（电工理论与新技术专业论文）直线感应电机电磁特性数值计算与仿真设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a bs t r a c t a tt h e p r e s e n td a y , u r b a nt r a f f i c i s b e c o m i n g w o r s e i n c r e a s i n g l y d e v e l o p m e n to fu r b a nw h e e l - o n r a i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m si su r g e n tt os o l v et h e u r b a nt r a f f i cp r o b l e m s t h el i n e a rm o t o ri san e wd r i v i n gt y p eo fu r b a nr a i lt r a n s i t s y s t e ma n dt h er e s e a r c ho nl i n e a rm o t o r sh a sb e c o m et h ef o c u sc u r r e n t l y t h e l i n e a rm o t o ri sak i n do fg e a r i n gw h i c hc 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 y i 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 ec o n v e r s i o nd e v i c e c o m p a r i n g w i t ht h et r a n s m i s s i o nf o r mo f ”r e v o l v i n gm a c h i n em e c h a n i c a l c o n v e r t e r ”，t h el i n e a rm o t o rh a so b v i o u sa d v a n t a g e s ：s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，n o c o n t a c to ra 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 a st h er o t o ro fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri so fs u c hs o m ec h a r a c t e r sa sc u t o f f e n d s ，b i ga i r g a pl e n g t h ，a n ds oo n ，i t sp e r f o r m a n c e sa r el a r g e l yd i f f e r e n tf r o m g e n e r a lr o t a r ym o t o re v e ni ft h e ya r eo ft h es a m ew o r k i n gt h e o r y ，e f f i c i e n c y ， p o w e rf a c t o ra n ds t a r t i n gp e r f o r m a n c ea r ea l lm u c hl o w e rt h a ng e n e r a lr o t a r y i n d u c t i o nm o t o r b u tt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hm e c h a n i cr e l i a b i l i t y ，h i g h c o n t r o la c c u r a c y ，d i r e c t l y d r i v i n gl i n e a rm o t i o n ，a n ds oo n ，w h i c hm a k el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r t ob ew i d e u s ei nm a n yf i e l d s ，e s p e c i a l l yi nu r b a nt r a f f i cs y s t e m l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r w i l lp l a yag r e a ti m p o r t a n tp a r ti nt r a c t i o n ，a n da b s o l u t e l yr e p l a c et h er o t o r i n d u c t i o nm o t o r s o ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho nl i m i nt h i sp a p e r ， m o r ea t t e n t i o ni s p a i dt o t h ea n a l y s i so ne n de f f e c ta n de l e c t r o m a g n e t i c p e r f o r m a n c eo f t h es 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 ) t h ef o u n d a t i o nt h e o r ya n dp r o p e r t yo ft h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r si s i n t r o d u c e df i r s t l yt h e o r e t i c a la n a l y s i so na l lk i n d so fe n d e f f e c t so fs l i mi s g i v e n e f f e c to np e r f o r m a n c eb ys e c o n d a r y m a t e r i a li si n t r o d u c e d t h e n ，b a s e do n t 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 eb e t w e e nl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra n dr o t a r y i 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 er e s e a r c hm e t h o do fr i m ，w eg e ta c o m p l e t ee q u i v a l e n tc i r c u i t ，c o n s i d e r i n ge n de f f e c t so fl i m ， a n du s em a t l a b t oc a l c u l a t et h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i co fl i m w eg e tc u r v eo fs l i m st h r u s t f o r c e ，e f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o rw i t ht h ed i f f e r e n tc u r r e n ta n di t sf r e q u e n c y ， a i rg a p ，s e c o n d a r ys t r u c t u r ea n dv e l o c i t y t h i sp a p e rs i m u l a t e sl i mb ym a x w e l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 2 d ，a n di t ss t r u c t u r ep a r a m e t e ra n dr u n n i n gp e r f o r m a n c ei sf o c u s e do n i nt h e e n d ，t h ed e s i g no fl i m sd i m e n s i o n si si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：s l i m ；e q u i v a l e n tc i r c u i t ；c a l c u l a t i o ni nf e m ；a n s o f t 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书： 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位敝储躲而缸犯指刷币等罗钐侈色 日期：如喀年6 月函e t 日期：多切庐6 月刃e l 西南交通大学 学位论文创新性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 、本文中应用到的等效电路法是将纵向边端系数和横向边端系数计入的 完全等效电路，考虑到直线电机的边端效应。 2 、利用a s o f t 软件进行磁场仿真，可以直观准确的分析电机电磁场的分 布，结构和制造材料对电机性能的影响，电压电流和速度的变化在推力和法 向力上的作用效果等。 学位论文作者签名：腓 日期：缈年石月 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 概述 第1 章绪论 交通运输是国民经济的重要基础，一个国家是否发达，从其交通运输的 情况就可做出判断，随着社会与经济的不断发展，对交通运输不断提出新的 要求。而科学技术的迅速发展也为发展新的交通运输工具提供了条件，奠定 了基础。经过人类的长期努力，当代常规交通工具已有很大进步，但与迅速 发展的经济相比，还存在不少问题，如飞机误点、高速公路的堵塞与事故频 繁，大量汽车使用造成的严重大气环境和噪声污染、交通工具大量耗用石油， 而世界矿油资源不久将枯竭等。此外，从人类交通科学合理的角度来看，一 般认为，航空的合理飞行速度应大于5 0 0 k m h ，汽车的最高合理速度应小于 2 5 0 k m h ，而火车( 指目前的常规火车) 的运行速度将在4 0 0 k m h 以内。因为， 火车是靠旋转的车轮和轨道的摩擦力行驶的，车轮转动的越快，摩擦力相应 地就减少，从而使车速受到限制。火车只要在轨道上用轮子行驶，时速在力 学理论上就很难超过4 0 0 k m h ，即认为4 0 0 k m h 以上时，普通车轮已失出摩 擦力，不能产生推力。而要想研制出4 0 0 k m h 以上时速的高速列车，就必须 使列车车辆悬浮起来行驶，所谓车辆悬浮就是车辆本身与路面之间没有机械 接触，能做到这一点的，目前只有用直线电机驱动的磁悬浮列车，简称磁悬 浮列车。直线电机在实现新的理想的交通输送工具方面，发挥了重要的作用， 它所具有的高速、舒适、安全、无污染、无噪音、无振动、节能等优点越来 越获得了人们的青睐。 1 2 直线电机的发展与现状 直线电机与旋转电机相比，在实现直线运动的应用中具有很多旋转电机 所不具有的优点，因此在近几年的发展速度之快和应用范围之广显而易见。 直线电动机是一种能将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置，在 实现直线运动中省去了齿轮传动和从旋转到直线运动所需的变换装置。本文 中所提到的直线电机都是指直线电动机。这种直线传动装置的发展经历了 1 6 0 多年的历史，从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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 形但并不成功的直线电机至今，直线电机经历了探索实验、开发应用和使用 商品化阶段。 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年的1 1 6 年期间，直线电机处于探索实验阶段。由于 当时的制造技术、工程材料以及控制技术的现状，最终未能成功。不过，科 学家构思的各种形式的直线电机，为后来的应用奠定了基础。比如，向着电 磁炮和电磁弹射器方面发展。 在1 9 0 5 年，曾有人建议将直线电机作为火车的推进机构，有许多国家的 科研人员都投入了这些工作。虽然当时直线电机的经济性和可靠性还不具备 竞争力，但是这个课题却一直吸引着科研人员的浓厚兴趣，一直发展到现代， 己经有包括我国在内的国家获得了实验性的成功和应用。 2 0 世纪后期，由于科技的飞速进步，各种辅助技术的不断完善，直线电 机进入了开发应用时代，它被广泛应用于现代化的自动控制系统中，给电机 带来速度革命，引领磁悬浮时代的到来，如高速磁悬浮列车，电梯，超高速 电动机等，直线电机的光芒愈来愈耀眼。 经济的发展刺激科技的发展，直线电机以其无以伦比的作用成为商业的 焦点，在很多o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ，原始设备制造商) 应用领域，直线电机曾一度被认为是昂贵且少见的，而现在，它们变成了极 具价值且广泛应用的设备。除了在半导体和机床领域能够提供纳米级别的精 度，直线电机现在能够满足从医疗设备到封装、印刷甚至金属加工等多个领 域的设计工程师的要求，需求的增长与成本的降低为其打开实用商品化时代。 相对于国外，我国直线电机的研究和应用起步比较晚，从2 0 世纪7 0 年 代初才开始。现在国内直线电机的研究机构主要有浙江大学、西安交通大学、 中国科学院电工所、上海大学、太原工业大学、焦作矿业学院、清华大学、 北京交通大学等，浙江大学成立了全国首家直线电机研究所，已形成了一支 直线电机的开发、研究队伍。自1 9 8 2 年开始全国直线电机学术会议定期召开， 促进了我国直线电机的发展。我国在直线电机的应用尤其是直线感应电动机 的应用上也取得了可喜的成果，主要有浙江大学的遥控直线电动窗帘机，智 能化直线电机驱动的电梯、物流传输系统，直线电机驱动的邮政分拣机、炒 茶机，上海工业大学的浮法玻璃生产用直线电机、直线电机驱动的自动门等， 此外，2 0 0 2 年底，磁浮列车在上海试通成功，直线电机在煤矿生产、驱动大 型游乐设备、工业技术与装备业及信息与自动化等方面的应用也取得了一些 成果。应用的需求推动了电机理论的发展。在理论研究上，国内也发表了许 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 多文章，出版了一些相关的书籍。 目前我国直线电机技术开发及研究已取得了一定成就，直线电机跨国企 业和研究机构中发挥重要作用的技术开发骨干很多都是华人学子。但与国外 相比，我国直线电机的研究应用方面还存在很大差距，国内一些应用直线电 机驱动的机电自动化装备的企业主要依赖进口，其现状严重制约了国家综合 科技的发展。这需要直线电机研究单位及研究人员的共同努力进一步提高国 内直线电机的研发水平，促进我国直线电机产业化发展。 1 3 课题意义及国内外研究现状 1 3 1 课题研究的背景和意义 随着人类物质文明的发展，城市的规模不断扩大，势必使得城市内的人 流量增大，传统的公交系统己难以承受客流量的不断增大。因此人们从安全、 快速、舒适和经济性等多方面对现代交通系统不断提出新的要求，而运载能 力大的城市轨道交通系统则是解决这一问题的较好办法。因此，从1 8 6 5 年， 伦敦出现第一条地下铁道后，城市轨道交通系统经过1 4 0 多年的发展，已形 成传统轮轨系统、独轨系统、直线感应电机牵引的轮轨系统和磁悬浮系统等 多种系统并存的发展格局，从不同方面满足了人们对交通系统的要求。这其 中，传统的轮轨系统由于技术成熟、系统可靠而被广泛的采用：磁悬浮系统 是一种新兴的交通系统，超高速磁悬浮以日本的m l x 和德国的t r 为代表，适 用于大长干线，而日本的中低速磁悬浮( h s s t ) ，其速度在l o o k m h 左右，适 用于城市轨道交通；直线电机轮轨道交通是介于传统轮轨系统和磁悬浮系统 之间的一种方案，兼有轮轨交通的安全可靠和磁悬浮系统非粘着牵引的优点， 适合城市轨道交通发展的需要心”。因此从适用性的角度，其发展在各个国家 正受到较为广泛的关注。始于1 9 8 6 年的加拿大温哥华的s k y t r a i n ，已有二 十年的成功运营案例，到2 0 0 2 年创造了高效、可靠运营1 0 亿公里的纪录。 在马来西亚吉隆坡的p u t r ai i 线、美国纽约j f k ( 肯尼迪) 国际机场线、日本 大阪7 号线( 鹤见绿地线) 、东京地铁1 2 号线( 大江户线) 、斯卡伯勒快速运输 系统、底特律市区系统等七条线上直线感应电机牵引的轮轨系统均得到了应 用。而在国内该类系统尚处于开发、引进阶段。2 0 0 4 年8 月南车四方股份和 日本川崎重工、伊藤忠合作与广州地铁总公司签订了为广州地铁四号、五号 线提供7 5 列3 0 0 辆直线电机地铁车辆的项目合同。由于直线电机地铁车辆在 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 我国尚属空白，技术新，难度大，为尽快与国际先进水平接轨，在研制过程 中，南车四方股份采取集成创新与引进、消化、吸收再创新相结合的技术路 线，使该列车的国产化率达到了7 0 以上。截至2 0 0 5 年底，广州地铁4 号线 建成通车，标志着我国第一条采用直线感应电机车辆的地铁建成。磁悬浮方 面，日本于1 9 7 2 年开始研究应用于连接机场和市区的中低速磁悬浮( h s s t ) ， 其动力部分也是采用直线感应电机，并于2 0 0 5 年3 月建成名古屋东部丘陵线 t k l ( t u b ok y u r y ol i n e ) ，该线路是世界上首条商业化的中低速磁悬浮线路。 在国内，对采用直线感应电机的轨道交通车辆进行研究的主要有西南交通大 学和国防科技大学。国防科技大学于1 9 8 0 年开始磁悬浮列车的研制工作，先 后建成了c m s - 0 1 ，c m s - 0 2 ，c m s - 0 3 型实验用车。西南交通大学也在青城山建 受电轨 集电器 图1 - 1 直线感应电机轮轨交通车辆牵引部分结构示意图 图1 - 2 中低速磁悬浮车辆牵引部分结构示意图 边直线 应电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 立了磁悬浮技术示范铁路。二者均是采用短定子直线感应电机作为牵引电机。 从采用直线感应电机牵引的轨道交通系统在国外的发展可以看出，虽然 该类型的交通系统有各种形式，但均是采用直线感应电机牵引，如图卜1 和 1 - 2 所示。这种电机虽然结构简单，但同旋转电机相比有一定的差异，如果 要将其应用于实际，则需要对其理论有完善的理解，否则其在轨道交通中的 应用和发展是举步维艰的。 1 3 2lim 分析方法研究现状 直线感应电机由于其气隙大，是普通旋转电机气隙长度1 0 倍左右，起动 电流大，功率因数和效率都很低的原因，曾一度限制了直线感应电机应用的 推广。对端部效应的分析，多数研究只是将其对激励感抗做等效，用等效感 抗来替代激励感抗，以消除端部效应，但未对次级电阻做等效处理，故等效 电路存在一定的误差。 l i 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：直接解法，磁场分层分析法，边界单元法，有限元法幢“”。 ( 1 ) 直接解法 为了解决l i m 的边端效应问题，s h t u r m a ng i 和a r a n o vr l 在1 9 4 6 年 提出一维直接解法n ”，其基本思想：从m a x 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 l o u j a d o f f 引对一维直接解法提出了修正，推导了气隙行波 磁场的二阶、三阶和四阶方程，其中一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 i k i n s o n 1 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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 ll e n 和b a r t o n 2 1 首先提出，后来由g r i e g 和f r e e m a nl 1 3 j 、j f e a s t h a m 和r o g e r 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，磁密曰。连续，若交界面处无电流 存在，日，也是连续的，若各层的电流密度己知，就可以计算出电流各层的磁 场分量，然后根据m a x 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，用f o u r i 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 i rd a w s o n 和e a s t h a n 首次提 出种考虑初、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，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 r t e 和h u a n g 用边界单元法进行了l i m 的优化设 计。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 w e ll 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 na h n ，j r j u n gh o l 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- 。有限元的核心思想是结构的离散化，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l i m 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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。 1 4 本论文的主要工作 本文根据直线感应电动机的工作原理和电机自身存在的特点，在详细分 析国内外发展研究现状的基础上，对直线感应电动机的边端效应以及结构变 化、次级材料对于电机性能产生的影响进行了研究。本文的研究对象为铝 铁复合次级扁平单边型直线感应电动机。论文的主要研究内容如下： 1 、直线感应电机特性影响因素 分析直线感应电机的四类边端效应，次级材料及形式对直线感应电机的 影响。 2 、直线感应电动机的等效电路模型 考虑纵向和横向端部效应作用，得到记入边端效应的l i m 完全等效电路 模型。利用m a t l a b 软件对一单边直线感应电机进行实例分析，得到推力，功 率因数，效率等一系列的特性曲线，分析在不同条件下特性曲线的变化规律。 3 、直线感应电动机数值计算 利用a n s o f t 软件对直线感应电机进行了二维的实体电磁仿真，针对直线 感应电机电流频率，大小，转差率，气隙大小及次级材料单一次级、复 合次级进行的仿真，分析了次级材料对电机电磁场的影响，探讨了电机的推 力和法向力随之改变的幅度和规律。 4 、直线感应电机的设计 介绍直线感应电机主要尺寸的确定以及直线感应电机的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章直线感应电机的特性分析 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，分析次级材料及形式对直线感应电机的影响。 考虑纵向和横向端部效应作用，得到记入边端效应的l i m 完全等效电路模型。 利用m a t l a b 软件对一单边直线感应电机进行实例分析，得到推力，功率因数， 效率等一系列的特性曲线，分析在不同条件下特性曲线的变化规律。 2 1l lm 的工作原理、结构特点 2 1 1llm 的工作原理 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【- ”。 祝缀) 次肇钌缀 l l时 1 ) 沿径向翔开 b ) 把鞠周展成直线 图2 1 旋转电机转化为直线电机 l i m 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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。行波磁 场的移动速度与旋转磁场在定子i 8 圆表面上的线速度是一样的，即为屹 ( m s ) ，称为同步速度，且1 ，。= 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y 表示，转差率用s 表示，则有： j = ( 1 ，。一1 ，) 1 ，。，= ( 1 一s ) 1 ，。；其工作原理图如图2 2 引： 粼卜一 艇i j lj z ；划蝴 属捆 运动方詹l t t l t 一 一 o00 xx xi t 00o x x xx 彤 ， 图2 - 2 l i m 可广泛应用于交通、运输、 和旋转电机相比，它有以下优点川： 黛拳奠 l i m 工作原理图 传送装置及其他各种直线运动的场合， ( 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 ) 旋转电机由于离一1 5 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 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 2 1 2sl im 的结构特点 由旋转电机演变而来的直线电机，其初级和次级的长度是相等的，由于 在运行时初级和次级之间要做相对运动，二者之一固定，运动的一方在电磁 推力的作用下做直线运动，因此在实际的应用中，初级与次级必须制造成不 同的长度以保证在所需行程范围内初级与次级之间保持不变的耦合。在制造 时，既可以是长初级短次级，也可以是短初级长次级，一般情况下，次级做 的较长，其目的是为了减d , n 造成本以及在运行时的费用，因为次级可以是 整块均匀的金属材料，即可以使用实芯结构，成本较低，适宜于做的较长。 所以除了特殊场合需要外，一般均采用短初级长次级型。地铁和中低速磁浮 列车中的直线感应电动机即为此种类型。 直线感应电动机的结构主要包括初级及其绕组、次级和气隙三部分。图 2 - 3 为扁平单边型直线感应电动机的结构图。 1 初级 在扁平型直线感应电动机中，初级铁心是由硅钢片叠成，一面开有槽， 三相绕组嵌置于槽内，直线电机的初级与旋转电机的定子之间一个最大的差 别是旋转电机的定子铁心与绕组沿圆周方向是到处连续的，而直线电机的初 级铁心是开断的，形成两个端部边缘，出现了一个“进口端 和一个“出口 端 ，铁心和绕组的开断会对电机的气隙磁场产生一定的影响，称为纵向边端 效应，这种效应使电机的损耗增加，出力减少。 2 次级 直线电机的次级相当于旋转电机的转子，在短初级直线感应电机中，常 用的次级有三种：钢次级、非磁性次级和复合次级。对于钢次级，钢既起导 磁作用，又起导电作用，但由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁 性能较差，并且法向吸力也大( 约为推力的1 0 倍左右) 。非磁性次级是单纯的 铜板或者铝板，称为铜( 铝) 次级，它主要用于双边型直线电机中。而在实际 使用时，由于铜或铝的机械强度或刚度较小，导致非磁性次级的直线感应电 机承受不了大的推力或拉力，因此在实际工程中不多见。所以实际应用时一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 组 作用扳， 图2 - 3 直线感应电动机结构图 般是在钢板上复合一层铜板( 或铝板) ，称为铜钢( 或铝钢) 复合次级。在复合 次级中，钢主要起导磁作用，导电主要是铜或铝。当复合次级的铜板厚度大 于等于2 m m 或者铝板厚度大于等于4 m m 时，这种复合次级在设计时，可以作 为非磁性次级来计算。 3 气隙 直线电机初级与次级之间的间隙即为气隙。地铁和中低速磁浮列车中的 直线感应电动机的气隙相对于旋转感应电动机的气隙要大的多，主要是为了 保证在长距离运行过程中，能保持初级与次级之间不致相互摩擦。对于旋转 感应电机来说，气隙可以制造的很小，而直线感应电机则不容易制造的小， 这是因为当直线感应电机工作时，初级对次级的法向力会使次级板产生挠度， 影响气隙的大小。对于复合次级和铜( 铝) 次级来说，除了通常所说的机械气 隙外，还要引入一个电磁气隙的概念。因为铜或铝都是非磁性材料，其导磁 性能和空气相同，因此在磁场和磁路计算时，铜板或铝板的厚度应归并到气 隙中，总的气隙应由机械气隙( 单纯的空气隙) 加上铜板( 或铝板) 的厚度构成， 这总的气隙称为电磁气隙。 2 2 直线感应电机的边端效应 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，有了铁芯的开断，这样就会由于引起电磁场的不对称，在文献【2 】 中将这种电磁场边端的畸变分成的四类端部效应，分别是第一类纵向边端效 应，第二类纵向边端效应，第一类横向边端效应，第二类横向边端效应，对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 于问题的分析很有帮助，在此给予介绍。 由于铁心开断会导致各相之间的互感不等，进而在给初级输入三相交流 电压后，各相绕组中必然产生不对称电流。对直线感应电机初级输入三相对 称交流电压，利用对称分量法将它分解成顺序，逆序，零序电流，对应产生 顺序正向行波磁场，逆序反向行波磁场，零序脉振磁场。其中后两类磁场是 在运行过程中将产生阻力，增加损耗，而且由于逆序反向行波磁场和零序脉 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，这称为第一 类纵向边端效应。 对短初级直线电机而言，当初次级以较高速度相对运动时，由于涡流作 用，使得在初级的进入端和离开端产生相应的磁场畸变，称为第二类纵向边 端效应，这种畸变随相对运动速度的增大而加大，致使能耗增加，控制起来 更为复杂，成为了高速直线感应电机要研究的主要主题，同时由于它与速度 相关，所以最为复杂，也被称动态纵向边端效应。 第一类和第二类横向边端效应只存在于扁平型的直线电机中，因为圆柱 型结构的直线电机在横截面上是对称的。在扁平型直线电机中，当电磁气隙 与初级铁心宽度比值较大，而次级导体板又等于初级铁心宽度时，就需要考 虑横向边端磁场的削弱，这种效应被称为第一类横向边端效应。在运动中次 级导体板有反作用时，横向磁场的分布还受到次级导体宽度及其电导率的影 响，此时的横向磁场分布的不均匀称为第二类横向边端效应。 2 2 1 纵向边端效应 2 2 1 1 第一类纵向边端效应 第一类纵向边端效应是由于铁芯及绕组开断，三相间互感不等造成的。 由于互感不等产生了逆序磁场和零序磁场，如果可能的情况下，最好是用三 台直线电机串联使用，分别取三台电机的a 相，b 相和c 相合成一相串联起 来，这样就能很好的消除这部分脉振磁场，单台使用时也可以加相应的补偿 措施，可以通过增加极数的方法来减少它的影响，极数的增加会减小互感之 间的不对称，实际上，当极数大于或等于6 时，便可以忽略这一部分的影响 了。第一类纵向边端效应还有一部分是由于铁芯开断引起的分路磁通造成的， 分路磁通指的是由于铁芯开断，导致部分磁通会通过铁芯的背面和横向端面， 这一部分磁通跟随着主磁通按正弦规律脉振，参考文献 2 给出定量的计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 1 ) 对于偶数极，且不考虑铁心饱和，则气隙磁通密度为： 乓= 易ls i n ( c o t 一至x ) 一( 一1 ) 尸e ls i n ( c o t ) 乓。一气隙中行波磁通密度幅值 乓l = g 。rj t 。 皿；一气隙中脉振磁通密度幅值 b c l = 而d 乓。 d 一分路磁通所对应磁导的等效距离 ：皖(1+_2pr，d= 皖( 1 + _ ， 咯 皖一等效电磁气隙 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 疋= 。：，瓯 ( 2 - 5 ) 。一体电流密度幅值，f 一极距，尸一极对数，硒一空气磁导率。 ( 2 ) 对于奇数极，且不考虑铁心饱和，则气隙磁通密度为： b = 饬ls i n ( c o t 一兰x ) - ( - 1 ) 、2 盈2s i n ( c o t p) ( 2 6 ) 伊f 二、 f e ，一气隙中脉振磁通密度幅值 e 2 = 羔岛。 ( 2 7 ) “ n ( p r + d 1 “ 由甓和足：的表达式可见，在偶数极时，为了减小脉振磁通密度毽。，可 以减小d 或增加极数p ；在奇数极时，为了减小脉振磁通密度b ，；只能增加c 极数尸。通常当极数大于6 时，脉振磁通密度幅值与行波磁通密度幅值相比 可以忽略不计。 2 2 1 2 第二类纵向边端效应 第二类纵向边端效应由于初级进入或离开次级导体板而造成的瞬态边端 效应，这种动态的边端效应是旋转电极机与直线电机最基本的不同之处。当 初级和次级以小于初级行波磁场的速度相对移动时，假设此时次级导体版上 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 的感应电流闭合回路由a 进入b ，如图2 4 所示，则此回路中除了产生同旋 转电机同样的磁场外，还会产生另一部分感应电流，由楞次定律可知，这部 分感应电流会削弱气隙中的磁场，同样在闭合回路的出端也会产生一个加强 气隙中磁场的感应电流，它们是有寄生性质的，就是说当直线电机运动的时 候，此现象才会产生，因此又称为动态纵向边端效应。它会导致直线电机的 图2 - 4 第二类纵向边端效应解释用图 l 一初级绕组2 一次级导体板3 一初级铁心 损耗增加，功率因数降低，出力减小，控制复杂，是直线感应电机研究要解 决的主要问题。 已经过理论和实验的证明，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 - 5 ( a ) 所示。 图2 5 ( b ) 所示为次级涡流的变化情况，在次级的进入端涡流首先迅速上 升至初级电流值，上升的速度由时间常数t i - - l ，l r r 来决定，然后涡流按照 时间常数t 2 = l r r r 来衰减。而离开端的电流由初级的电流值衰减为零，衰减 的常数为t i ，其中为l r l 次级的漏感、r r 为次级电阻、l r 为次级电感。 图2 5 ( c ) 表示初级磁场和次级涡流磁场叠加后产生的气隙磁场，看见由 于边端效应的影响，气隙磁场产生了畸变。 纵向边端效应对高速运行的直线电机特性影响很剧烈，实际中对低速的 直线电机的特性影响较小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 w l b 鳓锄批嘲 篱 峥恤鲥蜘 o | ；：多 墨 一塑 图2 5 动态纵向端部效应示意图 纵向边端效应对直线电机所产生的影响可以归纳如下： 导致气隙磁通密度的竖直分量幅值沿纵向方向为不规则四边形；导致 次级涡流分布的不规则性。并且这种不规则性是随速度的变化而变化 的。 导致相电流的不平衡。 寄生制动力的产生。 下面首先分析纵向边端效应的磁场，然后导出计入纵向边端效应的系数， 从而可以将这个效应反映在等效电路中方便使用等效电路来计算直线电机的 特性。 纵向边端效应的磁场计算和分析 为了方便计算和分析，假设： 初级和次级的电流仅在y 方向流动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 气隙磁通仅有z 方向的分量。 那么在初级长度为2 p r 的直线电机，沿x 方向( 即：纵向方向) 的磁通密 度气满足下式： 等等“孝巾仃d r t 8 ， ：j 刀 a m ye x p ij ( c o t 一至x ) l 其中，d r 是复合次级( 反应板) 导电层相对于涡流电阻的等效厚度。如 果次级电阻r ：( s ) = r e z ：( s ) 】已知则仃。靠由下式表示： 仃以。咆南 q 。9 对单边型直线感应电机，r ：o ) 是导电层和导磁层的电阻。仃是考虑了横 向边端效应之后引入的等效电导，其比未修正的电导要小一些。 初级的线电流密度可以表示如下： 厶：巡 式( 2 8 ) 的解表示为： 力= 唧卜一争卟吒e 醑毒e 冲卜一纠 + 曰一肥e x p ( 。- x 口：，e x p c 研+ 罢工， 口， lti ( 2 1 1 ) 其中，t 是衰减波的极距；q ，口：是衰减波沿x 方向的渗透深度；口是 与初级电流之间的角度。 式( 2 - 11 ) 等号右侧第一项表示以速度u 运动的行波磁场：第二项表 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 示在进端产生的衰减波磁场b + 。，其运动方向与x 轴方向一致；第三项表示 在出端产生的衰减波磁场b 一肥，其运动方向与x 轴方向相反。 以速度k 运动的行波磁场的幅值由下式求得： 2 丽忑而a 丽m y 丽而 协1 2 ) 其中，可以由( 2 1 0 ) 式求得。在磁路的进端，即：x = 0 时，磁通密 度的幅值有b + 懈= 。 喝值为b 。，b 肥表藏汲阴还动速发为： 屹材= 2 r , f 其中，衰减波的极距为： t = 2 x d 则在x 方向的渗透深度是： q = 瓦再2 i g , k 而。两 口，： 塾生 ： 2 c g t 恕- i - v f l o t 7 d 足 其它符号表示为： c = 击厮 。= 去厨 口：6 t + 1 6 f ，魁、1 l 吃 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 6 ：1 t o v c r d r( 2 2 0 ) g t 恕 由式子( 2 - 1 5 ) 和( 2 - 1 6 ) 可以看出q 口：是一直成立的。喁几乎和初 级的长度一样，只是略微小一点；而非常小并且口： l ，则划分其为高速运动的直线电机；若凡 1 ，则划分其为低速 运动的直线电机。 以速度k 运动的行波磁场与线电流密度相互动力作用产生电磁 推力为：