（电工理论与新技术专业论文）举升用圆筒形直线感应电机设计及起动特性分析.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h e d e s i g no f t u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o rf o r l i f t i n ga n da n a l y s i so f i t ss t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t t h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri se v o l v e df r o mo r d i n a r yr o t a r yi n d u c t i o nm o t o r ， m o s to ft h a ta r et m i l a t e r a lo rb i l a t e r a l ，h a sb e e nu s e di nt h ea r e ao fm a g l e vt r a i n ， s e n d i n gv e h i c l e s ，m a g n e t i cs e p a r a t o re t c w i d e l y b e c a u s eo ft h el i n e a ri n d u c t i o n m o t o rw i t has i m p l es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o l l i n ge a s i l y ，i tc a i lb e a p p l i e dw i d e l yi nm a n yo c c a s i o n s 1 1 1 es t u d yo ft h et u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r f o rl i f t i n gi nt h i sd i s s e r t a t i o ni so n ea m o n gt h e m b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ， t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g yb a l a n c eh a sb e e ns e tu pa n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g np r o g r a mo ft h et u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sc o m p i l e d t h ep a r a m e t e r so ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta r ec a l c u l a t e da n dt h ei m p a c to ft h es t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i c sc a u s e db ym a t e r i a l so ft h em o v e ra n dm e c h a n i c a la i r - g a pi sa n a l y z e d a l s os t a r t i n gc u r r e n ta n dt h r u s to ft h ep r o t o t y p ea r ev e r i f i e db yt e s t s t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tc o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cl o n g i t u d i n a le n de f f e c t si ss e tu p o nt h i sb a s i s ，v o l t a g ee q u a t i o n ，f l u xl i n k a g ee q u a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s e q u a t i o n so ft h em o t o ra r ec o n v e r t e dt os i m u l a t i o nm o d e lb ym a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r ea td q 0s y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m ，a n dt h es t a r t i n gp r o c e s so f t h et u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri ss i m u l a t e dd y n a m i c a l l y ，w h i c he s t a b l i s h e dt h e b a s ef o rn e x tr e s e a r c h i n go nt h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h et u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o n m o t o r ，n l et w o - d i m e n s i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h et u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r i sn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s o f t m a x w e l l2 d ， s u c ha st h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t y ，t h ed i s t r i b u t i o no ff l u xl i n e s ，c u r r e n td e n s i t y ， e t c t h es t a r t i n gt h r u s to ft h em o t o r 、析t hn o l o a da n dl o a da sw e l la st h ea i r g a p m a g n e t i cd e n s i t yi nap e r i o da r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e da n dt h ei m p a c to ft h e s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a u s e db yv o l t a g ef r e q u e n c ya n da i rg a ps i z ei sd i s c u s s e d i i 哈尔滨理丁大学工学硕十学位论文 f i n a l l yt h ei m p a c to ft h ea i r - g a pm a g n e t i cd e n s i t yc a u s e db yd y n a m i cl o n g i t u d i n a l e n de f f e c t si sa l s oa n a l y z e d t h ea b o v ec a l c u l a t e dr e s u l t sp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rt h e o r ys t u d yo f t h em b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra n do p t i m i z a t i o no fd e s i g n k e y w o r d st u b u l a r ，l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ，a n s o f t ，s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文举升用圆筒形直线感应电机设计及起动 特性分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作 所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成 果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律 结果将完全由本人承担。 作者签名：豸氏爻确 日期： 弓月加 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 举升用圆筒形直线感应电机设计及起动特性分析系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有， 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、 使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公 布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保密甲。 ( 请在以上相应方框内打、) 作者签名：旅乏鸭 导师签名： 醐：咔；胁日 醐：叩尹调 哈尔滨理工人学t 学硕上学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 直线电机的发展及应用 轩萌、 次级 级 c ) a ) 旋转电机b ) 扁平型单边直线电机c ) 圆筒形直线电机 图1 1 旋转电机转化为圆筒形直线电机示意图 f i g 1 1t h ee v o l v e m e n to f r o t a t i o nm o t o ri n t o rl i n e a rm o t o r 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 由定子演变而来的- - 倾m l 称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。图1 1 a ) 表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图1 1 b ) 表示转 变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平型 直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图1 1 c ) 所示的 圆筒型直线电机。其演变过程【1 1 5 , 图1 1 所示。 最早公开发表直线电机专利是在1 8 9 0 年，五年后用直线电机驱动纺织机梭 子的专利相继问世，当时引起了人们的极大的兴趣，此后又断断续续地对直线 感应电动机研究了几十年。尽管电气系统成本过高而未能得到实际应用，但是 在这期间直线感应电动机却得到了迅速的发展。1 9 0 5 年提出了用直线感应电动 机推动火车的想法，1 9 4 6 年美国西屋公司为军事目的研制用直线感应电动机推 动的飞机弹射器i 2 1 ，后来在2 0 余年内，类似的装置在模拟汽车撞车和绳索破坏性 力学试验等方面得到了成功的应用。 随着原子能工业的发展，需要抽吸钾、钠液体金属，于是直线感应电动机 在这一领域得到普遍的应用【3 4 5 l 。1 9 5 2 年，美国研制出核工业用的利用直线感应 电动机原理抽取液态钠、钾的电磁泵；1 9 5 4 年前苏联创立了“液态金属直线感 应电磁泵理论”；1 9 5 6 年英国的l a i t h w a i t e 等发表了有关直线电动机理论；1 9 6 2 年英国展示了用直线电动机传动的列车模型( 轨道长9 1 4 m ) ：日本的宇佐美等 着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；1 9 6 5 年前苏联出版液态金属电磁输 送一书【4 l ；美国s k i n e e r p r e c i 公司出售名为p o l y n o i d 的圆筒型直线电动机，直线 电动机正式以商品的形式进入市场。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了广泛的应用1 3 1 。 近1 0 余年来，由于交通运输的飞速发展，许多发达国家都在大力研究用直 线电机作为火车推进的动力，并与磁悬浮技术结合，发展一种所谓的磁悬浮列 车 6 , 7 1 。与传统推进方式完全不同，它取消了车轮和车轴，具有高速、舒适、安 全等许多突出优点，是解决现代地面交通运输最有前途的一种方案。日本、德 国、英国、法国、美国、前苏联和加拿大等国家，都对其进行了研究试验。其 中有的已建立试验线路，最高运行速度达到5 8 l k n 泊，现在正向实用化阶段过渡。 我国也于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 东机场成功地建立了世界上第一条商业运营磁悬浮列车示范线，2 0 0 3 年已正式 商业运营。 直线感应电机经历了漫长的发展过程，它的一些优点才逐渐被人们所认识。 现在其不仅在交通运输方面受到了极大的重视，而且在工业、国防和其他一些 领域都得到了推广和应用1 8 , 9 1 。例如，采用直线感应电动机的各种类型的传送车 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 ( 包括推机车) 、自动门、窗帘机、电磁锤、电磁搅拌器等。充分的显示了直线 感应电动机的优越性。 1 1 2 圆筒形直线电机的特点 1 圆筒型直线电机的优点： ( 1 ) 结构简单。圆筒型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运 动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高：同 时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初级和次级可 以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。 ( 2 ) 适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较 高的速度。而且如果初级、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触， 因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机 械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。 ( 3 ) 初级绕组利用率高。在圆筒型直线感应电机中，初级绕组是饼式的，没 有端部绕组，因而绕组利用率高。 ( 4 ) 无横向边缘效应。横向边端效应是指由于横向开断造成边界处磁场的削 弱，而圆筒型直线电机横向无开断，所以磁场沿轴向均匀分布。 ( 5 ) 容易克服单边磁拉力问题。径向拉力互相抵消，基本不存在单边磁拉力 的问题。 ( 6 ) 易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不 同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。 ( 7 ) 适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的 防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计 成多种结构形式，满足不同情况的需要。 2 圆筒型直线电机的缺点 ( 1 ) 效率和功率因数较低。圆筒型直线电机的效率和功率因数比同容量的旋 转电机要低，特别在低速时。这是由以下原因引起的：是直线电机的初次级 气隙一般比旋转电机的气隙大，因此需要的磁化电流较大，使损耗增加。二是 由于直线电机初级铁芯两端开断，产生了所谓的边端效应，从而引起波形畸变 等问题，其结果也导致损耗增加。 ( 2 ) 起动推力易受到电源电压波动的影响。在低速高滑差情况下，往往要求 有比较恒定的起动推力，但当电源电压有波动时，起动推力变化很大，因此需 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 要电源电压比较稳定。 ( 3 ) 运行速度范围受到电机极距的限制。当电源频率一定时，电机的运行速 度在很大程度上取决于电机的极距，一般极距不能太大，也不能太小，所以它 的速度也被限制在某一合适的范围内。在要求低速的传动系统中，就往往需要 增加变频设备。 ( 4 ) 馈电比较复杂。对于动初级的直线电机，在速度较高或行程较长时，馈 电比较复杂。 ( 5 ) 散热较困难。圆筒型直线电机的散热条件要比扁平型直线电机差，这就 限制了电机所允许的电参数，从而限制了电机的推力，因而圆筒型直线电机不 适合大功率电机。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 7 0 年代初，日本人山田竹内推导了直线感应电机的气隙磁场、法向力及 电磁推力的作用原理，推导过程比较麻烦，计算公式也比较复杂。后来逐渐探 索出诸如等效电路法、有限元法等一系列分析测量磁场及推力的简便方法。此 外，日本在1 9 7 5 年还进行了中低速磁浮列车中电磁阻力的详细分析和计算，并 得出电磁阻力随电磁铁长度的增加而减少，国内西南交通大学也于1 9 9 9 年对 e m s 型磁浮列车运行阻力问题进行了论述。2 0 世纪7 0 年代，德国推出的系列 磁浮列车除使用通过反向直线同步电动机的推力来进行制动外，还使用线形涡 流制动，利用沿车体前进方向分布的导轨中的感应涡流来工作。随后，美国麻 省理工大学开始磁浮飞机的研究，对其电磁阻力、斥浮力的作用原理进行了详 细分析论述，但到目前为止尚未进行任何工程试验。同时，韩国、印度、英国 等技术人员开始对涡流制动力进行分析计算，并将涡流制动系统应用于其它领 域我国同济大学电气工程系对磁浮列车的涡流制动力进行了详细的推导与计 算。 由于有限元软件的出现，给各行业的分析计算提供了较准确的结论，但对 于直线电机电磁场的计算分析还处于初级阶段。国内外学者进行了大量的研究 工作，用有限元法分析直线电机电磁场及电磁力必能快速推动直线电机的发展。 y o s h i o l a 用卡氏系数考虑端部、齿槽影响。i l k i n s o n 提出了根据直线感应电机的入 端端部效应建立了气隙磁密度方程。g u l l e n 和b o n t o n 在考虑了次级铁心饱和，不 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 考虑初级铁心饱和提出分层理论分析法，i 由g r i e g 等人发展起来的一种二维磁场 分布解法。由于直线电机铁心两端断开，产生独特的边端效应现象，影响了它 的性能，使得直线电机的效率和功率因数低于同容量的旋转电动机。所以人们 总在通过各种方法来研究直线电机的结构和性能，力求把直线电机的缺点降到 最低。o b e r e t l 等人在二维分层方法基础上发展起来的三维分层方法，用f o u r i e r 双级数法来模拟直线电机的纵向和横向边缘效应。i d i r 等提出了考虑的初、次级 铁心饱和的分层理论分析 1 0 , 1 1 , 1 2 i ；直接法是由s h t u r r n u m 和a r a n o v l l 3 i 为解决直线电 机端部效应问题而提出来的，它是从三维m a x w e l l 方程出发，推导出一维气隙方 程的解。特别是针对圆筒型直线感应电机，国外研究状况如下：j e o n ，t a n o b i k i 和o n u k i 等用三维有限元对复合初级和一个次级的圆筒型直线电机的电磁场分 析；p i c h o n 和r a z e k 在考虑边端效应用有限和直接边界相结合的方法，圆筒 直线感应电机的磁场分布和受力；k i k u m aa n ds h i y m a n 用有限元分析超导交流绕 组的圆筒型直绕感应电机，并优化初级电流分布；d e a s ，k u o r e n g 和s a d a v s k i 等用 二维有限元考虑电机气隙的非线性方法 1 4 3 5 1 ；b a p e n l 、d a m s 和h o f l 将对称模型对 初次级的同轴高速圆筒型直线感应电机进行电磁场分析，计算其电磁推力，对电 机进行优化设计。 1 2 2 国内研究现状 近年来国内研究直线电机的文献不少，研究圆筒型直线感应电机如下： 陈世坤，陈敦利在考虑涡流、磁饱和、边端效应和齿槽影响计算圆筒型直 线感应电机的暂态特性【1 6 】：陈世坤，张映明用电流耦合法得到了电压源激励下 的非线性时步有限元方程，应用该方程对一台笼式圆筒型直线感应电机的瞬态 特性进行了计算与试验分析，他们还利用此方程对筒式复合次级高速圆筒型直 线感应电机瞬态特性进行计算分析【1 7 1 ；刘元江，洪南生，陈世坤还通过建立回 路方程，求解圆筒型直线感应电机的瞬态特性，他们用混合有限元法和直接边 界法计算圆筒型直饶异步电机的稳态运行特性f 1 8 】。石军亮，王裕清和王海星给 出了此种电机三层模型与此模型的等型电路，推导出等效电路中电气参数的公 式，进而给出按等效电路计算电机性能的公式，为求取和分析复合次级双筒型 直线电机的特性提供有效方法；王后生和金能强针对圆筒直线感应电机的特点， 建立其数学模型，并应用软件m a t l a b s i m u l i n k 对该电机瞬态特性进行仿真 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 1 。孔凡让，赵吉文和刘维来等提出了一种新型圆筒形直线电机结构，建 立了适合其结构特征的轴对称涡流解析方程，给出了方程的解析解，并采用变 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 分方法建立了该轴对称的有限元模型；赵吉文，孔凡让，刘维来等得出电磁推 力和起动电流等参数，以理论计算为样本数据，对电机结构进行优化，获得了 电机的最优性能参数，还采用支持向量机回归建模方法，建立了直线电机的非 线性数学模型，而后采用遗传算法进行了直线电机结构参数多目标优化，出最 优结构参数组合。 直线电机的原理虽不复杂，但在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚 不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进。直线感应电动机作为其中的 一种，具有结构简单、控制【2 3 泓】方便等优点，是应用最为广泛的直线电动机之一。 关于直线感应电动机的理论分析大部分是以单边直线感应电机为前提，研究电 机的等效电路、边端效应【2 5 , 2 6 2 7 郐刀l 、绕组型式以及结构优化等，国内外研究直 线电机的文献较多，但专门针对圆筒形直线感应电动机的研究并不多见，研究 圆筒型直线感应电机特性【3 0 3 1 3 2 , 3 3 虽取得了一定的成果，但是在考虑边端效应的 圆筒型直线感应电机电磁场【3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 分析模型方面的文献不多，对电磁特性1 3 7 册】 和运行性能精确计算还有待继续深入研究。随着应用领域的不断拓展，对圆筒 型直线感应电机的性能会提出新的要求，圆筒形直线感应电机的气隙磁场、边 端效应及起动推力【4 i 4 2 1 有何特点，值得研究。 因此，基于以上背景和研究现状，本文对圆筒形直线感应电动机作一定分 析，试制一台样机，在此基础上对其起动过程进行动态仿真，并应用有限元分 析软件对其电磁场进行数值分析，对电机的起动性能进行研究，为电机本体的 优化设计以及控制系统的建立提供一定的参考。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于大庆采油研究所合作项目“直线电机式抽油杆升降模拟装置”。 本文设计了圆筒形直线感应电机的样机，并根据设计参数，从路的角度和场 的角度分别对举升用圆筒形直线感应电机的起动过程进行仿真，以对其起动性 能进行研究，主要研究内容如下： 1 圆筒形直线感应电机的设计； 2 圆筒形直线感应电机起动特性仿真； 3 圆筒形直线感应电机的电磁场数值分析。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 第2 章圆筒形直线感应电机电磁计算 根据电机的工作原理以及其独特的结构，分析其设计特点，从能量平衡的 角度建立了考虑边端效应的圆筒型直线感应电动机的等效电路，计算了电机结 构参数，讨论了结构参数对起动特性的影响，最后给出了圆筒型直线感应电动 机的电磁设计结果。 2 1 直线感应电动机工作原理 直线感应电动机是由普通旋转交流感应电动机演变而来的，从结构类型看 虽然它与普通交流感应电动机不同，但是它们的基本原理是一样的。在直线电 机的初级绕组中通入三相对称正弦电流后会产生一个气隙磁场，当不考虑由铁 心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，即可看成沿直线方向呈正弦形分布，如图2 1 所示。当三相电流随时间 变化时，气隙磁场将按a ，b ，c 相序沿直线移动，与旋转电机不同的是：这个 磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。把次级导体看成是无限多 根导条并列放置，这样在行波磁场的切割下，次级感应电动势并产生电流，电 流与气隙磁场相互作用便产生电磁推力。 3 2 1 初级2 次级3 行波磁场 图2 1 直线感应电动机的运行原理 f i g 2 - 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 直线感应电动机行波磁场的移动速度，即同步速度1 ，。与旋转磁场在定子内 圆表面上的线速度相等，由此可得： i = 2 厅( m s ) ( 2 - 1 ) 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 式中：厂为电源频率，f 为电机极距。 若次级运动速度为1 ，则直线感应电机的滑差率s 定义如下式： j ：! 上 ( 2 2 ) 哆 与旋转电机一样，在电动机状态下运行时s 在0 与1 之间。在旋转电机中对 换任意两相的电源，可以改变旋转磁场的转向从而实现转子运动方向的反转。 同理，直线电机初级三相电源对换任意两相后，运动方向也会反向。根据这一 原理，可以实现直线感应电动机的往复直线运动。与旋转电机不同的是，直线 电机的初级是开断的，形成了两个边缘端部，使得铁心和绕组无法从一端直接 连接到另一端，形成了旋转电机所没有的边端效应。其次，为了保证在长距离 运动中初、次级之间不致相擦，直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得 多，对于复合次级和非磁性次级来说，除了通常所说的机械气隙外，还要引入 电磁气隙【4 3 】的概念。因为铜或铝均为非磁性材料，其导磁性能与空气相同，所 以在磁路计算时，铜板或铝板的厚度应归并到气隙中，这个总的气隙称为电磁 气隙。 直线感应电动机的性能一方面有普通旋转感应电动机的特点，另一方面由 于直线电机铁心两端断开，产生独特的边缘效应现象，影响了它的性能，使得 直线电机的效率和功率因数低于同容量的旋转电动机。所以人们总在通过各种 方法来研究直线电机的结构和性能，力求把直线电机的缺点降到最低。按照其 运行速度和运行方式，直线感应电动机可分为两大类：第一类运行于低速高滑 差的电机，其运行方式为间断的或往复的：第二类运行于高速低滑差的电机， 其运行方式为连续的。本文研究的为上下往复运动的圆筒形直线感应电动机。 2 2 圆筒型直线感应电机的结构和材料 根据直线电动机的磁路拓扑图，圆筒型直线感应电动机的初级主要有纵向 叠片式、横向叠片式、窗叠片式三种m 】，如图2 2 所示。叠片式结构是由几组( 一 般为4 到6 组) 独立的铁心装配而成，初级的涡流损耗可大为减少，但其结构复 杂，装配也较困难；横向叠片式结构非常简单，易于制造，也是应用较多的形 式，其主要缺点是铁心涡流损耗较大；窗叠片式结构的铁心叠装较为方便，涡 流损耗较小。 直线感应电动机的次级材料主要分为两大类。一类为单一材料，通常为铁 磁材料；另一类为铁磁材料与导电材料复合，如用钢和铜复合，钢和铝复合， 哈尔滨理工人学工学硕一l ：学位论文 c ) 窗叠片式 1 初级绕组2 初级铁心3 次级 图2 2 圆筒形直线感应电动机的初级结构图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo ft h es t a t o ri nt u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 争。 3 次级 a ) 实心钢次级 ”开槽复合次级c ) 外覆非磁性层复合次级 图2 3 圆筒形直线感应电动机的次级结构图 f i g 2 3p r i m a r ys t r u c t u r ec h a r to f t u b u l a rl i n e a rm o t o r - 9 - 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 或钢、铜、铝三种材料复合。复合次级可分为开槽复合次级( 即在铁磁材料上开 槽镶嵌铜环或铝环) 和外覆非磁性层两种。常见的次级结构如图2 3 所示。图中， 为次级涡流透入深度，f 为次级外覆铜层或铝层的厚度，氍为实际气隙，为 有效气隙。次级不同材料所具有的不同导磁和导电性能直接影响了直线感应电 动机的特性i 4 5 1 。图2 4 表示了不同单一材料次级直线感应电动机的特性曲线及 各种不同复合材料次级直线感应电动机的特性曲线。由图2 4 可知，无论是单 一材料次级还是复合材料次级，电导率越高所能获得的电磁力越大。 f 0 a ) 单一材料次级 ”复合材料次级 a 钢次级b 铝次级c 铜次级d 钢铝复合次级 e 、f 不同电阻率的钢铜复合次级 图2 4 不同材料次级直线感应电动机的特性曲线 f i g 。2 - 4t h ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo fm o v e rw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l so fl i n e a rm o t o r 2 一； 餐|蓁 乙 一 h - 一一、 甲 兵 1 铁管 2 铜管 3 滑动轴承 4 端盖 5 圆环铁心 6 饼式绕组 7 下线槽 8 外套管 9 螺栓 图2 5 电机整体结构示意图 f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h em o t o r 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 就这几类均质材料而言，铁磁材料的优点是导磁率高，可减小激磁电流： 它的缺点是初级与次级之间存在着很大的磁拉力。而仅作导电用的非铁磁性材 料，却能减小这种磁拉力，但是既然穿过气隙这一段磁路的导磁率低，又会出 现很大的激磁电流。综合以上两种材料对电机性能的影响，可以看出，如果由 铁磁和非磁性这两类材料组成的复合次级，则兼有它们各自的优点。 本文所研究的短初级长次级圆筒型直线感应电动机，初级铁心采用横向叠 片式，次级采用外覆铜的复合次级。初级绕组为单层饼式集中绕组。其初级铁 心材料是冷轧硅钢片；次级材料由紫铜导电层和1 0 号钢复合而成。电机整体结 构如图2 5 所示。 2 3 圆筒型直线感应电机的电磁计算 2 3 1 圆筒型直线感应电机的电磁设计 1 主要技术指标 根据上节所述的结构及材料，按表2 1 所示技术指标对电机进行电磁设计。 表2 - 1 圆筒型直线感应电动机设计指标 t a b l e 2 1d e s i g ns p e c i f i c a t i o n so ft u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 电源相电压2 2 0 v初级槽数 4 8 电源频率5 0 h z每极每相槽数 l 相数3机械气隙l m m 初级绕组接法y同步数4 8 m s 极对数 8电磁推力1 9 5 n 并联支路数l功率因数o 6 2 2 主要尺寸的确定 普通异步机的主要尺寸是指定子内径和定子铁心有效长度。从旋转电机到 直线电机的演变过程可以看出，圆筒型直线电机初级内圈周长相应于旋转电机 的定子铁心有效长度，初级纵向长度相应于旋转电机定子内圈周长，因为初级 内圈周长与直径之间相差只是一个常数，因此圆筒型直线电机主要尺寸通常是 指初级内径d 和初级纵向长度2 p r 。两者的乘积与电机所能传递的电磁功率成 正比，主要尺寸的推导以起动时的数据为准。主要尺寸初级内径d 1 算式为 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 d 1 ：生掣盟一 ( 2 3 ) 1 9 0 5 j k a e l p r 2c o s 9 4 乓 、7 式中：1 占：，为初级压降系数，它的计算式为( 1 - 气) = 竺，互为初级相电势，材初 “ 级相电压，大小取决于初级电阻及漏抗压降，一般起动时在0 3 5 - 0 8 5 之间；e 为电机的额定电磁推力( n ) ；圪为电机的同步速( 1 1 1 s ) ；为电机所接电源的频率 ( h z ) ；k 。为初级绕组的分布系数，计算方法与普通旋转电机相同；p 为电机的 极数，对于低速高滑差直线电机，一般应使2 p 6 ；c o s p 为电机的功率因数， 一般比同容量的旋转电机要低，起动时在0 3 o 7 5 ；仇为电机的同步效率，也 比同容量的旋转电机要低，起动时在o 5 0 7 5 ；4 为初级线负荷( 刖m ) ：乓为气 隙磁通密度。 对于圆筒型直线感应电动机，尺寸极距r 和初级铁心内径4 与电磁推力e 间的关系由式( 2 1 ) 得 土：堡! 竺竺堡垒墨 2 p r m 9 l4 4 2 x ( 1 一占l ) ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，等号左端2 p r ，是指直线电机的纵向长度，码是初级铁心的叠 厚，2 p r r , d 。代表了电机的有效面积。等号右端各量在设计时的变化范围是不大 的。也就是说每单位有效面积所能产生的推力只能在一个较小的范围内变动。 由于圪= 2 f r ，在同步速k 确定后，f 也随之确定，反之亦然。极距f 不宜 选的过大，因为f 值过大会使输出推力输入功率减小；同时f 值过小将使齿槽 加工困难，初级的槽漏抗增大，单位初级重量产生的起动推力大大减小。这些 都是不合理的。通常选取f 的最小值，应保证品质因数g 1 ，本文选取 f = 4 8 m m 。 在直线感应电动机中，边端效应随着极数的增加而减小。这是因为，极数 多时有助于分担恒定的边端效应损耗，致使电机性能较好，这是多极电机的优 点。同时，极数多意味着电机纵向长度的增加。在极数2 p 的选择时，对于低速 高滑差直线感应电动机，应使2 p 6 ，选取2 p = 1 6 。 初级铁心的叠厚x d , 的设计，也影响直线电机的性能。当初级槽中铜的横截 面为一定时，具有初级窄齿的电机比初级宽齿的电机产生较大的推力，并有较 高的效率和功率因数。这是因为，窄齿的电机初级和次级漏抗均较小，导致次 级时间常数较小。时间常数小，边端效应行波的幅值也小，这就使电机的输出 增加。为了确定最窄的齿宽，必须考虑齿中的磁通密度，这是由齿部磁饱和决 定了最窄齿宽的极限，选取d t = 3 2 m m 。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 气隙长度万对电机的性能及运行的可靠性影响很大，在确定艿时为降低励 磁电流，改善功率因数，气隙应尽量小。但另一方面，为了保证直线电机在运 行中的可靠性，避免初、次级之间的摩擦，直线电机的气隙较之旋转电机的气 隙要大得多，一般可取几个毫米，选取万= l m m 。 3 电磁负荷 直线电机的电负荷( 或线负荷) 4 ，是指在额定负载下初级表面沿纵向单位 长度的安培导体数，即每米的总安培数。在设计中应根据初级绕组的散热条件 及运行状态而定。对于散热条件较好或间歇运行的电机，可以取较大的值，反 之则应取较小的值。一般圆筒型直线电机取值为4 6 0 0 0 , - , 6 0 0 0 0 ( a m ) 之间，选取 42 5 1 7 6 2 ( a m ) 。 磁负荷毋，是指气隙中等效基波磁通密度的幅值，这里引入了一个等效基 波磁通密度的概念，这是由于在直线电机气隙磁密分布较为复杂，纵向边端效 应造成了磁场的畸变，为了计算方便，用等效气隙磁通密度来代替实际的磁通 密度，取值与电磁气隙与极矩的比值有关。直线电机的电磁气隙通常比普通旋 转电机大，为了减小励磁电流，提高功率因数，通常选用较低值，取值范围为 0 1 0 3 5 t ，电磁气隙小而极距大的电机，取较大值，反之，则就取较小值，选 取岛- - 0 1 7 6 9t 。 4 槽形尺寸的确定 对于容量不大的直线电机，线圈通常用圆导线绕制。这时可采用半闭口槽。 对于大容量的直线感应电机，通常采用由扁导线绕制的成型线圈，这时应采用 半开口槽或开口槽，本文选取半开口槽。 在确定槽形尺寸时应考虑下面因烈4 6 】： ( 1 ) 要有一定大小的槽面积，以便合理地放置导线和绝缘。槽满率s ，不宜 过小或过大，一般在0 7 0 0 7 8 的范围内。当s ， 0 7 8 时，嵌线比较困难，选取的槽的槽满率s ，= 0 7 7 3 5 。 ( 2 ) 为便于下线，槽口宽度6 0 应恰当，一般取b 。d r - k 1 6 m m ，其中矾为所 用导线带绝缘层的直径，选取6 0 = 3 ，d ；= 0 9 6 ； ( 3 ) 槽深与槽宽之比对电机的漏电抗有较大的影响，在校核计算中，如发现 漏电抗大小不合适而影响性能，应改变槽形来调整，通常槽深与槽宽之比应小 于或等于5 ，选取槽深为1 8 m m ，槽宽为1 2 m m ，； ( 4 ) 齿宽应大于3 m m ，这是考虑到机械加工难度的需要，选取齿宽为4 m m 。 本文所设计的电机主要尺寸、槽形及绕组参数如图2 - 6 、表2 2 所示。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 ： 叼山 h 2 坷 i d l 1 蕊篆 1 t l b i l j id 2 、 h r ， i ) 4 j 、 d 3 图2 - 6 电机主要尺寸及槽形 f i g 2 - 6t h ep r i m a r ys i z ea n ds l o ts t r u c t u r e 表2 2 圆筒型直线感应电机主要尺寸、槽形及绕组参数 t a b l e 2 - 2t h ep r i m a r ys i z e so ft u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra n dp a r a m e t e r so fw i n d i n ga n ds l o t 主要尺寸 初级内径d l ( m m ) 3 2次级铜管外径d 2 ( m m ) 3 0 初级铁芯外径d 3 ( m m ) 8 8 次级铜管内径d 4 ( m m ) 2 8 初级铁芯长度l l ( m m l 7 7 2 极距f ( m m ) 4 8 机械气隙长度万( m m ) 1 极对数p 8 次级铁厚( m m ) 4次级铜厚( m m ) 2 槽形尺寸 初级槽数 4 8 槽口宽b 0 ( m m ) 3 槽宽b l ( m m ) 1 2 齿宽b t ( m m ) 4 初级轭高h i ( r a m ) 8 h l ( m m ) 1 7 h 0 ( m m ) o 3 h 2 ( m m ) 1 8 绕组参数 绕组形式单层饼式每槽导体数 1 6 0 并绕根数1线径d d i ( m m ) o 9 o 9 6 槽满率s ) 7 7 3 5 额定电压( v ) 3 8 0 相数m 3 电压频率( h z ) 5 0 1 4 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 2 3 2 等效电路及参数计算 在电机设计中，电机的等效电路及参数具有特殊重要的意义。一方面它将 电机内部复杂的电磁场计算转换为电路的计算；另一方面，它又反映了电机定 子和转子的电磁关系以及电压、电流、功率的平衡关系。等效电路是采用路的 方法对感应电动机进行电磁设计的依据。完成磁路及参数计算后，只有依据等 效电路才能进一步核算电机的运行性能等，因此，选择一个准确的电机等效电 路，对感应电动机电磁设计的准确性至关重要。 复合次级直线电机的等值电路如图2 7 所示，本文采用并联形式等值电路。 次级有两条并联电路，与旋转电机中的双鼠笼异步电动机有相似的形式。在图 中如果认为i z = 0 ，可得到钢次级直线电机的等值电路。采用这种等效的优点 是：( 1 ) 从等效电路的外观形式便可基本上了解直线感应电动机电磁关系的本质； ( 2 ) 等效电路中各个参数均有具体明确的物理意义；( 3 ) 全面考虑影响参数的端部 效应，从而使计算更为准确、可靠。 r 。 x 。 图2 7 考虑端部效应的直线感应电机等效电路 f 适2 - 7t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fl 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 ge n de f f e c t s 图2 7 中，足和x 。为初级绕组的电阻和漏抗；r m 和以为励磁电阻和电抗； 和屯。是考虑次级铁心表面的导电作用的电阻和电抗；尺，。为次级铜层的折 算电阻；r 耐为由纵向边端效应所造成的电功率损耗折算成的等效电阻；尺，为 由纵向边缘效应产生有效推力所对应的电功率损耗折算成的等效电阻；r ，为由 纵向边缘效应所造成的净电功率损耗折算成的等效电阻；u 为电源电压。 2 3 2 1 等效电路参数计算 1 r 2 0 和屯o 。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 次级铁心表面不仅有导磁作用，而且有导电作用。在初级产生的行波磁场 作用下，次级非磁性金属层中将感应电势，产生电流。行波磁场同时穿入次级 铁心表面，感应电势及电流，发生电磁能量的转换。钢次级的直线电机完全靠 它来产生起动推力，复合次级的直线电机起动推力中的一部分是由它产生的， 因此在计算中不可忽略次级铁心的导电作用。在等值电路中，和镌。就是用 来考虑次级铁心表面的导电作用的，采用与实心转子异步电机常用的磁阻抗法 来计算它们。计算步骤如下： ( 1 ) 假定次级表面磁场强度有效值的初始值为日。，根据h e = ( 0 5 一o 7 5 ) a 。 来取值。当极距与等效电磁气隙比值大时，系数取大值。本文取系数为0 7 2 4 ， 初始值日。= 3 7 4 7 6 x1 0 4 。 ( 2 ) 由见查通用单位磁阻抗曲线得到