较晚，同时，受到国内 材料、加工制造技术落后等不利因素的影响，我国在混合励磁电机方面的研究， 力度不够，水平不高，尚无成熟产品。 在传统电励磁直线同步电机基础上提出的混合励磁电机，其实质并不是一类 新型电机，是原有电励磁电机结构合理的改变，通过永磁体的引入，达到改善电 机悬浮和驱动性能的目的。因此，对混合励磁直线同步电机，需要继承研究传统 电励磁直线同步电机的一般方法、原理以及成果。但混合励磁电机的设计、分析 与控制技术的研究也有其特点，所以本文的主要工作在于：【1 】【2 】 ( 1 ) 新型混合励磁直线同步电机的合理结构的研究。混合励磁电机由于引入 电励磁绕组，需要对永磁电机的结构作适当的优化和改变。在电励磁直线电机的 分析基础上，结合永磁材料技术的最新发展，探索合理的混合励磁电机结构，有 效提高原有电机的性能。在分析方法上，可采用大型有限元分析软件如m a x w e l l 等 对电机建模、分析，为电机结构的优化提供详实的理论依据。 ( 2 ) 新型混合励磁直线同步电机控制方法的探索。混合励磁直线同步电机是 同步电动机中的一种特殊结构，没有成熟的控制方法可供使用，因此本文尝试对 其采用永磁同步电机中常用的矢量控制。又因混合励磁直线同步电机电枢绕组相 当于旋转永磁同步电动机的定子，在磁悬浮系统中应用时为了充分实现悬浮与驱 动方向的解耦控制，要求电枢磁动势始终垂直于励磁磁动势，即电枢电流直轴分 量为零，因此本文拟采用的是匕= 0 的转子磁场定向控制方式。 7 浙江人学硕i 一学何论文 第2 章传统电励磁长定子直线同步电机的分析与计算 2 1 电励磁长定子直线同步电机结构和原理 直线同步电机的工作原理与普通旋转【刊步电机相同，图2 1 为直线刷步电机的 侧向剖商矧，图2 2 为k 定了直线刚步电机两人部分的结构示意图p l 。图2 一l 巾上一 部分是轨道部分，长定了直线同步电机的初级就安装在轨道上。，初绂铁心分段组 成，每段采用定k 度硅钢片粘绐组合而成。初级铁心i 二均匀分布了jr ii 槽， 粘距分靠。绕组采用集巾绕组，这此 - 要足考虑纠1 艺的要求。，绕组是多心的锅 导线，预先成型，然后由等j 的f 线机器安皱到槽内。 罔2 1 巾卜部分是车辆，悬浮磁铁就安装在车辆上，它王要包括铁心、励磁 线刚和车载牲电机绕组二二个部分。在列乍的运行过程叶1 ，悬浮电磁铁起到= 个方 面的作用：( 1 ) 悬浮半励磁线幽通电时，悬浮f u 磁铁一i 轨道铁心的磁吸引力使得 o 悬浮n 磁铁相连的下件作向j 的垂向运动，从肺实现列乍的悬浮；( 2 ) 为牵引 直线电机的次级励磁悬浮磁铁存。i 隙e f - 产生的磁场同时也作为k 定了直线同步 i u 机的励磁磁场，当它1 i 电机磁场同步叫将产牛一个水下推力，使乍辆克服卒气 的阻力以一定的速度远行。初级电舡电流的频率定要与车辆m 运动速度榍配台， 行则不能产生| 亘定的推力。肖恳浮电磁铁的励磁线圈和初级绕自【通电时，产生的 两个磁场相h 作h j ，产牛纵向的乖引力或制动力，使列车前行或；削动。( 3 ) 发电从 图中可以石出，悬浮磁铁的极靴j 面还开有槽，这此足直线发电机的绕组安放的 地方。当磁浮列车高速运行时，励磁磁场在线幽中产生的磁通发生娈化，产生磁 阻发电，而牵引磁场的高次谐波通过与线圈作川，产乍谐波发电。在本文的分忻 中，j 分析了悬浮磷铁作为悬浮和牵引的两个作4 j 。 定子绕组一定子铣心一 轨道舒分( 初级) 一 图二l 长定子直线同步电机的倒向剖面图 浙；【，人学硕 肖竹论史 罔2 - 2 长定子直线同步电机初级及励磁磁铁结构币意图 m 外艮，了直线同步电机的初级山地面的变f u 站提供频率可娈的一川交流电 ( 图2 - 3 、图2 - 4 足长定子的桐绕组幽) 。i i 交流r l z o l 的艘问题可知，这时将产 生个行波磁场( 称为电枢磁场) ，其速度与电源的频率相当，娄似于空间有一个 电碰铁在移动。车辆 的肭磁绕组通入直流l u 将，州f 个磁性不变的磁场，它在 空川的移动速度与车辆的速度相当。 为r 塔可能的降低损耗，提高i u 机效率，k 定子丘线电机采川分段供i u 的儿 j _ l = 。也就是c 兑，沿线的直线电机的定了是被分为根多k 段，j 有磁浮列下所n 的 删一段的定r 绕组足通r 乜的。分段供r 乜要把牵q 变u 站输 h 的二相娈频变胍的交 流电i | 丌天切换给特定的定予绕组供 乜，使得损毛尽量小。 图2 - 3 高速磁浮州乍上长定r 直线电机绕组原理剖 浙! 1 大学硕l 。学恤论文 图2 4 高速磁浮列乍上长定子直线电机绕组图片 2 2 磁场分析理论基础 电磁场数值训算的任务在于根据电磁场的 本特性，即簟于麦克新市方样组， 汁先矬市适近寅际t 程f b 磁场问题的连续型的数学模州，然后采川州应的数值 算方法，经离敝化处理，把琏续型数学模型转化为等价的离散j 数学模儿即由 离散数值构成的戕札代数方程组，i i 利h j 有效的代数疗程纽解法球得泼模型的离 散解，最后将通常所得的电磁场位函数离敞解进行各种后处王甲，就- ，j 以得到场域 中f t 意点处的场强，任意区域的能量、损耗分布，以及备类电磁参数数值等，以 达到理硷分析、i 程判断帛i 优化改计的if 的。本文采用的电磁场数值计算方法足 有限儿法，f 将r 以介绍。 2 2 1 电机电磁场有限元分析法 何敞儿法是廊片j 壤广泛、适应性屋强的种数值算方法，也足电机电磁场 训掉中常用的分析方法。有限元法的基本珲| 与方法u j 以川州种方式引入。一种 足基j 。变分原理的有黻元法，【! | j ：找出个与所求定解问题相应的泛蛹，使这一 泛厢取得极值的雨数l r 足该定解题的解，从段泛嘲的极值问题发进行离散化， 得到相席的代数方程组。另一种是伽辽会柏限儿法，即：令场方羊【i ! 余最的加权秘 分在、p 均的意义 为零，按照伽辽金准则，用有限单元上的捅值肇函数作为权函 数，导出离敞化代数方程组。代数方程组的衅符就是有限单元各节点h 待求变量 的值。这曲种方式得到的离散化代数方程组具有相同的形式，而伽辽金自限元法 的应用范围更广泛，概念上更容易理解。根据本文进行的磁场分析的特点这里 浙江大学硕士学位论文 重介绍伽辽金有限元法在平行平面磁场分析中的应用。【l l 】 1 伽辽金有限元法简介 伽辽金法可看作加权余量法的一种，而加权余量法是一种求解微分方程的近 似方法。设未知标量函数u ( x ，y ，z ) 在区域d 和边界s 上满足下述微分方程边值问 题： 脍b up q 襄黜 协t ) 【 = 在边界s 上 其中三为某一微分算子，b 为表示某类边界条件的边界算子，尸和q 为已知函 数。今求甜的近似解。设近似解为 差为 甜似只z ) = q 谚伍弘z ) ( 2 2 ) i = l 因为是近似解，所以式( 2 2 ) 不能在d 内和边界趾精确满足式( 2 一1 ) ，其误 r o = l u - p r s = b u - q ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) r d 称为方程的余量，匙为边界余量。对于精确解，上述余量应在定义域上处 处为零。对于近似解，可以适当选择参数o = l ，2 ，甩) ，使得这些余量在某种平 均的意义上等于零。为此，构造一个彼此线性无关的权函数的集合彬( f = l ，2 ，刀) ， 并取权函数与方程余量、边界余量的内积，令内积之和为零，也就是令余量的加 权积分为零，即 i 彬r d 西+ j w , = 0 ，f = 1 ，2 玎 ( 2 5 ) 6； 将式( 2 2 ) 代入( 2 - 5 ) ，将得到九个方程，从而可解出刀个待定系数口，代 回式( 2 2 ) ，即得所求的近似解。可以证明，当刀一o o 时，余量亦即误差将趋于零， 近似解将收敛于精确解，这就是所谓加权余量法。如果将( 2 - 2 ) 中的近似函数， 选为权函数，就成为伽辽金法。将区域d 作有限元剖分，并将余量在全域上的加 权积分写成各单元上的积分之和，用单元插值基函数m 作为权函数，就构成了伽 辽金有限元法。当以电、磁位为未知函数时，各节点上电、磁位的值就是式( 2 - 2 ) 中的待定系数睨。 2 平行平面和轴对称静态电、磁场的有限元分析法 1 1 浙江人学硕士学位论文 平行平面场情况下静电、磁场可以归纳得出如下统一表述形式的数学模型： v 2 出川一掣 甜( x ，y ) l = u o ( r d 丝l 苎! 翻，：一q ( r b )o n i 如一 ( 2 - 6 ) 通常有限元法的应用步骤是： ( 1 ) 给出与待求边值问题相应的泛函及其等价变分问题或构成加权余量式 选用伽辽金法； ( 2 ) 应用有限单元剖分场域； 剖分时要求任一三角元的顶点必须同时也是其相邻三角元的顶点，而不能 是相邻三角元边上的内点。 当遇到不同媒质的分界z 时，不容许有跨越分界线的三角元。 剖分一直推延到边界三，如边界为曲线，即以相应的边界三角元中的一条 边予以逼近。 应避免出现太尖或太钝的三角元，且应根据具体要求确定剖分密度。 同一三角元三顶点( 称为节点) 应按逆时针顺序建立局部编码序，标记为 f ，m ，编号相差不太悬殊，以便压缩存贮量、简化程序及减少计算量。 ( 3 ) 并选取相应的插值函数进行单元分析 ( 4 ) 总体合成 ( 5 ) 处理边界条件 ( 6 ) 求解代数方程组 ( 7 ) 计算场量 ( 8 ) 结果显示 3 伽辽金有限元求解 ( 1 ) 建模 设给定二维非线性泊松场问题，其数学模型表述为 浙江大学硕士学位论文 昙( 罢) + 晏( 罢) ：一f ( x ，y ) d 出僦 鲫卯 甜i = u o ( r d ( 2 7 ) 乳刊) 当功城d 创分力个早兀后，将待求幽毅的摘值函数甜“( x ，y ) 2l 上l 甜j 。代八 泛定方程( 2 7 ) ，则在剖分单元e 上对应于伽辽金准则的加权余量式为 乒n 丢( 屈警) + 号( 屈等m 】姗= 巳 浯8 ) 在单元p 的定义域皿内，尾可看作常量，因此由于 毗等= 丢( 】；争一罢】：警 和m ；等= 茜c m 等h 争等 故式( 2 8 ) 可以改写成 孱齄量争+ 扣r 等) 姗 一屈够【罢】；警+ 学】；等) 螂+ 妙礁z 出砂= 乞 c 2 哪 根据格林公式班篆+ 詈) 出咖= 4 【p c 。s ( 巳，巳) + 9 c 。s ( 巳，p y ) 】讲 令式( 2 9 ) 左边第一项积分中【罢】；是 ：p ，【罢】；雩兰：q ，即得 优优 卯卯 尼赡 】；等+ 扣】e 施- 否- - 、) 螂 = 尾妒n 警c o s ( ) + 等c o s ( 俐刃 = 展嘎【】；等讲 浙江人学硕士学位论文 一肛够 罢r - 舻- - g - + 【影】；等) 蚴+ 妙醒z 螂 + 尼妒】；等讲= 乞 又因竽一【娑】。 “) 。和要兰：【罢】。 “) 。，故代入上式得 o xo o y咖 一屈；f 罢】a 芸】。+ 万o n j p l r 万o n u 。姗 + 【哩伽痧+ 孱【曩等讲= 乞 ( 2 _ l o ) ( 2 ) 单元分析 在各个三角元e 内，分别给定对于x 、y 呈线性变化的插值函数 函“1，、i：or+以x+以1，以此近似替代该三角元内的待求蛮分问颢解耐x们。, = ( q 仍+ a j q j + ) 2 口2 = ( 包仍+ 纺+ 吒) 2 吃= ( q 仍+ 巳纺+ ) 2 式中，口f = 虼一靠乃，包= 乃一，巳= 一，而巳，勺，各系数则 可按i ，j ，优指标顺序置换而得。= i 1 ( 匆巳- b f ，) 为三角元p 的面积。于是，可得定 义于三角元e 的线性插值函数为 1 矿( x ，力2 去【( q + 匆x + q y ) e p _ f + ( 乃+ 屯x + c j y ) t p _ ，+ ( a m + 6 埘x + 力】 = 织孵( x ，y ) ( 2 1 1 ) 式中，孵( x ，y ) 称为三角元p 上的线性插值的基函数( 亦称形状函数) ，它取决 蟑( x ，y ) = 去( g + 吃x + g y ) 织 o = l 歹，朋) ( 2 一1 2 ) 双圳删刊扣“纠。 1 4 浙江大学硕士学位论文 够t 扫卧喀，t 。c t ，f 。u , t 姗 b ! = 一= l 4 岛包+ q q 包屯+ c , c j 魏6 肘+ q b i b i + c j c ib 声j + c f jb 声m + c j c m b 囊t 七c tb 囊j 七c 乒jb 囊。c 。 曼 = _ k ，。t “，。 ( 2 1 4 ) 蚪时廿。 防 域的周界上( 厶+ 厶) 进行积分。今在边界厶上如式( 2 - 7 ) 所示，给定为第一类强 制边界条件，故该项线积分事实上仅意味着在边界岛上的贡献。此时，进一步考 l n r q d l = l 阱n i 假设，二类边界厶落在单元的加边上，则各节点的形状函数分别为m = o ； m = ( 1 一f ) ；卅= f 。由此线积分便可变换为定积分关系，即 m 捌= 伽一，) t o a t = q 2 0 _ _ 生l o 虬捌= 胁衍= 譬 从而，由式( 2 - 1 6 ) 表述的相关边界三角元的贡献为 p 。= o q ，n 2 g 。，o 2 ( 2 - 1 7 ) 浙江火学硕+ 学位论文 ( 3 ) 总体合成 综合以上讨论，将各单元对应的【k 】。， p ) 。和 尸。予以扩展和累加，可最终 导出有限元方程为 f 【k 】 “) = p ) + 尸” i ( 2 1 8 ) h 2 u o ( r d ( 4 ) 系数矩阵的存储 由于数值计算精度要求有足够的有限元剖分密度，因此有限元方程往往是大 型代数方程组。系数矩阵是对称阵，只需存贮其下三角部分( 含主对角线在内) 的元素；其次，基函数的局部非零性。因此，系数矩阵具有稀疏性，如果节点编 号合理，这些非零元素将集中分布在主对角线两侧带状区域内，常采用变带宽存 贮技术或更经济的非零元素存贮技术。 ( 5 ) 边界条件的处