（电机与电器专业论文）磁浮列车电磁系统分析与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n er e s e a r c ho n 龇a n a l y s i sa n dd e s 啦o fn l ee 廿o m a g n e t i cs y s t 即临o f m a g l e vv e h i c l ei sd o n ei nn l i st l l e s i s t h er e s u l 括0 f n l e 锄出y s i sa r eu s e di nt l l ed e s i 印 o ft h el e v i 嘶o ns y s t e mo fl o w - s p e e dm a 9 1 e vv e h j c l e 晰mm ea d v a n t a g e so fs a 妣 q u i c k e f ，b e t t e re n v 哟蛐e n tp r o t e c 垃o na n ds a v i n gm o r ee n e r g y ，m a g l e vt c c l l i l o l o g yi s v e r yp 耐【n i s i n gi nc h i i l a t h u s ，吐l e1 0 c a l i z a 垃o no fm a g l e vt e c l l i l o l o g yh a sb e c o m ea t r e n d 舡p a r to f t l l el o c a k z a t i o nw o r k ，t l l ed i s s 瞰撕o ni sh e l p 血lt ou n d e r s t a i l dt l l e r e l a 吐o nb e 脚嘲m ep 酬f 0 1 1 n a l l c e so fe 】e c 觚岬e t i cs u b - s y s t 锄s0 fm a 醇e vv e h i c l e a n di t sd e s i 辨p 赋衄邸e r sa n d0 p e m 垃n gs 啪s m e a n w l l i l e t l l ed i 鼹咖n o ni sa l s o h e l p f u lt og e tm e0 p t i m a ld e s i g no fm e s es y s 锄l s 7 1 1 l em a i nc o n t e n to ft l l i sd i s s e r t a d o ni sa sf b l l o w s 1 1 m sd i s s e r t a t i 蚰i n 拄o d u c e s 吐1 ec l a s s ，m 勾0 rc h 砌c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p i n g l l i s 呻o fm a g l e vv e h i c l ea i l dm e i la l l a l y z 鼯m ep r o s p e c to fi t sa p p l i 如c ei nc 1 1 i n a 如d f i n a l l ye d u c e s l es u l 町e c t 2 s i m p l yi n 扛0 d u c i n gl h eb a s i cp d n d p l eo f 五n i t ee l e m e n tm e l l l o d ( f e m ) ，t l l e a n a l y z i n gt 0 0 1 su s e dm n l ed i s s e n 撕o n 柚dt h es l l o r c c o m 抽g so ff e m 3 u s i i l g 血e 珏mt o o la n s y s t od oa l l a l y s i so n 血el e v i t a t i o n 锄dp r o p u l s i o n s y s 衄i l s0 f 】1 i 曲一s p e e dm a g l e vv e h i c l ea n d 也e1 喇t a t i o ns y s t 咖o fl o w s p e e di m g l e v v e l l i c l e n r o u 曲b u n d i n gs i 姊i em o d e l s ，t l l ed i s s e f t a 虹o na n a l y z ct i l en l a g n e t i c 丘e i d d i s 缸i b u t i o nu n d 盯s t a n d a r dw o r k i n gc o n d m o i l sa n dt l l er e l a t i o na m o n g1 晰锄o nf d r c e ， p m p u l s i o nf o l e ，d e s i g np 越蝴m do p 蹦i 虹n gc o n m 吐o n s ，w h i c h 硼f 醣a c a d 删c b a s i sf o ro p 血m 1d e s i g n m e a n w h i l e ，t l l ed i s s e r t a d o np m p o s e sm et e mo f9 1 1 i d i n g i m e n s i o nt oh e l pc b o o s 抽gt l l e 谢d l0 f 1 e 删唧e tp o l e 4 b a s e d0 nn i er e s u l t so fn l ef e ma i i a l y s i s 觚do 血e r s d e s i g i lr e s u n ，at e s t p l a t f 0 no nl o w - s p e e dl e v i t a l i o nm 楚：i l e t si sp r o p o s e d 协m e 廿l e s i s o 吡t o po fm 砒， t h e r ed i 行朗e n t1 i l a g n e t sa r ed e s i g n e dt 0m eh e a td i s s i p a 雠g 矗b i l i 够 k e y w o r d s ：f i n i t ee l 唧e n t m a 出e vv e l l i c l ce 1 e c 廿o m g n e t k 岍t a t i o nf o r c e p r o p u l s i o nf b r c ec h l i d i n gf o r c e 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 1 1 磁浮列车发展概况 1 1 1 磁浮列车分类和主要特点 磁浮列车从悬浮机理上可分为电磁悬浮( e m s e l e c 仃o i n a g n e d cs u s p e n s i o n ) 和 电动悬浮( e d s _ e l e c 仃o d y i l a n l i cs u s p e n s i 帆) 。所谓电磁悬浮就是对车载的、置于导 轨下方的悬浮电磁铁( 或永久磁铁加励磁控制线圈) 通电励磁而产生电磁场，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， 将列车向上吸起悬浮于轨道上，电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙( 称为气隙) 一般约8 1 0 m m 。列车通过直线电机来牵引行走，通过控制悬浮电磁铁的励磁电 流来保证稳定的悬浮气隙。 电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体( 一般为低温超导线圈或永久磁铁) 的运动磁场在安装于线路上的悬浮 线圈中产生感应电流，两者相互作 用，产生一个向上的磁力将列车悬浮 于路面一定高度( 一般为1 肚1 5 c m ) 。 列车运行靠直线电机牵引。与电磁式 相比，电动式磁悬浮系统在静止时不 能悬浮，必须达到一定速度( 约 1 5 0 k m m ) 后才能起浮。电动式悬浮 系统在应用速度下，悬浮气隙较 大，不需要对悬浮气隙进行主动控制。 图1 1 德国t r 高速磁悬浮列车结构简图 最新的电磁式悬浮列车以德国的t r a l l s r a p i d 0 8 ( 1 9 9 9 年9 月开始试运行) 和 日本的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1 1 和图l 之所示。 h s s t 磁悬浮列车的导向原理如图1 3 所示。电动势磁浮列车以日本的m l x 型 为代表，其结构如图1 4 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章 直线感应电桃定子( 视缀) 图1 2 日本h s s t 磁悬浮列车原理简图 ；llli l * p 芝 当电磁铁与倒u 形轨道中心线横向 错位时，电磁力自动使其横向复位 图l 一3h s s t 的导向原理示意图 ( 砍级) 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 同步电机和短定子赢线感应电机。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 浙江大学硕士学位论文 第一章 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1 h n s m 西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。 圈 线圈 图1 4 日本超导高速磁悬浮列车m l x 断面简图 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 虹妇左右) 磁悬浮列车上。 德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮列车和日本的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n a n s f a p i d 磁悬浮列车最大运行速度大致在 4 0 0 0 0 k l n l l ，日本的h s s t 磁悬浮列车最大运行速度为1 0 0 k m ，l l 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 巧5 0 k m ，h 之间。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 则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 浙江大学硕士学位论文 第一章 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，本文的分析工作，就是针对这两类磁浮列车进行的。 1 1 2 磁浮交通技术的发展 1 磁浮铁路在德国的发展概况 ( 1 ) 早期开发过程 1 9 2 2 年，德国人赫尔曼肯佩尔( h 锄蛐k e l i l p e r ) 提出了电磁悬浮原理， 并在1 9 3 4 年获得世界上第一项有关磁悬浮技术的专利。由于当时技术和工艺条 件限制，在此后的三十多年时间里，磁悬浮技术没有得到明显的发展。 1 9 7 1 年2 月，第一辆磁悬浮的原理车m b b 和段6 6 0 m 长试验线路投入试 验运行。原理车采用车辆侧的短定子直线电机驱动。与此同时，其他公司也研究 和试验了多种不同的方案。 1 9 7 5 年，n y s s e nh e l l s c h e l 公司在卡塞尔( i 【a s s s d ) 的工厂中的h m 田试验 线上率先实现了线路侧长定子直线同步电机驱动的磁浮车。在这一试验系统中， 将直线驱动和悬浮支承结合起来，奠定了今天的t r 柚s f 即i d 磁浮高速铁路发展的 基础。 1 9 7 6 年研制的“彗星”号试验车，首次证明磁浮车可以在4 0 0 k m h 以上 速度运行。 自1 9 7 7 年，联邦研究与工艺部决定放弃对超导磁浮列车和其他型式常导磁 浮车的研制，集中力量发展长定予直线同步电机驱动的电磁悬浮系统。 ( 2 ) 汉堡国际交通博览会磁悬浮示范线 在1 9 7 7 年还决定，利用1 9 7 9 年国际交通博览会的时机，在汉堡博览会现场 建造一段9 0 0 m 长的磁悬浮铁路示范线路。 在博览会期间，t r a n s r a i l p i d 磁浮车按时刻表运送了5 万名参观者。汉堡市 民对以7 5 k m h 速度运行的磁浮车产生了极大的兴趣，以至在博览会结束后，磁 浮车的示范运行还延长了3 个月。 这次磁浮车的展出成功，极大地促进了磁浮高速铁路的发展进程。 ( 3 ) 埃姆斯兰的t r a n s r a p i d 试验设施( t v e ) 在汉堡取得的成功，特别是对进一步发展接近应用条件系统的共识，促 4 浙江大学硕士学位论文第一章 了在埃姆斯兰地区的拉腾和多尔彭之间建造大型试验设施的决定。 为了建造第一段线路，德国工业界组成了磁浮铁路t r a i l s r a p i d 联合体 ( 酬t ) 。第一期工程包括2 1 5 公里长的试验线路、试验中心和试验车 t r a n s r a p i d 0 6 。第一期工程在1 9 7 9 年至1 9 8 4 年之间实施完成。1 9 8 3 年6 月3 0 ， t r a n s i a p i d 0 6 投入试验运行。 为了提高试验速度，1 9 8 4 年决定在t 、，e 扩建南环线。南环线1 9 8 7 年建成。 至此，t v e 的试验线总长达到3 l 5 公里。1 9 8 8 年，t r a i l s r a p i d 0 6 试验速度达到 4 1 2 6 l c m h 。1 9 8 6 至1 9 8 9 年，t h y s s e nh e n s c h e l 公司牵头，研制了面向应用的 磁浮列车t r a n s r a p i d 0 7 ( 简称t r 0 7 ) 。 ( 4 ) t r 龇1 s r a p i d 走向应用 经过近两年的评价和鉴定，1 9 9 1 年底，得出t r a n s r a p i d 磁浮高速铁路系统 技术已成熟的结论。1 9 9 3 年，t r 0 7 型磁浮列车在t 、，e 试验最高速度达4 5 0 1 ( h 。在 常规试验运行中，磁浮列车试验速度一般达到4 2 0 k m h 左右。 2 0 0 0 年6 月，中国上海市与德国磁悬浮国际公司合作进行中国高速磁浮列 车示范运营线可行性研究。同年1 2 月，中国决定建设上海浦东龙阳路地铁站至 浦东国际机场高速磁浮交通线。2 0 0 1 年3 月正式开工建设，2 0 0 2 年1 2 建成。 图卜5 上海线上运行的磁浮列车 2 。磁浮铁路在日本的发展概况 ( 1 ) 采用低温超导磁体的电动悬浮高速列车系统 1 9 6 2 年，日本开始磁悬浮交通的研究工作。1 9 7 2 年庆祝铁路1 0 0 周年之际， 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一辆由日本国铁开发研制的电动磁悬浮原理车皿l o o 被介绍给了公众。该车在 4 8 0 m 长的试验线路上达到了6 0 k m h 的速度。 1 9 7 5 年开始在日本南部九州半岛上的宫崎附近建造试验设施。从1 9 7 7 年 至1 9 7 9 年，7 l ( m 长的试验线分段投入使用。 1 9 7 9 年，低温超导的磁悬浮车儿一5 0 0 不载人运行达到5 1 7 l ( h 的速度， 首次证明，有可能将长定予直线同步电机驱动的磁悬浮系统用于高速有轨交通。 1 9 8 0 年研制成的也u 0 0 1 型磁浮列车，在新建的u 形线路上进行了九年的 试验运行，总共进行了9 0 0 0 次试验运行，累计行驶了约4 0 ，0 0 0 公里。 1 9 8 7 年3 月，新的电动悬浮系统试验车眦u 0 0 2 开始在宫崎试验线路上运 行。该车长2 2 ，重1 7 t ，可载4 4 名乘客，设计车速为4 2 0 l 【m h 。1 9 8 9 年，不载 人试验速度达到4 9 4 l 皿h 。1 9 9 1 年，儿u 0 0 2 磁浮车在试验运行中发生火灾事故 烧毁。随后又制造了札u 0 0 2 n 型磁浮车，在宫崎试验线进行试验。1 9 9 4 年，m l u 0 0 2 n 不载人运行最高速度达到4 3 l k m h ，载人运行最高速度达到4 1 1 k h 。1 9 9 6 年1 0 月，宫崎试验线关闭。 因为宫崎试验线没有坡道和隧道，不能满足接近应用条件的试验需要，早 在1 9 8 9 年，日本运输省已决定建设超导磁浮山梨试验线。1 9 9 1 年，建设开始。 1 9 9 7 年4 月，山梨试验线投入试验运行。山梨试验线主要包括1 8 4 l 【长的试验 线路、变电站、试验中心和两列磁浮车( 分别称为甩x o l 和m l x 0 2 ) 。1 9 9 7 年1 2 月2 4 日，三辆编组的地x o l 磁浮列车不载人试验运行，达到5 5 0 k h 的速度， 创下新的世界纪录。1 9 9 9 年4 月，五辆编组的儿x 0 1 实现了5 5 2k m h 的载人运 行。1 9 9 9 年1 2 月，日本山梨磁悬浮列车试验线进行了磁悬浮列车高速错车试验， 创造了两列列车错车时相对时速为1 0 0 3 公里的世界最高纪录。两车的时速分别 为5 4 6 公里和4 5 7 公里。 目前仍在按计划进行运行试验，进行改造空气动力学特性、减少噪音、降 低造价的研究。但至今仍未得出技术己成熟的结论。 ( 2 ) h s s t 磁浮铁路系统 浙江太学硕士学位论文 第一章 7 0 年代中期，为了开发一种联系机场和市区的速度快，噪声低，乘坐舒适 的交通工具，日本航空公司开始组织对磁浮技术的研究。1 9 7 4 年4 月小型磁浮 试验装置的浮起试验成功； 1 9 7 5 年试制成电磁支承和导向的第一辆试验车h s s t 一0 1 ( 不载人) ；电磁悬 浮和直线电机驱动的磁浮车走行试验取得了成功；借助火箭和直线电机驱动，试 验车h s s t o l 在1 1 6 k m 长的试验线路上达到了3 0 8 l ( h 的试验速度。 1 9 7 8 年向公众展出了新型磁浮车 s s t o z 号，最高速度约为1 0 0 k m h ，总 共9 个座位。为了改善乘坐舒适性，在车厢和悬浮框架之间采用了二系弹簧悬挂 系统。1 9 7 8 年至1 9 8 1 年试验期间，大约有3 0 0 0 人次试乘h s s t 0 2 磁浮车。 为了向公众展示新的磁浮交通技术，并在接近应用的条件下试验新的磁浮 交通技术最重要的部分功能，从1 9 8 3 年开始建造试验和展览车h s s t 0 3 。该车 于1 9 8 5 年在筑波国际工艺博览会上展出。试验和展览设施由一条3 0 0 m 长的线路、 一个进出站、一套供电设备和一个维修站组成。该车有4 8 个座位，车速限制在 3 0 k m h 。展览会期间，总共有6 0 0 ，0 0 0 人次乘坐磁浮车。 1 9 8 6 年，h s s t 0 3 号被送到温哥华国际博览会展出。在一段4 5 0 m 长，有弯 道的线路上，速度达到4 0 k m h 。 1 9 8 7 年研制成h s s t 0 4 磁浮车，车重2 4 t ，长1 9 4 m ，可容纳约7 0 名乘客， 设计速度为2 0 0 k m h 。与h s s t _ 0 3 一样，也采用了复合支承、导向和驱动模块化 技术。不同的是新车结构中，车辆走行模块从外侧包住线路。1 9 8 8 年5 月， h s s t 0 4 型车在崎玉国际博览会展示，展示线路长3 2 7 m ，混凝土高架梁跨1 2 m ， 轨道包括两个半径为1 5 0 m 的曲线段，超高2 3 。，试验速度4 0 公里小时。 1 9 8 9 年5 1 0 月，璐s t 0 5 型车在横滨国际博览会上展示，展示线长5 6 8 m ， 线路采用单片箱型梁结构，梁跨有1 2 m 和1 6 ，净空高4 5 ，动载荷下梁的挠跨 比为1 3 8 0 0 。由反应板和钢轨组成的走行轨通过钢枕与梁体连接。 1 9 9 0 年，日本对h s s t 磁浮铁路系统与德国磁浮铁路系统进行比较和评估， 得出h s s t 和t r a n s r a p i d 接近实用的结论，并计划研制1 1 s s t 一1 0 0 s 型磁浮列车。 浙江大学硕士学位论文第一章 1 9 9 1 年，在名吉屋附近的大江，建成一条新的面向应用试验的试验线。试 验线总长1 5 3 0 ，最小水平曲线半径1 0 0 m ( 主线) 和2 5 m ( 分支线) 。最小竖曲 线半径1 0 0 0 皿，最大超高8 度，最大坡度7 。从1 9 9 1 年开始到1 9 9 5 年，对h s s t l 0 0 s 进行了l o o 多项面向应用要求的运行试验。最高运行速度达到1 3 0 k m h 。测试结 果表明，h s s t l o o s 是成功的。1 9 9 3 年3 月，以东京大学技术系正田英介教授为 主席，运输省、建设省和其他单位的专家学者组成的可行性研究委员会对试验结 果进行了最后论证，考察了它的噪声、振动和磁场影响等，结论是：h s s t 是舒 适的低污染系统，能够应付紧急情况，长期的运行试验证明它是可靠的，并且由 于其悬浮的优点使得它的维修量降低；作为城市交通系统，既s t 已达到实用阶 段。 1 9 9 5 年，在h s s t l 0 0 s 的基础上，日本又研制了一台新的样车。称为 h s s t l 0 0 l 。与h s s t l o o s 相比，h s s t l 0 0 l 模块数由6 增加到l o ，长度由8 5 m 辆 增加到1 4 4 m 辆。一些器件在i l s s t l o o s 试验结果的基础上进行了改进。 h s s t l o o l 是一列两辆编组的，商业运营车的样车，从1 9 9 5 年开始，在大江的试 验线路上进行运行试验。 3 磁浮铁路在其他国家的发展概况 ( 1 ) 磁浮铁路在英国的发展概况 电磁悬浮系统在英国的发展是由英国铁路协会( b r ) 认同的，其目的是为 解决市内短程运输问题作贡献。是在关注经济和运输能力的要求下，考虑能量需 求、可用度和安全性，以及考虑噪声辐射和乘坐舒适性之后进行的。 1 9 7 4 年，在德比进行了磁悬浮车运行试验。试验车长3 5 m ，重3 t ，线路 长1 0 0 m 。 为了将新建的伯明翰机场终端与国际博览会展区及火车站连接起来，建造 了一条6 2 0 长的磁浮铁路线，该线路于1 9 8 4 年投入载客运行。 伯明翰磁浮铁路是第一个用在公共旅客运输上的磁悬浮铁路系统，但由于 故障率高，维护困难，伯明翰磁浮铁于1 9 9 6 年路关闭停运。 浙江大学碗士学位论文 第一章 ( 2 ) 磁浮铁路在前苏联的发展概况 在前苏联，大约从7 0 年代中期以来就已经从理论和实践方面研究电磁和永 磁悬浮技术。由于机动车辆的废气造成严重的环境负担，8 0 年代初开始在阿拉 木图城区制定磁浮铁路设计方案。研究表明，磁浮铁路相对地铁来说，建造费用 较低。由于当时在磁悬浮和导向技术方面还存在闯题，该发展计划被取消。 8 0 年代，在莫斯科附近的腊绵斯卡娅的磁浮铁路试验设施中，一辆重1 8 t 的 磁浮车在一条6 0 0 m 长的试验线上进行了试验运行。随着前苏联的解体，主要由 于经济上的原因，未再进行有组织的、面向应用的磁浮铁路的研究和开发。 ( 3 ) 磁浮铁路在美国的发展概况 美国从6 0 年代初开始磁浮铁路的研究，1 9 7 5 年停止研究。1 9 8 9 年起又重 新开始评估磁浮列车的实用价值，由铁道总署、陆军工兵总部、能源部牵头，数 家公司和大学参加，历时4 年，定出4 个磁浮车设计时速均为5 0 0 公里的方案， 其中3 个方案为电动型。还对大城市问的1 6 条线进行技术经济评估，得出只有 纽约波士顿线能在短期内回收投资、盈利。曾计划在佛罗里达州修建第一条由 德国制造的磁悬浮铁路线；也曾计划在宾夕法尼亚建造3 0 公里的磁浮铁路。这 些计划均未实施。 美国政府在1 9 9 8 年预算投入1 0 亿美元用于规娜和建造一条磁浮铁路。目 前由联邦铁路部门支持，基于德国t r 技术的推广应用。经过前期研究，从最初 的7 条线路选出两条线路，进入法定的规划程序。这两条线分别是巴尔地摩一华 盛顿特区和匹兹堡机场一匹兹堡绿堡，目前都在进行可行性研究。 ( 4 ) 磁浮铁路在加拿大的发展概况 考虑到燃料的短缺和昂贵，以及因此而需要限制私用汽车的情况，加拿大 的交通规划者认识到，未来数年内铁路运输将显著增长，采用轮轨系统已经不能 满足要求。这种认识促使在电动悬浮技术领域内开展研究和开发工作。有关研究 于1 9 7 2 年在金士顿女王大学开展起来。 头几年里，研究了电动支承、导向和驱动技术的基本性能和e d s 车辆的动 浙江大学硕士学位论文第一章 力学问题。 接近七十年代末期，建造了旋转试验台，用来对电动悬浮系统和无铁芯长 定子直线同步电机进行试验。 理论和试验研究促成了在e d s 技术领域内制定研制接近应用的磁浮车的规 划。但后来未见研制接近实用的样车和试验线路。 ( 5 ) 磁浮铁路在法国的发展概况 在法国交通部和联邦德国研究与工艺部的合作协定条款中，规定法国和德 国的铁路管理部门、公司和研究所要从事磁悬浮技术的合作开发工作。法国曾研 究过一种用于城市交通的磁悬浮铁路的方案。它的特点是，采用电磁式的支承和 导向系统和所谓的u 形线性电动机驱动，用于市郊运输，车速可达1 5 0k m h 。 1 9 8 3 年至1 9 8 4 年间，在g r e n o b l e 附近，通过旋转的直线电机试验台。对直线 感应电机进行了试验，速度达到3 0 0 l 【m h 。8 0 年代中期以来，没有进行过有组织、 有影响的磁浮铁路技术研究。 ( 6 ) 磁浮铁路在韩国的发展概况 韩国于1 9 8 8 年至1 9 9 4 年进行过低速常导磁浮铁路的研究，曾于大田科技 展览会展出一辆磁浮车和一段长度约5 0 0 的线路。磁浮车试验运行速度达到 6 0 k m h 。韩国磁浮车的结构和尺寸都与日本的h s s t l o o 型磁浮车相近。韩国还对 高速磁浮铁路用于汉城至釜山的交通进行经济技术论证，最后决定引进法国 1 v 高速铁路，从而终止了磁浮应用开发研究。 ( 7 ) 磁浮铁路在瑞士的发展概况 瑞士在七十年代提出瑞士地铁的概念。瑞士地铁是一地下旅客运输管道系 统，高速高频的联结瑞士主要城市和地区，并进一步联结到欧洲主要城市。地下 管道为二根5 米内径管道，一方向一根。车辆采用磁悬浮导向系统，和轨道无接 触，避免了摩擦，直线电机驱动，速度达到5 0 0 硒h 。无接触能量传输系统为减 少驱动能量损耗，管道内减小空气压力。在8 9 年至9 3 年，进行了瑞士地铁技术 和经济初步可行性研究。九十年代得到瑞士政府和工业界的支持。主要研究是由 浙江大学硕士学位论文 第一章 瑞士联邦工学院( 洛桑) 和9 0 家私人公司进行。目前正进行实验室研究和进一 步论证瑞士地铁技术和经济可行性，并计划在2 0 2 0 年建成瑞士地铁线。 1 2 课题的背景和意义 我国幅员辽阔，人口众多，高速客运市场潜力巨大，发展高速轨道交通系统 势在必行。由于高速磁浮交通系统有着较高的经济运行速度，不仅适合于相距数 百公里至一千多公里的交通枢纽之间的大运量快速客运交通，而且还适合于相距 数十公里至数百公里的中心城市与附近重要城市的快速交通联系。因此，高速磁 浮交通系统作为2 1 世纪具有竞争力的现代大容量高速客运交通系统，是中国选 择建设大容量客运体系时考虑的重要方案之一。 与此同时，建设中低速轨道交通系统则是解决大城市交通拥挤的良方。目前， 我国已成功地在上海、北京、广州等地建成了地铁和轻轨商业运行线，但由于地 铁造价昂贵( 约￥6 9 亿，公里) ，轻轨噪声过大( 居民小区离轻轨线路至少1 0 0 米 才能免受噪声烦扰) ，使得它们的广泛应用受到一定的限制。相比上述二者而言， 低速磁浮交通系统具有运行速度快、建设成本低、运行噪声小、爬坡能力强等诸 多优点，具有很好的市场前景。 随着上海磁浮列车示范运营线的成功建设和顺利运营，高速磁浮交通系统的 成熟性、可用性、经济性和安全性等优点褥到了全面地体现。在2 0 0 5 年日本爱 知世界博览会上，一条长约9 公里的低速磁浮示范线成功地展示了低速磁浮交通 系统的优越性。高速和低速磁浮交通建设、运营的优势和技术的成熟，再加上国 情的需要，坚定了我国建设磁浮交通系统的决心。 但是，目前磁浮交通的核心技术为国外掌握。高速方面，虽然我国在上海示 范线的建设中参与了很多工作，但运行控制等核心技术全部由德国提供。低速方 面，虽然国防科技大学和西南交通在学都做了很多的研究工作，但他们很多方面 都是模仿日本。此外，尽管他们进行了近2 0 年的研究工作，但目前还停留在试 验阶段，离工程化应用还有相当长的一段距离。 要建设我国自己的磁浮交通系统，必须掌握磁浮的核心技术，实现磁浮技术 的国产化，必须对磁浮列车的各个子系统进行深入研究。电磁系统作为其中的一 浙江大学硕士学位论文 第一章 个关键子系统，成为重点的研究对象，本文的工作就是围绕对电磁系统的磁场分 析展开。本文进行的有限元分析工作，可以为磁浮列车悬浮和牵引系统的设计提 供有效的参考，为磁浮国产化提供很好的保障。随着分析精度的不断提高，甚至 可以考虑省去部分的试验工作，这会大大降低磁浮国产化所需的研发成本。 1 5 本文的主要内容 本文对高速和低速磁浮列车的悬浮和牵引系统进行了全面的有限元分析，通 过分析所提供的理论依据，设计出实际应用的低速悬浮电磁铁和电磁铁试验台。 本文共分为六章。 第一章绪论，论述了课题的背景与意义，叙述了本文的主要工作，还对 磁浮列车的发展概况、直线电机在磁浮的应用优势以及其他背景知识作了必要的 介绍。 第二章有限元分析理论，阐述了有限元分析的理论基础并简要介绍了本 文用到的有限元分析工具。 第三章高速磁浮列车悬浮和牵引系统的磁场分析首先简要介绍了高速 磁浮列车悬浮和牵引的基本原理，然后针对悬浮和牵引的不同特点分别进行了静 态和稳态分析，得到了跟实际基本吻合的悬浮力和牵引力数据，同时还讨论了齿 槽对悬浮力和牵引力的影响。 第四章低速磁浮列车悬浮系统的磁场分析，从磁路和磁场两个角度探讨 了电磁铁的设计参数对悬浮性能的影响，同时根据分析所得结果对电磁铁的设计 进行了有效的指导。 第五章低速悬浮试验台的设计，参考国防科大高速悬浮试验台的设计， 结合本文试验的特点，设计出简单易行的低速悬浮试验台。 第六章对全文的内容进行了总结。 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章直线同步电动机的基本原理及数学模型 2 1 电磁场有限元分析的基本理论 有限元法是应用最广泛、适应性最强的一种数值计算方法，也是电磁场计算 中常用的分析方法。有限元法的基本理论与方法可以用两种方式引入。一种是基 于变分原理的有限元法，即：找出一个与所求定解问题相应的泛函，使这一泛函 取得极值的函数正是该定解问蹶的解，从该泛函的极值问题出发进行离散化，得 到相应的代数方程组。另一种是伽辽金有限元法，即：令场方程余量的加权积分 在平均的意义上为零，按照伽辽金准则，用有限单元上的插值基函数作为权函数， 导出离散化代数方程组。代数方程组的解答就是有限单元各节点上待求变量的 值。这两种方式得到的离散化代数方程组具有相同的形式，而伽辽金有限元法的 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，这里重 介绍伽辽金有限元法在平行平面磁场分析中的应用。 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m ( 工，弘z ) 在区域d 和边界s 上满足下述微分方程边值问 题： f 血= p在区域d 上 l 嚣“= q 在边界s 上 ( 2 一1 ) 其中l 为某一微分算子，口为表示某类边界条件的边界算子，p 和q 为已知函数。 今求m 的近似解。设近似解为 “+ ( z ，) ，z ) = 嘲( 工，) ，z ) ( 2 2 ) 因为是近似解，所以式( 2 2 ) 不能在d 内和边界s 上精确满足式( 2 1 ) ，其 误差为 如= l h 。一p ( 2 3 ) 浙江大学硕士学位论文 第二童 聪= 曰一q ( 2 4 ) 称为方程的余量，b 为边晃余量。对于精确解，上述余量应在定义域上处处 为零。对于近似解，可以适当选择参数喁，( f = 1 ，2 ，歼) ，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 w o = 1 ，2 ，z ) ，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 w 西+ w b 出= o ， f - 1 ，2 n ( 2 5 ) d5 将式( 2 2 ) 代入( 2 5 ) ，将得到以个方程，从而可解出n 个待定系数氆， 代回式( 2 2 ) ，即得所求的近似解。可以证明，当凡_ * 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 近似函数谚选为权函数，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j 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 ) 中的待定系数啦。 2 函数的分片展开与单元插值基函数的构成 无论从变分法还是从伽辽金法着手，有限元法都需要将未知函数在单元上 分片展开，用有限个自由度( 即有限个点上的位函数值) 、由单元插值酗数拼接 而成的近似解来逼近无限个自由度( 即连续空间的无限多点上的位函数值) 的精 确解。为此，需要研究单元插值基函数的特点与构成方法。换句话说，有限元法 的解答是各节点上待求变量的集合，而单元内部任意一点处待求函数的值则用单 元顶点( 即节点) 处变量的插值来近似。本节从实用的观点出发，集中介绍几种 常用立体单元基函数的构成。 单元插值基函数应具备的条件单元插值基函数又称为形状函数，它应具备 浙江大学硕士学位论文 第二章 如下条件： ( 1 ) 完备性，即当网格节点数聆- 一时，用这一基函数构成的近似解能收 敛于真解。 ( 2 ) 一致性，若泛函中或余量的加权积分中未知函数h 的导数最高阶数为p ， 则基函数也应含有“的至少p l 阶导数。 ( 3 ) 相容性，即上述近似解应满足一定的连续性条件。当近似解在单元边 界面( 或边界线) 上连续时，称为c o 连续；当近似解的一阶导数连续时，称为c 1 连续。 满足上述条件的任意连续函数均可选作插值函数，不过实际上常采用多项 式。在二维问题中，按图3 3 1 的帕斯卡( p a s c a l ) 三角形来选用多项式的各项， 在三维问题中采用与二维类似的方法，但需要将三角形换成相应的四面体。插值 多项式的次数由上面的条件( 2 ) 和计算精度要求决定。对于电磁场问题，泛函 或余量加权积分中未知函数的导数最高阶数为2 ，因此插值函数至少是线性的。 为了提高计算精度，也可采用高次插值。由于插值函数的项数必须等于单元的自 由度数，亦即等于单元节点数，因此每种插值函数都与特定的单元类型相联系。 下面是一些插值函数与相应单元的例子： “= 丑+ 五工+ 五y 图2 一l 帕斯卡( p a s c a l ) 三角形 线性插值多项式，3 节点三角形单元) 浙江大学颈士学位论文 第二章 “= 五+ 五工+ 丑y + 五，+ 五叫+ 屯y 2 ( 图2 2 ( b ) ，二次插值多项式，6 节点三角形单元) “= 五+ 五z + 五) i + 五工2 + 五秽+ 磊) ，2 + 码+ 磊，y + 焉掣2 + o ， ( 图2 2 ( c ) ，三次插值多项式，1 0 节点三角形单元)( 2 6 3 ) = + 五z + 五) ，+ 五捌 图3 2 实际的长定子铁心槽型 5 材科的磁导率 在磁场分析中，材料磁导率的设定对分析结果有着比较大的影响。对于长定 子铁心、磁极铁心和支撑铁轭这些铁磁材料，由于它们的磁导率是随电场强度而 变化的，所以在分析过程中通过磁化曲线来确定磁导率，进行的分析是非线性分 析。对于磁导率远小于铁心的其他非磁性材料，由于它们的磁导率都接近真空磁 导率l ，为简化计，都近似取l 。 3 2 静态磁场分析 静态分析是磁浮列车磁场分析的基础，因为要使列车悬浮起来，悬浮电磁铁 必须提供稳定的悬浮力。电磁铁需要提供的悬浮力如表3 2 所示。在上海的高 速磁浮示范线上，一列车分为5 节，包括两节端车和三节中车。端车有1 4 个整 体悬浮电磁铁和2 个半体悬浮电磁铁，中车有1 4 个整体悬浮电磁铁和4 个半体 悬浮电磁铁，对称分布在车厢的两侧。每个整体悬浮电磁铁由6 对悬浮磁极组成， 其中由3 对主磁极，2 对高铁心磁极和一对端磁极。正因如此，本文针对单个悬 浮电磁铁( 一对磁极) 和一个悬浮电磁铁组合分别进行了分析。 表3 2 车辆自重与承载能力 重量类型 首，尾车( t )中间车( t ) 空载重量 5 2 95 0 3 正常允许载重 6 2 06 4 5 有效载重 9 11 4 2 最大允许载重 6 7 06 9 5 3 2 1 静态分析的关键要素 1 单元格类型的选取 浙江大学硕士学位论文 第三章 在二维电磁场静态分析中，常用的有两种单元格类型：p l a n e l 3 和p l a n e 5 3 ， 其中p l a n e l 3 是4 节点的单元格，p l 矗n e 5 3 是8 节点的单元格。它们的节点空间 布置如下图。由于p l a n e 5 3 的计算精度更高，本文选它作为求解单元格。 h 。a d 哐ng e a m e l h 了 y 钟副训j 章 l _ x f # 图3 4p l a n e 5 3 节点的空间布置 p l a n e 5 3 单元格用于求解二维的平行平面磁场和轴对称磁场，它一共有8 个 节点，每个节点包含4 个自由度，分别是z 向磁位矢量( a z ) 、时间集成标量电 势( v o l t ) 、电流( c u r r ) 和电动势( e 盯) 。p l a n e 5 3 是基于磁位矢量方程求解 并应用于下列领域内的低频磁场分析：静磁场，涡流场。电压激励磁场以及电磁 耦合场。p l a n e 5 3 能接收非线性的铁磁和永磁材料磁化曲线的输入。 2 模型建立 本文的分析建模都是通过a n s y s 的脚本语言a p d l 完成的，与用图形界面建 模相比，语言编程方式对于简单模型的建模更加方便。要修改模型，只要改变程 序中相应的参数即可。为了便于剖分，在建模的过程中通过处理将一些复杂的几 何图形切割成简单的多边形( 圆孔除外) 。 #，删l 种 浙江大学硕士学位论文 第三章 3 剖分设置 在剖分时，有两个关键点，一是对气隙的剖分，二是剖分后要能够施加周期 性边界条件。气隙剖分的粗细程度对计算结果精度影响最大，在这里的分析中， 气隙剖为8 层。施加周期性边界条件的两个面上的节点必须左右对称，即两个面 上对应节点之间的y 坐标必须相同，所以剖分之前就要把这两个面上的剖分段数 设为一致。在其他面上也可以通过设置剖分段数来控制单元格的个数。 3 2 2 单磁铁的静态分析 在单磁铁静态分析中，选定的磁铁是一对主磁极。分析的是静态悬浮时的的 额定工况。此时初级三相绕组的电流为零，磁极线圈通以2 2 a 的电流。 1 典型工况下的建模与剖分 由于初级和磁极上都开有线槽，所以随着列车的运动，初、次级之间有着不 同的相对位置关系，其中典型的有两种，一种是磁铁中心线对准初级铁心一个齿 的中心线( 工况1 ) ，另一种是磁铁中心线对准铁心一个槽的中心线( 工况2 ) 。 它们的位置关系描述和剖分如下面几图。为了保证分析结果的精度，实际的分析 模型中初级的长度是磁极长度的5 倍，图中只截取了一部分。 图3 5 工况1 下磁极与定子铁心的位置关系 堂堂堡主堂垒堡奎 叁三主 图3 6 工况2 下磁极与定子铁心的位置关系 图3 7 工况1 下的模型剖分 图3 8 工况2 下的模型剖分 2 典型工况下的磁场分析结果 ( 1 ) 磁力线分布 浙江大学硕士学位论文 第三章 图3 9 工况1 下的磁力线分布 图3 1 0 工况2 下的磁力线分布 从图3 9 和3 一l o 可以看出，两种工况下磁力线的路径基本相同，都是经 过磁极铁心、气隙、定子铁心，再经过气隙返回到磁极铁心。由于空气和线圈的 磁导率远小于铁心，所以磁极间的漏磁很少。 从图中还可以看出，铁心中间部分的磁力线比两端密集，这主要是因为分析 时施加了周期性边界条件，端部的另一部分磁力线没有叠加进来。 ( 2 ) 气隙磁密的大小 图3 一1 1 工况1 下的气隙磁密 图3 1 2 工况2 下的气隙磁密 浙江大学硕士学位论文 第三章 图3 1 1 和图3 1 2 中取的是沿磁铁纵向长度上气隙中心线处的磁密，磁密 为正表示这部分气隙正对磁铁的北极，负值则对应磁铁南极。波形中的波峰和波 谷，是由于初、次级的齿槽引起的。因为线槽的存在，使得在y 向磁路上，同一 水平面的各个点磁阻是不一样的，而磁力线总是沿着磁阻最小的路径流通，这就 导致齿对应的气隙磁密大，槽对应的气隙磁密小。工况1 中的b y 正向有两个波 峰，是因为北极对应着初级铁心的两个齿。相应的，工况2 的北极对应初级铁心 的三个齿，所以b y 有三个波峰。下