（电机与电器专业论文）直线感应电机的优化设计与性能分析.pdf

a bs t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c ht e c h n o l o g yi sa na d v a n c e dt e c h n o l o g y , w h i c hi sa l w a y si n v e s t i g a t e d b ym a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s i tu s e sn e we q u i p m e n tt ol a u n c ho b j e c t s ，a n dt h o s eo b j e c t s k i n e t i c e n e r g ya r en o tl i m i t e dl i k et r a d i t i o n a ll a u n c ht e c h n o l o g y , s oe v e ng r e a to b j e c t sc a r lo b t a i nh i g h v e l o c i t y l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m ) i st h ec o r ec o m p o n e n to fe l e c t r o m a g n e t i cl a u n c hs y s t e m s a n dt h er e s e a r c ho nl i mh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei n t e r e s t i n g l 1 mi sak i n do fm a c h i n ew h i c h c a nt r a n s f o r me l e c t r i c a le n e r g yd i r e c t l yi n t ol i n e a rm o v i n gm e c h a n i c a le n e r g yw i t h o u ta n ym i d d l e c o n v e r s i o nd e v i c e a n dt h e r e f o r e ，i th a so b v i o u sa d v a n t a g e so v e rw i t ht h e 仃a d i t i o n a lo n e sw h i c h n e e d r e v o l v i n gm a c h i n em e c h a n i c a lc o n v e r t e r ”，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，n oc o n t a c t , n oa b r a s i o n , l o wn o i s e ，h i g hs p e e d , h i g ha c c u r a c ya n ds oo n t 1 1 eo p t i m i z a t i o no fl i m ，w h i c hi so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tp r o c e d u r e s ，h a sb e e nw i d e l yc o n c e r n e d i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c hw i l lb ed e v e l o p e d i n t oi t o p t i m i z a t i o no fe l e c t r i c a lm a c h i n e si san o n l i n e a rc o n s t r a i n e da n dm i x e d - d i s c r e t em u l t i p l e v a r i a b l eo p t i m i z a t i o np r o b l e m b a s eo nt h ei n v e s t i g a t i o nt ot h et h e o r yo fm o t o ro p t i m i z a t i o n d e s i g n , t h es u m t ( s e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o nm e t h o d ) w h i c hi sw i d e l yu s e di n m o t o ro p t i m i z a t i o n , c o m b i n i n gw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a r ea p p l i e dt ot h eo p t i m i z a t i o no f l i m i nt h i st h e s i s , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fl i mi si n t r o d u c e df i r s t l y a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s o na l lk i n d so fe n d e f f e c t so fl i mi sg i v e n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s b e t w e e nl i ma n dr o t a r yi n d u c t i o nm o t o r ( r i m ) ，r e f e r r i n gt ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fr i m ，a n e q u i v a l e n tc i r c u i to fl i m ，w h i c ho ft h ee n de f f e c t si sc o n s i d e r e d ，i sg a i n e d 2 一de l e c t r o m a g n e t i c f i e l do fl i mi sc a l c u l a t e dt h r o u g hf e m ，a n dt h e nt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ee q u i v a l e n t c i r c u i to fl i ma r ec a l c u l a t e d p e r f o r m a n c ea n a l y s i si sc a r d e do u tt h r o u g ht h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s e c o n d l y , t h eo r i g i n ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，l e a d i n gr e s e a r c hd i r e c t i o n ，b a s i cp r i n c i p l ea n d t h ea p p l i c a t i o nf e a t u r eo fg aa r ei n t r o d u c e d s i m p l eg ai sah e u r i s t i cs e a r c h i n ga l g o r i t h m i t s t h e o r yf o rs e a r c h i n gt h eb e s tr e s u l ti sn o tp e r f e c t i th a ss o m es h o r t a g e ss u c ha ss l o wc o n v e r g e n c e ， b a ds t a b i l i t ya n dp r e m a t u r ep h e n o m e n o ni na p p l i c a t i o n e x i s t e da d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m s ( a g a ) a r ee a s i l yi n t ot h el o c a lo p t i m a lr e s u l t i no r d e rt os o l v et h e s es h o r t c o m i n go fs i m p l eg a a n da g a ，an o v e la d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ( n a g a ) i sp r e s e n t e db a s e do nt h ei m p r o v e m e n to f i n i t i a lp o p u l a t i o n ，c r o s s o v e rp r o b a b i l i t ya n dm u t a t i o np r o b a b i l i t y 1 n 也ee n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eo p t i m u md e s i g nf o rl i mi ss t u d i e da n de s t a b l i s h e d 。 b a s e do nt h em o d e l ，b yv i s u a lc + + o nw i n d o w so p e r a t i n gp l a t f o r m ，t h es o f t w a r eo ft h eo p t i m u m e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g no fl i mi sd e v e l o p e d as a m p l em o t o ri sc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l yb a s e do n i m p r o v e da d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ( i a g a ) a n dn a g a t h ei m p r o v e m e n t st o i a g aa r e c o n f i r m e dt ob es u c c e s s f u lb yt h ec o m p a r i s o no ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：l i n e a ri n d u c t i o nm a c h i n e s ；e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；n o v e la d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ；u n i f o r md e s i g n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：虚童壑导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 航母飞机弹射有多种方式，从2 0 世纪5 0 年代开始，美、英等国使用的是蒸汽弹射器， 经过几十年的发展，技术上逐步成熟，也得到较好的应用。但是蒸汽弹射器存在固有的弱点， 譬如重量大，消耗多，准备时间长，维护保养工作量大，费用高等，特别是己无法满足新型 的重量更大、速度更高的飞机弹射。因此多年来，各国科学家一直在致力于其他形式弹射器 的研究。 电磁发射技术基本原理是借助于电磁力，对物体进行加速的一种新型发射方式。电磁飞 机弹射系统具有更好的性能，且弹射控制范围广，适合弹射大型飞机。它能弹射4 5 - 4 5 t 重 的飞机，弹射速度在1 0 0 - 3 7 0 k m h 之间，控制灵话，这是蒸汽弹射器所达不到的。电磁飞机 弹射系统的心脏是直线感应电动机，它推动与飞机相连接的装置。由于该技术突破了传统的 发射方式并能获得更大的动能，因此受到各国政府和军方的重视。不少国家投入大量人力、 财力开展研究并取得了阶段性成果。 目前，以美国、俄罗斯为代表的几个国家正在开展将磁悬浮轨道技术应用于航天发射方 面的研究工作。主要目标是通过磁悬浮助推发射系统为单级入轨运载器提供一个较大的助推 力，实现在短时间内将其加速到一个高的起飞速度，然后运载器发动机点火，与磁悬浮助推 发射系统分离后爬升入轨。使用磁悬浮助推发射系统进行助推加速的特点是载重量大、大悬 浮间隙、无摩擦、低能耗，可以有效降低推进剂的消耗量，大大降低发射成本幢。 在我国，进行电磁发射技术的研究工作起步较晚。从8 0 年代中期开始，我国的专家、学 者作了一些理论和思想上的探索，推动了电磁发射技术在我国的发展。1 9 8 7 年，新概念、新 原理兵器课题组在提供的兵工情报研究报告“新概念、新原理兵器的发展与分析”一文中， 将电磁发射装置列为八项新概念兵器之一。在1 9 8 6 年，中国工程物理研究院流体物理所率先 建造了我国第一台导轨式电磁发射实验装置，并把0 3 4 9 的发射体加速到1 6 8 k m s 的速度。 接着，又于1 9 9 1 年建成了我国第一台电热式发射装置，把2 0 9 的发射体加速到i 8 5 k m s 的速 度，穿透了3 0 m m 厚的钢板，取得了可观的成果。中科院等离子体物理所于1 9 8 8 年8 月也建成了 一台导轨式电磁发射实验装置，已能把5 0 9 的发射体加速到3 k m s 。该所还于1 9 9 0 年建成了 台线圈式电磁发射装置，把4 4 k g 的有效载荷加速至u 1 4 m s 。此外，国内尚有几个单位在进行 电磁发射装置的理论研究或部件性能单元技术的研究工作馏1 。 直线感应电机作为电磁发射装置中最主要的环节，它具有起推力大、动态响应快、定位精 度高等优点，能实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。直线感应电机性能的 好坏直接影响了电磁发射装置的性能的好坏，因此研制开发直线感应电机具有广阔的现实意义。 东南大学硕士学位论文 1 2 直线感应电机的发展现状 1 8 9 0 年，最早的直线电机专利公开发表，五年后用直线电机驱动的纺织机专利问世， 当时引起人们的极大的兴趣，此后又断断续续地对直线感应电动机研究了几十年。尽管由于 电气系统成本过高而未得到实际应用，但是在这期间直线感应电机却获得了迅速的发展。 1 9 0 5 年，提出了用直线感应电机推动火车的想法，但是由于已有的推动机构在速度，加速 度和可靠性等方面已经满足要求，所以没得到应用。1 9 4 6 年，美国西屋公司研制的用直线 感应电机推动的飞机弹射器，获得了很大的推力，速度和加速度。但是由于成本太高没有得 到应用。随着原子能工业的发展，需要抽吸液态金属，于是直线感应电机在这一领域得到普 遍的应用。1 9 5 2 年，美国研制出钾钠电磁感应泵，前苏联也与1 9 5 4 发表熔融金属电磁感应 泵理论，后来又发展了铝泵和钢泵。我国也于2 0 世纪7 0 年代开展了这方面的研究和应用， 中国科学院力学研究所和上海电器科学研究所与1 9 7 9 年出版了液态金属电磁泵一书。 用直线感应电机原理发展的电磁搅拌器，在搅拌钢水和各种连铸机上已经得到广泛应用。近 十年来，由于交通运输的飞速发展，许多发达国家，比如德国，日本，美国，都大力研究用 直线电机作为火车推进动力，并与磁悬浮技术相结合，提出了磁悬浮列车的概念。我国也在 1 9 9 1 年正式开始这方面的研究试验，并与德国合作在上海龙阳路到浦东机场成功地建成了 世界上第一条商业运营磁悬浮列车示范线，2 0 0 3 年已经正式开始运营引。 目前，对直线感应电机的研究多着眼于设计制造以及动静态特性的分析，在直线感应电 机的模型分析方面，国外学者提出了很多种分析方法，应用于不同的场合，但是还没有形成 统一的、比较成熟的模型分析方法。除了传统的集中参数的电路理论法和分布参数的电磁场 理论外，国内外学者还积极进行了其他分析方法的研究h 8 1 。 日本学者采用顺序无约束极小化技术( s u m t ) 对单边型直线感应电机的设计制造进行优 化h 引；韩国学者则在采用了有限元分析方法考察了直线感应电机的性能，并结合s u m t 方法 对电机进行了优化设计酬：d a e - k y o n gk i m 等人用有限元方法求解了直线感应电机的等效电 路的电气参数晦。国内学者在这方面也有一定的建树，卢琴芬等对大气隙直线感应电机进行 了力特性的分析：易萍虎等人应用多层傅利叶分析来求解气隙磁场和次级涡流场，研究直线 感应电机的磁场分布和运行特性拉7 。：焦留成等人研究了直线感应电机结构参数对功率因数及 其效率的影响等晗。 1 3 电机优化设计的方法 1 3 1 电机优化设计方法的发展现状 电机优化设计是借助于计算机从预定的优化目标出发，在满足国家标准、用户要求以及 特定约束条件下根据电机设计的数学模型，运用数学规划中的最优化理论，寻求电机设计方 案最优化，使电机效率、体积、功率、重量等设计性能指标达到最优的一种电机设计技术。 2 第一章绪论 根据最优化理论，在给定设计目标及约束条件的基础上建立的数学模型后求解该模型，所得 的优化设计实际上是在给定约束条件下的一种“极限”设计，这种设计方法具有设计周期短、 设计质量高、经济效益好等明显优点，因此引起了工程技术人员的广泛关注。 从六十年代初期，国外开始出现应用古典极值理论进行电机优化设计的程序，1 9 5 9 年 g l g o d w i n 首先提出了一种鼠笼形异步电动机的优化设计程序，1 9 6 1 年0 w a n d e r s o n 提出 的用梯度法对同步电机进行优化的程序h 1 。但正式采用数学规划方法对电机进行优化设计则 始于1 9 6 6 年的r c h i n z i n g e r 与1 9 6 7 年的r j d u f f i n 和c z e n e r 。1 9 6 8 年起a p p e l b a u m 和 m s e r i l i c k i 提出用边界搜索法对异步电机与电磁装置进行优化设计1 。1 9 7 7 年他们还就 此法用于一条电器生产线的优化设计进行了讨论。此法要求目标函数是一个正多项式，实际 应用时受到了一定的限制。1 9 7 1 年印度的r r a m a r a t h n a m 等人用罚函数法( s u m t ) 法进行 了异步电机的优化计算，并在1 9 7 3 年发表了用各种优化方法对异步电机优化设计结果进行 比较的文章哺1 。1 9 7 5 年起m e n z i e sr w 与n e a lg w 提出用最小p 次幂法为基础的优化程序 设计大型同步电机。由于罚函数法的还存在一些不足之处，后来又发展了各种改进的方法， 如增广拉格朗日罚函数法，可变容差法，精确罚函数法等阳1 。在此期间，人们又陆续将坐标 轮换法，模式搜索法，鲍威尔法，正多面体法等优化算法应用于电机优化设计领域。 国内电机的优化设计始于七十年代中期，1 9 7 7 年上海电器科学研究所与复旦大学联合 发表了关于异步电机优化设计的文章，此后吉林电力学院、哈尔滨电工学院、清华大学、合 肥工业大学等相继开展了电机优化设计的工作。清华大学较早把混合离散规划方法应用于优 化设计程序并设计了一些高效率的专用三相异步电机，主要指标达到当时世界同类产品先进 水平，并且都取得了显著的经济效益旧1 。 随着电工技术的不断进步，工程数学和现代电气工程理论的不断创新，人们提出了一些 搜索能力更强，速度更快的优化方法，这些方法可分为以下几种情况：( 1 ) 对传统优化方法 加以改进形成的优化方法；( 2 ) 将几种传统优化方法加以综合利用，取长补短而形成的优化 方法；以上两种情况都在不同程度上达到了提高优化速度、改善寻优效果的目的，但在力图 寻求全局最优解方面，效果都不理想。近十余年来，基于新的数学全局优化理论的全局优化 方法得到了迅速的推广和应用，这其中包括遗传算法，模拟退火法，列表寻优法等，人们把 这些算法应用于电机优化设计领域，取得了很大的成功；近年来，将专家系统、人工智能的 思想应用于电机优化设计形成了智能化电机优化设计方法，许多电机设计工程技术人员都 在进行这方面的研究u 叭1 1 1 。 由上述可见，电机优化技术涉及数学规划理论、电机设计理论、计算机科学等多门学科 知识的综合技术。电机优化技术的发展，与这些方面的发展是分不开的。适合于电机优化技 术的优化方法，人们已经进行了大量的研究，提出了不少具有实用价值的优化方法，从较早 提出的坐标轮换法、模式搜索法、惩罚函数法、正多面体法等等，到后来提出了具有全域搜 索能力的随机试验法和近几年出现的模拟退火算法及模拟进化算法等，又到融合了专家系统 思想和人工智能技术的智能型电机优化设计方法，它经历了一个由简单到复杂，由古典极值 3 东南大学硕士学位论文 寻优方法到基于概率论的随机寻优方法、由按照既定步骤机械搜索到智能优化的过程1 2 1 。 1 3 1 电机优化设计方法的发展趋势 电机的最优化设计是国内外的电机工程技术人员普遍感兴趣的课题，经过人们的努力， 它己在电机设计领域中日益发挥着作用，许多有价值的电机优化程序已经在国内相继出现， 但由于电机优化设计的复杂性，它在许多方面还不够完善，主要有以下几点u 引： l 、全局最优点问题。工程设计人员都希望设计方案能够真正达到最优，但现有的优化 方法一般都还只能求出局部区域的极值点。电机优化设计是一种复杂的多目标、多约束、非 线性的混合离散型多维空间优化问题，这就使得求解全局最优点的过程和结果的判断变得更 加困难。 2 、改进设计方法。提高电机性能计算程序的可靠性和实用性。在电机优化设计过程中， 需利用电机性能计算程序计算目标函数和各约束条件。因此，电机性能计算程序的计算精度， 将直接决定着电机设计质量的高低，影响着电机设计方案的可靠性和实用性。 3 、多目标优化问题。衡量电机设计优劣的标准是多方面的，这样就使得只用单一的目 标函数进行优化就难以满足设计者对几项设计指标达到最优的要求。要解决这一问题，就必 须进行多目标优化设计的研究。由于多目标优化问题本身的复杂化，目前的求解方法还很不 完善，并有许多理论性问题需进一步探讨。 针对电机优化设计中所存在的不完善的方面和问题，近几年来，随着人们对优化方法的 进一步研究和相关学科在优化理论和技术上的发展，电机优化也正朝着高搜索效率、高可靠 性、智能化的方向发展。其它学科的研究成果和电机技术本身的发展相结合，推动了电机优 化技术的进一步发展和完善。归纳起来，其发展趋势大致如下u 引： l 、将专家系统的思想应用于电机优化设计中，形成智能化电机优化设计专家系统。专 家系统是一种知识信息加工处理系统，由环境模型、知识库和控制策略三部分组成。环境模 型包含已知事实及工作过程中动态形成的事实；知识库中存储特定领域的专业知识；控制策 略是描述如何使用知识库中已积累知识的知识。 2 、加强优化方法的研究，搜索全域最优解。 3 、多种优化方法相结合。传统的优化方法具有搜索效率高、计算收敛稳定的优点，但 所求得的解与初始点有很大关系，往往不是全局最优，仅仅是一个非劣解或局部最优解；而 具有全局搜索能力的算法如蒙特卡洛算法和模拟退火算法，往往搜索效率较低，优化效果不 稳定。如何将二者有机结合起来，取长补短，成为当前电机优化领域中的一个方向。 1 4 本论文研究的内容 本论文主要结构安排如下： 1 、第一章为绪论部分，主要介绍了课题研究的背景和意义，着重介绍了直线感应电机 4 第一章绪论 的发展现状和电机优化方法的应用现状以及发展趋势。最后安排了全篇论文结构。 2 、第二章介绍直线感应电机的基本原理、特点和分类，并详细阐述了直线感应电机的 端部效应。本章还简要介绍了直线感应电机的电磁设计，为后面几章全面展开优化设计工作 奠定了基础。 3 、第三章详细阐述直线感应电机等效电路电气参数的计算过程和电机性能分析过程， 并在此基础上，分析电机结构参数对电机性能的影响。 4 、第四章介绍了遗传算法的基本原理和现有的几种自适应遗传算法以及它们的不足之 处。并在原有算法的基础上，通过对种群初始化、交叉概率和变异概率进行改进，得到了一 种新型自适应遗传算法，提高算法的全局搜索能力。 5 、第五章建立了直线感应电机的优化模型，并利用v c + + 编制电机的优化程序。最后给 出了电机的优化结果并对结果进行了分析。 5 东南大学硕士学位论文 第二章直线感应电机的基本原理和电磁设计 2 1 前言 直线感应电机是一种较为新颖的电机，主要是由于直线感应电机没有从旋转运动到直线 运动的变换装置，是一种能将电能直接转换成直线机械能的电力传动装置。尽管早在1 9 世 纪就有人提出了这种传动装置，且实际生活中许多场合也需要直线运动，但过去很长一段时 期，由于没有充分发挥直线感应电机的长处，避免和克服它的短处，因此在需要直线运动的 场合中，还大多采用技术上早已成熟的旋转电机。实践证明，直线电机只有向着其它驱动装 置所不能满足，或者使用其它驱动装置有困难，经济上不合算的领域发展，才能找到直线电 机独特的应用领域。因此近几十年来直线电机才被真正开发应用在工业生产中，形成了产品 和商品【1 劓。 2 2 直线感应电机的工作原理和特点 2 2 1 直线感应电机的工作原理 直线电机可以认为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，然后将电机沿圆周展成直线( 如图2 - 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。 定子 次级初级 i a ) 沿径向剖开b ) 把圆周展成直线 图2 - 1 旋转电机转化为直线电机 直线感应电机不仅在结构上与旋转感应电机相类似，其工作原理也是相似的。以单边扁 平型直线感应电机为例，其基本工作原理是：当初级三相绕组通入三相对称正弦交流电时， 就会产生气隙磁场。当只考虑正向基波磁场时，气隙磁场沿初级呈正弦分布。当三相电流随 时间变化时，气隙磁场将沿初级做直线平移运动，这个平移的气隙磁场就是行波磁场。再由 楞次定律可知，行波磁场将在次级导体板上产生感应电流。又由安培定律可知，次级导体板 6 第二章直线感应电机的基本原理和电磁设计 中的感应电流和气隙磁场相互作用便产生连续的电磁推力n 5 1 。 2 2 2 直线感应电机的特点 直线感应电机可广泛应用于交通、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n 引： ( 1 ) 无需任何中间传动装置，直接产生直线运动机械能，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 ) 直线感应电机的速度不受限制，可以通过调速装置提高电机的速度。 ( 3 ) 直线感应电机运行过程中，无机械接触，从而使机械损耗大大减少。 ( 4 ) 直线感应电机的结构简单，散热效果好，使用时受周围环境的影响小， 当然，直线感应电机也存在不足之处： ( 1 ) 直线感应电机的气隙大，故所需的磁化电流也较大。 ( 2 ) 直线感应电机的初、次级开断导致了边端效应的产生，从而使l i m 的功率冈数和效 率都比较低。 2 3 直线感应电机的分类 直线感应电机与旋转感应电机的定子侧对应的一侧称为初级，与转子侧对应的一侧称为 次级。直线感应电机可以有两个面对面的初级构成一台电机，称之为双边直线感应电机如图 2 - 4 和2 - 5 所示。只有一个初级的直线感应电机，称之为单边直线感应电机如图2 2 和2 3 所示。 直线感应电机驱动有两种方式，即可以让次级运动，也可以让初级运动。无论哪种方式，都 必须将固定的一侧做的足够长，以保证在整个运动范围内初、次级之间保持藕合关系。当固 定初级让次级运动，称之为长初级直线感应电机如图2 - 3 和2 - 5 所示；也可以固定次级让初级 运动，称之为短初级直线感应电机如图2 - 2 和2 - 4 所示。本文主要研究如图2 - 3 所示的单边长 初级短次级直线感应电机。 厂 厂 l 同r 同曰目日日国日日日目日日i 同同f i 曰囤日日日目目& 日日日 = 二= 二二二= = = 二二= 二二二二= 二二二二= = 二二二 二二二二= 二二 图2 2 单边短初级长次级直线感应电机图2 - 3 单边长初级短次级直线感应电机 厂 厂 f | 同f | 囵日日日日日日日日日日l f ! f if | 日臼日日目日日日日日日l 二二二二= 二= 二二二二二= 二二二二二二二二= 二二二二= 二二二二二二二 u b n 弧珀h 印n 瑁可团u h 邮n 珀u h 酊n 硼 【，一i。一 图2 4 双边短初级长次级直线感应电机图2 - 5 双边长初级短次级直线感应电机 7 东南大学硕士学位论文 2 4 直线感应电机的端部效应 从物理结构上来看，直线电机与旋转电机的区别主要是结构上不再具有对称性，有了铁 心的开断，这样就会引起电磁场的不对称，在文献【1 7 】中将这种电磁场边端的畸变分成的四 类端部效应，分别是静态纵向边端效应、动态纵向边端效应、静态横向边端效应以及动态横 向边端效应，在此给予介绍。 2 4 1 纵向端部效应 1 静态纵向端部效应 由于直线感应电机的铁心开断和绕组的不连续，造成直线感应电机各相绕组的阻抗不对 称，因此即使在加上三相对称电压时，三相绕组中流过的三相电流也不可能对称。利用对称 分量法将其分解成正序、负序和零序电流，对应产生正向行波磁场、反向行波磁场和脉振磁 场。其中后两类磁场是在运行过程中将产生阻力，增加损耗，使直线感应电机的推力和效率 降低，而且由于反向行波磁场和脉振磁场是铁心开断引起的，所以是无法通过附加措施完全 消除的。此种效应在次级静止时就存在，因此称为直线电机的静态纵向边缘效应。 图2 6 动态纵向边缘效应解释不意图 2 动态纵向端部效应 当直线感应电机运行时，由于次级导体板突然进入和离开初级区域而造成的边缘瞬时效 应，称为动态纵向边缘效应。为了说明这种边缘效应，假定气隙中只存在正向行波磁场，且 次级与行波磁场同步运行，此时次级与行波磁场保持相对静止，因此，次级导体板上应该没 有感应电流产生。但是，实际上次级导体板上仍能产生感应电流。如图2 6 所示，当c 在 c 2 位置时，因为次级与行波磁场是相对静止的，所以在电路c 中没有感应电流的存在。同样， 当c 在c o 和c 4 位置时，因为没有行波磁场的存在，故在电路c 中也没有感应电流的存在。 但是当c 处在c 。、c a 位置时，在电路中就有感应电流的产生，因为这时由于有铁心开断端， 在次级进人c 。和离开c 3 位置时，与次级导体板相交链的磁通发生了变化，有电磁感应原理 可知次级中会产生抵抗磁场变化的感应电流，这种感应电流称为动态纵向边缘效应电流，它 使移动磁场发生畸变，从而引起附加损耗，降低电机的效率。 8 第一二章直线感应电机的基本原理和电磁设计 2 4 2 横向端部效应 1 静态横向端部效应 所谓静态横向边缘效应就是指电机横向两个边端之间，由于磁场扩散而导致气隙磁场横 向分布的不均匀现象。由2 7 图可见，在铁心宽度方向( 即横向) 的中间部分磁场分布基本上 是均匀的，而在横向的边缘区域磁场有所削弱。按图2 - 7 所示的磁场分布可以做出边缘区域 的磁通密度沿横向的分布曲线( 如2 - 8 所示) 。对于直线感应电机，一般其次级导体板的横 向宽度常常是大于初级铁心叠片的宽度。所以通常可以不考虑由于横向边缘磁通密度分布不 均匀所产生的主磁通总量的变化，即可以不考虑静态横向边缘效应。但是，对于像电磁泵一 类的直线电机，因其次级导体板的宽度与初级铁心叠片的宽度往往是相等的，而且电磁气隙 与初级铁心的宽度的比值又较大，这就必须考虑静态横向边缘效应。 f f 丁下丁竹下t 下下t f f f 丁t 丁丁 图2 7 气隙磁场沿初级横向的分布图2 - 8 气隙磁场沿横向边缘磁通密度的变化状况 r 、 。、 o 伊心 ，、 碲 _ 心矽心矽 c ) j a ) 电流分布 b ) 磁通密度分布 图2 - 9 次级导体板中电流分布( 端部为超导时) 及气隙磁通密度沿横向的分布 2 动态横向端部效应 所谓的动态横向边缘效应是指当次级导体板中有感应电流流过时，感应电流对气隙磁场 9 一；。m罴- 东南大学硕士学位论文 沿横向分布的影响。若次级导体板沿横向伸出铁心的部分是用超导材料制成的，也就是说次 级导体板仅在铁心叠厚范围内存在电阻，此时次级导体板上的电流分布如图2 9 a 所示。由 图可见，在铁心叠厚范围内电流分布是平行的，即只有y 轴方向的分量。对应于这样的电流 分布，其对空载气隙磁密在沿横向的分布影响如2 9 b 所示。由图可见，在不存在端部电阻 的情况下，次级导体板感应电流的存在，仅改变合成气隙磁通密度的幅值，而不改变它在沿 横向分布的形状。 但是事实上，次级导体板的端部是不可能用超导材料制成，因此也就有电阻存在。由于 端部有电阻存在，在铁心叠厚范围内电流分布不再如图2 9 a 中所示，而是如图2 1 0 a 所示。 由图可见，次级电流在铁心叠厚范围内不仅有y 轴方向的分量，而且还存在着x 轴方向的分 量，次级导体板中的电流有一部分在铁心叠厚范围内就闭合了。对图2 - 1 0 a 的次级导体板中 电流的分布，其合成的气隙磁通密度分布的形状将呈马鞍形分布，它与空载时气隙磁通密度 分布的形状大不相同，如图2 1 0 b 所示。 、 u 一、厂、 口口 一， u a ) 电流分布 歹h o l y ， b ) 磁通密度分布 图2 - 1 0 次级导体板中电流分布及气隙磁通密度沿横向的分布 2 5 直线感应电机的电磁设计 直线感应电机是旋转感应电机的一种特例，存在着一些独有的现象，如端部效应和由于 初级绕组“半填充槽”而引起的等效电路参数计算的不同等。本文在充分考虑上述现象的基 础上，把普通旋转感应电机的主要尺寸计算公式，经过由圆周运动到直线运动的换算，然后 利用这些换算后的公式，采用普通旋转感应电动机那样的电磁设计方法，来设计直线感应电 动机。现介绍如下n 引： 一、设计任务与额定数据 1 起动推力： 2 起动功率因数： f s l = 4 1 6 n ( 初选) c o s c p = o 1 3 1 0 第二章直线感应电机的基本原理和电磁设计 3 起动同步效率： 4 最大运行速度： 5 同步速度： 6 电源电压： 7 电源频率： 二、基本尺寸 1 极距： 2 极对数： 3 初级每极每相槽数： 4 初级绕组节距( 以槽数计算) ： 5 初级槽数： 6 初级齿距： 7 初级齿宽： ( 初选) r 。= 0 8 圪= 3 0 m s 圪= 4 5 m s u = 3 8 0 v ，m l = 3 f = 5 0 h z q l = 2 p m l q l + y 1 = 3 3 ，：j i _ ：1 5 c m ，l2 = 聊l g l 包= ，l b l = o 8 c m 8 单段初级铁心的长度：厶= 2 p r + f l y l + 饥= 5 0 3 c m 9 电机总段数： 1 0 初级铁心总长度： 1 1 初级轭高： 力= 4 l = n l l = 2 0 1 2 c m h 。= 2 8 c m 1 2 初级冲片的高度：h = h o + j 1 1 + 吃= 8 c m 1 3 电磁负荷： 1 4 初级绕组分布系数： a = 9 0 0 a c m ，b 6 = o 8 5 t 如2 考s i n ( - - x q l ) 卅 g ls m l i 一， 聊5 f i 妻f v 圪一 5 d o 乏 = i l 。 弘 p 吼 m 东南大学硕士学位论文 1 5 初级绕组短距系数： - s i n ( 羔争， 1 6 初级绕组系数： k 4 , , 1 = k d l k 9 1 = 1 1 7 反电动势系数： ( 初选) k 。= 0 5 8 5 1 8 初级铁心的叠厚： 三、初级槽尺寸 1 槽型： 2 槽口宽度： 3 槽口高度： 4 槽身宽度： 5 槽身高度： 四、初级绕组 1 绕组形式： 2 绕组连接形式： 3 初级绕组每相串联匝数： 4 并联支路数： 5 每槽导体数： 初级绕组线径及并绕根数： 7 导线截面积： 8 槽的有效面积： 9 槽满率： 五、次级导体板 乞= 瓦f f 瓦 - 2 k e 瓦f s , 瓦x 1 0 面2 = 8 c 朋 开口槽 b o = 0 7 c m h o = 0 2 c m b l = o 7 c m h l2 5 c m 星型连接 形：垒竺! 兰! q ：2 9 6 1 2 2 f lb , k a p l 订6 a l = 1 z 1 ：盟：5 9 旦：坐，l ：3 d o 4 , 1 1 8 m m 1 以= l 等以渤朋2 彳。r = 4 0 8 7 c m 2 铲警洲s s 1 2 第二章直线感应电机的基本原理和电磁设计 1 次级形式： 2 次级的厚度： 3 次级的宽度： 4 气隙宽度： 5 次级的长度： 2 6 本章小结 钢性次级 d = 2 o c m c = 1 0 9 c m 6 = 0 2 c m ，= 5 0 3 c m 本章首先介绍了直线感应电机的工作原理和特点以及直线感应电机的分类。着重介绍了 直线感应电机的纵向端部效应和横向端部效应。本章还简要介绍了直线感应电机的电磁设 计，根据电磁设计理论，得到了一组直线感应电机的基本尺寸，为后面电机的优化设计提供 了一组初始数据。 1 3 东南大学硕士学位论文 第三章直线感应电机的等效电路和性能分析 3 1 前言 直线感应电机的电气参数对其运行性能具有重要价值，因此研究直线感应电机的电气参 数的计算是人们普遍关心的研究课题n 引。长期以来，对于直线感应电机的电气参数，还没有 一套较为完整的高精度计算方法，往往采用一些较为简单的磁阻抗解析法。但是，由于直线 感应电机的电气参数计算复杂，除了具有直线电机固有的边缘效应外，还有十分强烈的集肤 效应的影响，这使得解析法求解的电气参数达不到要求的计算精度。 有限元数值算法在电机电磁场计算中己被广泛采用。在文献 1 9 和 2 0 中，采用有限元 法求解了直线电机电磁场，并在此基础上，求出了电机的电气参数。但是，它们都要对电磁 场进行多次有限元分析，计算量大，计算时间较长。尤其是文献 1 9 中，在计算次级电阻时， 要根据等效电流层来估算次级电流，这样不仅降低的计算精度，而且使计算过程更加复杂。 本章在有限元求解直线感应电机二维涡流电磁场的基础上，根据能量守恒定律和对空载气隙 磁场的傅里叶分解，对直线感应电机电气参数进行了计算。此方法解决了解析算法不能准确 考虑边缘效应和集肤效应对电气参数的影响问题，提高了电气参数计算的准确性。本章详细 讨论了此方法的计算过程，并应用求得的等效电路对电机进行了性能分析。 3 2 电磁场有限元法基本理论 1 9 6 0 年，c l o u g h 在一篇题为“平面应力分析的有限元法”的论文中首先提出有限元法 ( f i n i t ee e m e n tm e t h o d ) 这个名称。1 9 5 6 年，w i n s l o w 将有限元法应用于电气工程问题。 1 9 6 9 年，s i l v e s t e r 把有限元法推广到时谐电磁场问题。发展至今，在电气工程领域，有限 元法已经成为各类电磁场问题定量分析的主导数值计算方法。传统的有限元法以变分原理为 基础，首先把所有求解的微分方程型数学模型( 边值问题) 转化成相应的变分问题，即泛函 求极值问题；然后利用剖分插值，将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题，最终归结 为一组多元代数方程组，求解方程组既可得到边值问题的数值解。 3 2 1 低频场的边值问题 麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程描述了电磁场的变化规律控，该方程有微分与积分两种表达方 式。微分方程表示法： 1 4 第三章直线感应电机的等效电路和性能分析 v h ：，+ 0 1 9 o t v b = ” ( 3 1 ) v e ：一a b 研 v d = p 积分方程表示法