（电机与电器专业论文）超导磁浮直线电机及其控制和涡流制动系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e 仃a n s p o n a t i o ni st h eb a s eo ft h en a t i o n a le c o n o m y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n de c o n o m y ，w en e e dm u c h b e t t e rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h em a g l e vv e h i c l e m u s tb et h eb e s tw a yf o r t h ep a s s e n g e r 劬【i l s p o ni n2 l 啦c e m u 啊b e c a u s ei ti sf 瓠t e r ， s a f e ra n dw o r k i n gb e t t e ri n p r o t e c t i n ge n v i r o n r n e n ta n ds a v i n ge n e 唱y a s 也e s h a l l 曲a ib u s i n e s sl i n ew e n ti n t o 、o r k i n ga i l dt h ep l a i lo ft h el i n eb e t w e e ns h a i l g h a i a i l dh a n g z h o ug o tp a s s e d ，i ti sb e c o m i n ga ni n c r e a s i n gd e m a i l dt ol o c a l i z et h em a 9 1 e v t e c h n o i o g y b a s e do nt h ee x p e r i m e m a ls u p e r c o n d u c t i v em a g l e vv e h i c l e1 i n eb e t w e e nz h e j i a i l g u n i v e r s i t ya n ds o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t 弘m em a i nc o n t e n to ft l l i sd i s s e n a t i o ni s a sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ea n a l y s i sa 1 1 dd e s i g no fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o l1 1 1 ed i s s e n a t i o na n a l y z e st l l e s t n l c t l l r ea n dp a m m e t e r s ，t h e nd e s 追n st h el i n e a rm o t o ru s i n gc i r c u i tm e t h o d 2 t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee x p 甜m e m a ll i n e i m p m v e de i e c 啊c a lm e t h o di s a p p l i e d 3 t h e 锄a l y s i sa 1 1 dd e s i g no fe d d yc u r r e n ts y s t e m a n e ri m m d u c i n gt h ep r i n c i p l e o fp e m a n e n tm a g n e te d d y c u r r e mb r a k e ，m ed i s s e n a t i o na n a l y s e st h em o d e lu s i n g f e ms o f i 、a r ea n s y sa n dg e t st h ed i s m b u t i o no fm a 弘e t i cf i e l da n dt h eb m k i n g f b r c e ，t h e n 叩t i m i z e st h ep a r a m e t e r st oa c h i “et h eb e s tb r a l ( i n gp e r f b m a n c e a tl a s t ， h a l b a c ha m yi sc o n s i d e r e dt ob et h eb e s to n e 枷o n gt l l r e ed i 缳玎e n ts t n l c t u r e s k e yw o r d s ：s u p e r c o n d u c t i v em a g l e vv e h i c l e ， l i n e a rm o t o r ，e l e c t r i c a lc o n t r o l ， p e r i l l a i l e n tm a 印e te d d y - c m e n tb r a l 【e ，f e m ，a n s y s j l 浙江大学硕上二学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义”幻 速度是人类在交通技术领域探索的永恒主题，能源则是全世界可持续发 展研究中一个无法回避的主题。而高速磁浮列车系统恰恰是2 0 世纪人类在交 通技术领域围绕这两个主题的一项技术发明。它高速、安全、舒适、节能、 环保，是继汽车、轮船、火车、飞机之后，填补火车和飞机之间速度空白的 一种新型的交通系统。它的应用很可能成为开辟未来人类与资源、环境和谐 发展新时代的火车头。 我国幅员辽阔，人口众多，高速客运市场潜力巨大，发展高速交通系统 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 距数百公里至数千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。 此外，我国石油资源严重不足，无论从能源安全的角度还是从环境保护 的角度看，都不宜走美国等发达国家采取的”飞机+ 汽车”的高速客运模式。 虽然这种满足高速客流需求的模式非常有效，但同时也带来了严重的能源安 全、环境污染和交通安全问题。而高速磁浮系统能耗低，可以节约宝贵的石 油资源，缓解石油危机的压力；使用电力，不排放任何有害物质，能有效保 护沿线环境；安全度高，没有脱轨的危险；减少土地耗用，缓解交通拥堵的 压力。因此，高速磁浮系统能有效地分流航空和汽车的需求，是较适合我国 国情的一种高速交通方式。高速磁浮交通是交通领域一次新的革命，其发展 将带动众多高新技术前沿的发展，又将极大地推动新产业体系的形成和经济 增长。随着科学技术的不断发展，高速磁浮系统的技术性能、经济性等也应 该可以得到较大的完善。我们相信高速磁浮交通必将成为2 1 世纪新型的大运 量地面客运交通系统。 目前世界上许多发达国家都在开发、研制高速磁浮列车。由德国、日本 分别获得的常导和超导两大不同体系的高速磁浮交通运输技术的试验证实， 其技术成熟，经济、安全、可靠而进入实用阶段。 但是，目前磁浮交通的核心技术为国外掌握。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。这不仅需 浙江大学硕士学位论文 要国家花大量的财力( 3 亿4 亿元公里) 、物力，而且还不利于我国高速交 通的发展。我国在磁浮领域与日本德国等已有国际水平的成果相比，差距还 是很明显的。所以要建设我国自己的高速磁浮交通系统，必须掌握其中的核 心技术，实现磁浮技术的国产化。 我国对磁浮技术的研究起步较晚，开始于二十世纪八十年代初，而且主 要集中在低速、常导磁浮的研究。西南交通大学等科研院所已研制成功了数 条试验线，但对超导磁浮的研究尚且不多。本课题就是浙江大学和西南交通 大学合作的超导磁浮试验线项目。它依托浙江大学航天电气与微特电机研究 所在直线电机领域的技术优势，以及西南交通大学在磁浮方面的经验，研制 的试验线对磁浮技术的国产化具有十分重要的意义。 1 2 超导磁浮列车概况 1 2 1 磁浮列车的特点及分类“嘲 磁浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系 统。它改变了传统轨道车辆依靠轮轨摩擦力推进的方式，而采用磁力悬浮车 体，直线电机驱动技术，使列车浮起滑行，在交通技术发展上是一个重大突 破，被誉为2 1 世纪最理想的交通工具。磁浮列车与现有的常规列车相比，其 突出的优点表现为： 速度快，可达5 0 0 k m h 以上； 安全，无翻车或者脱轨的危险； 无污染，乘坐舒适，无轮轨接触的噪声和震动； 占地小，可高架且对轨道承重要求低，因而占地较少； 对复杂地形的适应性强，爬坡能力强，转弯半径小； 造价不高，整体结构容易维修，节能。 根据吸引力和排斥力的基本原理，目前磁浮列车主要有两种相应的形式： 1 常导吸浮型( e m s ) 用一般导体线圈，以异性磁极相吸的原理，一般由同步或异步直线电动 机驱动的，这样的磁浮列车，常称为常导吸浮型磁浮列车，以德国为主要代 表。时速可根据需要设计为l o o k m h 或5 0 0 k m h ，磁浮高度一般在1 0 m 左右。 浙江大学硕士学位论文 2 超导斥浮型( e d s ) 用低温超导线圈，以同性磁极相斥原理，一般由同步直线电动机驱动的 磁浮列车，常称为超导斥浮型磁浮列车。以日本为主要代表。时速一般以高 速居多，即5 0 0 k m h 以上，磁浮高度可达1 0 0 m m 以上。 磁浮列车的研制方向可分为低速、中速和高速三种方式。国际上有代表 性的几种磁浮列车有： 高速常导磁浮列车，以德国研制的t r ( t r a n s r a p i d ) 系列为代表； 低速常导磁浮列车，以日本研制的h s s t 系列为代表； 高速超导磁浮列车，以日本研制m l x 系列为代表。 下面简单介绍一下这三种有代表性的磁浮列车。 德国t r a n s r a p i d 属于常导吸引式列车( 见图1 1 ) 。安装在车上的常规 电磁铁用于悬浮和导向，同时也是同步直线电机的激磁绕组。在长定子铁心 槽内沿线连续铺设的三相电枢绕组中的电流与电磁铁相互作用产生所需的 驱动力。安装在t 型导轨上的长定子铁心和导向铁轨与电磁铁相互作用产生 所需的悬浮力与导向力。t r a n s r a p i d 系统的优点在于采用传统的直线电机原 理，工艺成熟，与现有工业衔接较好，使用铁心，漏磁小，运行效率高。其 缺点是悬浮气隙小( 1 c m ) ，对导轨的精度要求较高，需要较复杂的控制系统， 车体较重。 图1 1 德国t r a n s r a p i d 列车截面图 浙江大学硕b 学位论文 日本h s s t 也属于常导吸引式列车( 见图1 2 ) ，但采用直线感应电机驱 动，磁铁与感应电机电枢均在车上，地面上仅有铁轨与产生感应涡流的次级 板，它属于中低速列车。 图1 2 日本h s s t 列车截面图 日本超导m l x 列车属于电动式磁浮系统( 见图1 3 ) 。采用先进的低温 超导磁浮技术，悬浮气隙可达l o 厘米，不需主动控制，适应性较好，易于达 到更高速度。这种方式在静止时不能悬浮，列车必须达到一定速度( 约1 0 0 公 里小时) 后才能起浮。 图l _ 3 日本超导m l x 磁浮列车截面示意图 浙江大学硕十学位论文 1 2 2 磁浮列车的发展。” 磁浮列车的发展经历了较为漫长的时期。从1 9 2 2 年德国人赫尔曼肯佩 尔提出电磁悬浮原理开始至今，先后有德国、日本、英国、前苏联、美国、 加拿大、法国、韩国、瑞士、中国等国家在磁浮技术的理论和实践方面做了 大量的工作。在这些国家中，研究走在最前面、投入最大、持续时间最长的 是德国和日本。 德国对磁浮列车的研究始于1 9 6 8 年。在研究的初期，常导和超导并重。 到了1 9 7 7 年，先后研制出常导吸引式和超导相斥式试验车辆，试验的最高时 速达到4 0 0 k m h 。后来，经过分析比较，认为超导磁浮铁路所需的技术水平 太高，短期内难以取得较大进展，遂决定集中力量发展常导磁浮铁路。目前 德国在常导磁浮列车研究上的技术已经成熟，我国的上海线就是采用德国的 t r 0 8 列车。 日本从1 9 6 2 年开始研究常导型磁浮列车。后来由于超导技术的发展，日 本从7 0 年代开始转向研究超导型磁浮列车。1 9 7 2 年1 2 月在宫崎磁浮铁路试验 线上，时速达到2 0 4 k m h 。1 9 7 9 年1 2 月又迸一步提高到5 1 7 k m h 。1 9 8 2 年1 1 月， 磁浮列车的载人试验获得成功。1 9 9 5 年载人磁浮列车试验时的时速高达4 1 l k m h 。1 9 9 7 年1 2 月在山梨县的试验线上创造出时速为5 5 0 k m h 的世界最高记 录。据有关专家介绍，日本之所以研究和发展超导磁浮列车，是因为超导磁 浮列车的1 0 0 m m 悬浮间隙比常导磁浮列车的1 0 m m 悬浮间隙更能抵御地震灾 害对列车运行的影响，而日本恰恰是多地震的国家。 我国在上世纪8 0 年代初开始对低速常导型磁浮列车进行研究。1 9 9 4 年l o 月，西南交通大学建成首条磁浮铁路试验线，并同时开展了磁浮列车的载人 试验，成功地进行了4 个座位，自重4 t ，悬浮高度为8 m m ，时速为3 0 k m h 的磁 浮列车试验。在铁科院环形试验线轨距2 m ，长3 6 m ，设计时速为1 0 0 k m h 的室 内磁浮试验线路上成功地对长为6 5 m ，宽为3 m ，自重4 t ，内设1 5 个座位，设 计时速为1 0 0 k m h 的低速常导单转向架磁浮试验车进行了试验，于1 9 9 8 年1 1 月通过了铁道部科技成果鉴定，填补了中国在磁浮列车技术领域的空白。 2 0 0 1 年1 月2 3 日，上海磁浮交通发展有限公司与由德国西门子公司，蒂 森快速列车系统公司和磁浮国际公司组成的联合体签署了上海磁浮列车项 浙江大学硕士学位论文 目供货和服务合同，2 0 0 1 年3 月1 日工程正式开工，2 0 0 2 年1 2 月3 1 日世界第 一条商业化运营的磁浮示范线在上海顺利通车。日前，深受海内外关注的沪 杭磁浮交通项目获得国务院批准，意味着中国开始迈向“高速铁路”时代。 磁浮交通沪杭线工程全长约1 7 5 k m 。线路利用既有3 0 k m 磁浮上海线，由龙阳 路站向西南延伸，经世博园站、上海南站后，在铁路三角区附近出岔向北至 虹桥站，向西经过嘉兴站抵达杭州东站。这条连接上海、嘉兴、杭州三地的 磁浮交通线建成后，将实现“两百里沪杭，一小时往返”，上海至杭州单程 不过半小时，将大大提高长江三角洲地区的出行效率，必将又一次掀起我国 进行磁浮国产化研究的高潮。 图1 4 上海线上运行的磁浮列车 1 2 3 超导磁浮列车的原理“羽 超导磁浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有 的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成， 它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这 种特性使其能够制成体积小功率大的电磁铁。 超导磁浮列车只能在列车达到一定的运行速度后才能实现悬浮( 列车通 常都是高速的) ，如日本的m l x 系统和美国的m a g p l a n e 系统。其悬浮系统和推 进系统如图1 5 所示。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感 应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两 6 浙江大学项十学位论文 侧。列车驱动系统通常采用长定子直线同步电机，当向轨道两侧的驱动绕组 提供与车辆速度频率一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因 而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动 磁场同步的推力，正是这种推力推动列车前进。当列车运行时，车载超导磁 体与铺设在地面导轨上的线圈之间相对运动，轨道线圈中的磁通随着车辆向 前运动而改变，在轨道线圈中感应出强大的电流。由于超导磁体的电阻几乎 为零，在运行中基本上不消耗能量，且磁场强度很大，在超导磁体与轨道线 圈之问产生强大的排斥力，使列车悬浮在空中，高度可达1 0 0m m 1 5 0m m 。 由于是斥力悬浮，悬浮是自稳定，不需要任何反馈控制系统来保证其悬浮系 统的稳定性，控制系统可以大为简化，但悬浮的高度与列车速度有关，列车 必须达到1 0 0k m h 左右的速度才能被抬离轨道，因此必须在车上安装辅助 的机械支撑轮装置，以保证列车在启动、低速运行或停车时，能安全可靠地 着地。同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证 列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。由超导斥浮型悬浮系统构 成的磁浮列车适用于高速运行，速度可高达5 5 0k m h 。 ( a ) 悬浮系统 图1 5 超导磁浮列车原理示意图 ( b ) 推进系统 1 3 直线电机概况。川 1 3 1 直线电机的发展及应用 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间 转换机构的传动装置。在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线 浙江大学硕士学位论文 形式。但遗憾的是，过去由于直线运动驱动器没有得到充分的发展，长期以 来不得不借助于旋转电机的旋转运动，加上机械变换环节来获得最终的直线 运动，或者单向位移或者双向往复位移。显然，这种获得直线运动的方式具 有“间接”的性质。如果驱动器能给被控对象提供直线运动形式的推力，以 获得单向或者双向的有限可控位移，那么两者在运动形式上就直接匹配一致 了，省去了中间的变换环节，这就具有天然的合理性了。以电磁原理工作的 各种形式的直线电机是提供大功率、高推力的主要执行元件。由于它能直接 产生连续单向或往复短行程的直线机械运动，而不需要中间机械传动变换装 置，因而在国民经济的各个部门都获得了应用，而且应用的前景越来越广阔。 特别是随着上海磁浮商业线的投入运行，各个国家都加大了对直线电机设计 和控制的研究。从目前的发展趋势来看，很有可能形成巨大市场的“直线运 动工业”。 早在1 9 世纪末与2 0 世纪初就有人从事直线电机的研究。当时研究直线电 机有两个目的，其一想用它来推动织布机上的梭子，其二想用它作为推动列 车的动力，但均未获得成功，这两者都停留在试验论证阶段。在以后很长的 一段时间内，虽有少量的研究成果，但都没有超出试验模型阶段。从美国专 利上看，2 0 世纪三、四十年代，也曾一度出现过直线电机热，但后来慢慢冷 下来了。其原因大致在于以下几方面：一、直线电机的电磁气隙与极距的比 值通常高于旋转电机，因此激磁电流较大。另外存在由于铁芯两端开断产生 的边端效应，于是直线电机的效率和功率因数比同容量旋转电机的低。人们 的传统概念是以效率和功率因数来衡量电机的。这个概念牢固地束缚了直线 电机的应用；二、没能找到唯独它适用的领域；三、直线电机的控制线路及 其装置费用成为它发展的又一障碍，因为当时控制技术不完善、元器件昂贵 且性能欠佳；四、直线电机理论发展缓慢，设计上存在缺陷，没有对应用起 到促进和预见作用。以上这些使得人们对直线电机一度失去信心。直至5 0 年 代中期以后，控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现为直 线电机的广泛应用打开了方便之门。随着科技的发展，人们的观念也发生了 变化，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿，在 不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置的简单和经济显示了直线 8 浙江大学硕士学位论文 电机的优越性。同时随着核动力的发展，需要抽吸钠钾混合物之类液态金属， 于是就产生了作为电磁泵的直线电机。6 0 年代以来，随着高速运输系统的需 要，直线电机在这方面的应用受到了极大的重视，许多国家开展了对直线电 机的专题研究，于是直线电机的理论和应用均获得了迅速的发展。 值得提的是在6 0 年代末、7 0 年代初将直线电机作为高速列车的驱动装 置得到了各国的高度重视并计划予以实旌，其中尤以德国、日本为代表。近 二十年来，不仅直线电机的新产品层出不穷，而且新原理直线电机也不少， 例如超声波直线电机，微步距直线电机等等。 相对于国外，国内的直线电机研究起步较晚，发展不稳定，七十年代比 较热，八十年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。现在国内已出 现了一支直线电机的开发、研究队伍，一些大专院校、科研单位和工厂积极 开展了各类直线电机的基本理论和开发应用的研究。自从1 9 8 2 年开始，全国 直线电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展现，还 不断有新的年青会员参加。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果， 例如浙江大学的遥控直线电机窗帘机、世界首创的新型电磁式直线电机冲 床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁加热的炒茶机、西安交通大学的一种新 型电磁打泊机、上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动 的自动门等等，关于直线电机国内已有许多项专利。最近几年，直线电机的 应用领域更是全面铺开，如备受世人瞩目的上海磁浮工程正是采用长定子直 线同步电机来驱动高速磁浮列车的。在理论研究上，我国也有很大的发展， 发表了不少的文章，出版了一些书籍。现在直线电机的应用面很广，涉及到 工业、运输、建筑、医学、民用等多个方面，越来越受到人们的重视，其发 展前景甚为广阔。 1 3 2 直线电机的基本结构与工作原理 如图1 6 所示，直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变。 它可以看作是先将一台旋转电机沿其径向剖开，然后再将电机的圆周展成直 线，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 来的一侧为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。 9 浙江大学硕士学位论文 a ) 沿径向剖开 ( 初级) 子( 次级) 次级初级 b ) 把圆周展成直线 图1 6 旋转电机演变为直线电机的过程 直线电机最基本的工作原理，如图1 7 所示。在初级绕组通入交流电，则 在气隙中产生行波磁场。次级在行波磁场的切割下，产生感应电动势从而产 生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定， 则次级在推力的作用下做直线运动；反之，次级固定，则初级作直线运动。 32 l 初级2 一次级3 一行波磁场 图1 7 直线电机的基本工作原理 在图1 6 中，演变而来的直线电机的初级和次级长度是相等的。在直线 电机运行时，初级与次级之间是要作相对运动的，如果在运动开始时，初级 与次级正巧对齐，那么，在运动中初级与次级互相耦合的部分越来越少，从 而使直线电机不能正常运动下去。为了保证在所需的行程范围之内，初级与 次级之间的耦合能保持不变，实际应用时，初级与次级的长度要制造成不相 等的。事实上，在直线电机制造时，既可以是初级短、次级长，也可以是初 级长、次级短，见图1 - 8 。前者称作短初级长次级，后者称为长初级短次级。 o 浙江大学硕士学位论文 幽里驾幽翼必 _ 一初级- a )短初级长次级b ) 长初级短次级 图1 8 单边型直线电机 图1 8 中所示的直线电机仅在一边安放初级，这样的结构型式称为单边 型直线电机。这种结构的电机一个最大特点是在初级与次级之间存在很大的 法向吸力。一般这个法向吸力，在钢次级时，若设计不当，会是推力的1 0 倍 以上，在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的。如果在次级的两 边都装上初级，那么这个法向拉力可以相互抵消，这种结构型式被称为双边 型直线电机，见图1 9 。 图1 9 双边型直线电机 上面介绍的直线电机都属于扁平型直线电机，是目前应用最为广泛的结 构形式。对于其它特殊方面的应用，除了上述扁平型直线电机的结构形式外， 直线电机还可以做成圆筒型( 也称管型) 或盘型。 1 3 3 直线电机的分类 直线电机在不同的场合有不同的分类形式。例如在考虑外形结构时，往 往按结构形式将其进行分类；当考虑其功能用途时，则又按其功能用途进行 分类；而在分析或阐述电机的性能或机理时，则是按其工作原理进行分类。 下文就几种主要分类形式简单予以介绍。 浙江大学硕士学位论文 1 按结构形式分类 直线电机按其结构形式主要可分为扁平型、圆筒型( 或管型) 、圆弧型 和圆盘型四种。 所谓扁平型直线电机就是上文所主要介绍的，即为一种扁平的矩形结构 的直线电机，它有单边型和双边型，每种形式下又分别有短初级长次级或长 初级短次级，上文已有介绍。 所谓圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机， 如图1 1 0 所示。这种直线电机一般均为短初级、长次级形式。在需要的场合， 我们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋 转直线的运动体既可以是初级，也可以是次级。 初级 图1 1 0 圆筒型直线电机 所谓圆弧型直线电机，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成弧 型，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图1 1 1 所示。 转的圆盘 次级) 图1 1 l 圆弧型直线电机 图1 1 2 圆盘型直线电机 圆盘 ( 次级) 浙江大学硕士学位论文 所谓圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘，不同形式的初级驱 动圆盘次级作圆周运动，如图1 1 2 所示。其初级可以是单边型，也可以是双 边型。 2 按功能用途分类 直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电机、功 电机和能电机。 力电机主要用于在静止物体上或低速的设备上麓加一定的推力的直线 电机。它以短时、低速运行为主，例如阀门的开闭，门窗的移动，机械手的 操作、推车等等。 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转 电机基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例 如高速磁浮列车用直线电机，各种高速运行的输送线等。 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主 要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射， 飞机的起飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等等。 3 按工作原理分类 从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角 度来看，直线电机得到了更广泛的应用。直线电机按其工作原理可分为两个 大的方面，即直线电机和直线驱动器，直线电机包括交流直线感应电机 ( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s ，简称l i m ) 、交流直线同步电机( l i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r s ，简称l s m ) 、直线直流电机( l i n e a rd cm o t o r s ，简 称l d m ) 和直线步进( 脉冲) 电机( l i n e a rs t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s ，简 称l p m ) 、混合式直线电机( l i n e a rh y b r i dm o t o r s ，简称l h m ) 等。直线驱 动器包括直线振荡电机( l i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s ，简称l o m ) 、直线电 磁螺线管电机( l i n e a re 1 e c t r i cs o l e n o i d ，简称l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a r e 1 e c t r o m a g n e t i cp u m p ，简称l e p ) 、直线超声波电机( l i n e a ru l t r a s o n i c m o t o r s ，简称l u m ) 等。以上这些直线电机又可以分成许多不同的种类。 由于对直线感应电机的研究较早，电机结构简单，坚固耐用，适应性强， 成本低，所以在各个领域首先获得推广应用。而随着高性能永磁材料的发展 1 3 浙江大学硕士学位论文 和价格的降低，永磁同步直线电机在许多小功率设备中得到了广泛应用，主 要是在各种设备中作为伺服驱动和精密较高的定位控制。 1 4 本文的主要内容 本文结合超导磁浮试验线的项目要求，对所用的直线感应电机及其驱动 控制和涡流制动系统进行研究。主要内容涉及直线电机的分析、设计与电气 控制、永磁涡流制动等方面。全文共分五章： 第一章：绪论，论述了课题的背景与意义，对磁浮列车和直线电机的发 展概况作了必要的介绍。 第二章：直线感应电机的结构设计与电气参数分析。在本文中，考虑了 直线电机所特有的边端效应，在旋转异步电机的基础上进行修正，得到直线 异步电机的等效电路，给出直线感应电机参数设计的公式，并针对项目要求 设计了直线电机。 第三章：超导磁浮试验线驱动控制系统的设计。根据项目的要求，采用 改进的继电接触器控制方案。搭建电路产生两路时间可调的脉冲信号，通过 继电器控制接触器的通断，实现试验车的启动、运行及反接制动。 第四章：永磁涡流制动系统的分析与设计。介绍了永磁涡流制动的原理、 解析分析和有限元分析。采用有限元分析软件a n s y s ，建立二维模型，得到 不同速度下的磁场分布和制动力，并对永磁涡流制动进行参数的优化设计。 针对优化结果，根据本课题的要求设计了一套永磁涡流制动系统。实验结果 验证了永磁涡流制动良好的制动效果，同时通过实测值与理论分析的比较可 以看出，有限元法比解析法在分析此问题上更具准确性与可行性。最后对水 平充磁、竖直充磁和h a l b a c h 阵列这三种不同的永磁体排列方式进行了比较， 得出h a l b a c h 阵列最具优势的结论。 第五章：结束语。总结所做的工作，并对以后的工作进行了展望。 1 4 浙江大学硕j 学位论文 第二章直线感应电机的结构设计与电气参数的分析 2 1 基本结构m 2 劬 扁平型直线感应电动机是目前应用最广泛的一种直线感应电动机，由初 级和次级构成。由于短初级的制造成本和运行费用均比短次级的低待多，因 此一般常用短初级，而只有在特殊情况下才采用短次级。 ( i ) 初级 直线感应电机的初级相当于旋转电机的定子沿圆周方向展开而得到的。 初级铁心由硅钢片叠成，表面开槽，三相交流绕组嵌景于槽内。 直线电机的初级绕组所起的作用与旋转电机的定子绕组相当，它们都是 实现由电能向机械能转换的重要部件之一。在电气性能上，直线电机初级绕 组要求能承受额定电压和电流，产生接近正弦分布的磁动势，且有良好的导 电性能、足够的绝缘强度、耐热性、散热能力以及一定的机械强度等。对于 一般要求的直线电机，可咀采用高强度聚酯漆包线作为导电材料，采用聚酯 薄膜复合青壳纸作为绝缘材料。电机的初级经过嵌线、浸漆、烘干之后便成 为坚固的整体，以满足电气性能的要求。此外，对于防潮、防腐有较高要求 的直线电机，可以把整个直线电机的初级用环氧树胎封装，以构成一个由环 氧树脂密封的整体。为了使绕组端部安置方便，一般直线电机中均采用双层 绕组，初级槽形选用半闭口的圆底槽。 但是，直线电机与旋转电机最大的区别就在于前者的铁心不像后者那样 具有闭合圆环形状，而是长直的，两端开断的铁心，这就造成了数种边端效 应，详见下一节的分析。 ( i i ) 次级 直线感应电机的次级相当于旋转电机的转子沿圆周方向展开的。在直线 感应电机中常用的次级有三种。 第一种是整块钢板，称为钢次级或磁性次级。这时钢既起到导磁的作用， 又起到导电作用，由于钢的电阻率较大，故钢次级的电磁性能较差。单边型 钢次级直线电机的初级和次级问还存在着较大的法向磁拉力，这个法向拉力 的大小通常为切向电磁推力的十倍左右，而如此大的法向拉力在大多数情况 下是无益的。但由于其结构特别简单，常常可以利用原有的机械来充当次级， 浙江人学硕士学位论文 在某些情况下能够得到应用。 第二种是单纯的铜板( 或铝板) ，称为铜( 铝) 次级或非磁性次级。这 种次级一般用于双边型电机，在单边型电机中用得较少。值得注意的是，当 复合次级的铜板厚度大于2 m m 或铝板厚度大于4 m m 时，复合次级结构在设计时 可以作为非磁性次级来计算。 第三神为钢板上复合一层铜板( 或铝板) ，称为钢铜( 或钢铝) 复合次 级。在复合次级中，钢主要用于导磁，而导电主要靠铜或铝。经研究表明， 复合次级直线电机的性能优与钢次级直线电机，逐渐成为直线感应电机的基 本结构形式。 ( 1 i i ) 气隙 为了保证在长距离运动中，初、次级不致于相擦，直线电机的气隙通常 比旋转电机的大得多。对于复合次级来说，由于铜或铝等非导磁材料的导磁 性能和空气相同，在磁路计算时，铜板或铝板的厚度要归并到气隙之中，这 个总的气隙称为电磁气隙。( 为了区分起见，单纯的空气气隙称为机械气隙。) 2 2 直线感应电机的边端效应0 1 直线电机与旋转电机有相似之处，即当直线电机的初级绕组通入三相对 称交流电流后，便会在气隙中产生与旋转磁场类似的沿直线方向移动的行波 磁场，次级在此磁场的作用下将产生定向的直线运动。但是，直线电机又与 旋转电机有所不同，因为前者的铁心不像后者那样具有闭合的圆环形状，而 是长直的、两端开断的铁心。由于铁心及安置在其槽中的绕组在两端不连续， 所以各相之间的互感就不相等，因此即使在初级绕组上供给三相对称的交流 电压，在各相绕组中也将产生不对称的电流。利用对称分量法可以把它们分 解成顺序、逆序和零序电流。对应这三种电流将有三类磁场，即顺序正向行 波磁场，逆序反向行波磁场和零序脉振磁场。后两类磁场在次级运行过程中 将产生阻力和增加附加损耗。退一步讲，即使采取一些附加措施，使三相电 流对称，而直线电机由于铁心开断仍然会产生相对于初级不移动的脉振磁 场。上述由于铁心开断而引起的各相绕组互感不相等以及在气隙中出现脉振 磁场和反向行波磁场的效应，不论是否考虑次级的反作用，都是存在的，我 1 6 浙江人学硕士学位论文 们称它为第一类纵向边端效应( 静态纵向边端效应) 。所谓纵向，是指磁场 移动的方向。另方面，当短初级直线电机的次级导体板( 用整块导体板制 作的次级) 相对于初级运动时，在初级的进入端和离开端还会产生磁场畸变， 这是由于次级导体板中的涡流使进入端的磁场削弱、离开端的磁场加强所 致。这种类型的磁场畸变称为第二类纵向边端效应( 动态纵向边端效应) 。 此外，在扁平型直线电机中，当电磁气隙与初级铁心宽度的比值较大，而次 级宽度又等于初级铁心宽度时，则不论是否存在次级的反作用，都必须考虑 横向( 即顺着槽的方向) 边缘处磁场的削弱。这种效应称为第一类横向边端 效应。 对于一般直线电机，电磁气隙与初级铁心宽度的比值较小，次级宽度又 大于初级铁心宽度，第一类横向边端效应可以不必考虑。当存在次级导体板 的反作用时，横向磁场的分布还受到次级导体板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。 直线电机的特性计算方法和设计方法都与纵向和横向边端效应的分析 研究密切相关，而纵向和横向边端效应影响的大小又与气隙磁场密切相关。 2 3 直线感应电机的等效电路瞳 蚰 等效电路是感应电动机运行分析和电磁计算的重要工具，对直线感应电 机同样也是如此。在不考虑直线感应电机的横向边缘效应和纵向边缘效应 时，可以使用与旋转感应电机相同的等效电路，如图2 1 。 图2 1 旋转异步电机的等效电路图 浙江大学硕士学位论文 图中e 和五是初级绕组的电阻和漏抗，瓦是励磁电抗，是等效铁损 耗的电阻，砭和蔓是折算到初级侧的次级电阻和漏抗。但如果计及第二类 纵、横边缘效应，要直接导出并联等效电路是困难的，却可以直接导出串联 等效电路。在计算电机的特性时，如果不需要直接计算次级电流，采用串联 等效电路比并联等值电路更方便。因此，在这里我们选用串联等效电路，如 图2 2 。 图2 2 直线感应电机的串联等效电路 屹= 等 ，屹= ( 2 1 ) 1 + o 争) 2 。南 2 ) 1 + 0 争) 2 相同的，只是将兄替换咒。，置替换置。 浙江大学硕士学位论文 复电磁功率 冠砜驰d 口一瓮) 冷耻+ d 口+ s g d i 警 s e = m i i ；0 r e + j x j ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，g 称为品质因数，g = 二： 心 k ，称为横向边缘效应复电磁功率系数，可以查表得到； 见，d ，称为纵向边缘效应复电磁功率系数，亦可查表得到。 这样，在得到以上参数后，就可以用考虑边端效应后的等效电路进行直 线电机的运行分析，即计算各个电磁参数。 2 4 电磁参数的计算 为了在设计时能够准确地计算电机的运行性能， 要的。下面结合旋转感应电机理论，参照文献 2 ， 算公式。 初级电流： 2 面瓦高 功率因数： c o s 妒2 而番赫 输入功率： 弓= 铂u c o s 妒 电磁功率： 0 = m t i ；r ， 1 9 等效参数的计算是很重 给出各个电磁参数的计 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 浙江大学硕： ：学位论文 初级铜损耗 电磁推力 吃。= 州1 耳置 f = m l i ：r k p q 七d f ， 初级绕组的相电阻 兄：三业 q 焉 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中：、p 、q 、与一一初级绕组每相的串联匝数、线圈平均半 匝长度、导线电阻率、并联支路数、导线截面积。 励磁电抗： x 。 4 风( 彬k 。) 2 硒：k 。p ( 2 1 4 ) 式中：f 、厶、彤、b 。、k 、p 一一定子极距、初级铁心有效叠厚、 初级绕组每相串联匝数、初级绕组系数、磁场饱和系数、定子极对数。 初级绕组总漏抗： 墨_ 0 1 5 8 吉志( 急) 2 去( 乃+ 乃+ 屯+ 五) + 以 ( 2 1 5 ) 式中：砭一一双边型取2 ，单边型取1 ； 吼一一初级每极每相槽数( 单边) 。 槽漏磁导系数： 堕 扣每+ 格+ 奇) ( 2 - 1 6 ) 弘嚼+ 吾c 争2 c z 州， 谐波漏磁导系数： 2 0 浙江大学硕士学位论文 乃= 篾( 1 + ( 挚2 ( 2 _ 1 8 ) 绕组端部漏磁导系数： 也= o 3 4 孚 ( 2 + 2 d ) 一o 6 4 y ，嵋k ，】2 ( 2 一1 9 ) 齿端漏磁导系数： 五2 嚣 心1 气隙磁场基波漏抗： 对于双边型以：( c 。s h ( 婺) 一1 ) 瓦 ( 2 2 1 ) z f 对于单边型以= c 。s h ( 等) c 。s h ( 筹) 】j 乙 ( 2 2 2 ) 式中：6 0 、6 l 、6 2 、 、一一槽口宽度和高度参数； k 一一查表所得； k 。一一初级绕组短距系数。 2 5 主要尺寸和电磁负荷的选择乜3 我们知道，在进行旋转电机设计时，为要按照预定的要求合理地确定电 机各部分的尺寸，总是首先确定电枢的直径d 和有效长度0 。这是由于电机 所能传递的电磁功率与d 2 0 成正比，为了保证电机能正常地传递预定的电磁 功率，d 与。这两个尺寸是最重要的。从这两个尺寸出发，我们就可以有的 放矢地进行设计方案的选择，因此通常把这两个尺寸称为旋转电机的主要尺 寸。同理，在进行直线电机设计时，我们可以把初级铁心的极距f 和有效横 向宽度作为主要尺寸，这是由于直线电机所能传递的电磁功率与2 p r 2 如成 正比。 电磁负荷，也就是电负荷和磁负荷。所谓电负荷或线负荷( 以一表示) 浙江人学硕十学位论文 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。对于双边型直线电机，电负荷是指两边之和。所谓磁负荷是指气隙中等 效基波磁通密度的幅值b 。，。之所以要引入这个等效基波磁通密度，是由于 在直线电机中气隙磁密分布较为复杂，纵向和横向边端效应造成了磁场的畸 变，为了便于分析，可用等效气隙磁通密度来代替实际的磁通密度。 接下来，以单边扁平型非磁性次级直线电机为例来说明直线感应电机主 要尺寸与电磁负荷之间的关系。 只= 仉m l u l ，lc o s 妒 ( 2 2 3 ) 若令 e l = ( 1 一吼) u ( 2 2 4 ) 则 只：型塑 ( 2 2 5 ) 5 ( 1 一气) 式中：( 1 一龟) 称为压降系数，在直线电机中，此值约为o 3 5 0 8 5 ，通 常，f 与坑的比值愈大，则( 1 一气) 愈大。 根据电负荷4 的定义，可得： a ：塑堡璺塞堕量堡塑：三垫! ! 生：当兰量( 2 2 6 ) 1 2 p f2 p rp r 由上式移项得： ：旦生( 2 2 7 ) m 1w 1 根据每相绕组感应电动势的公式可得： 巨= 4 4 4 鼽k 1 ( 二b 订5 ) ( 2 2 8 ) 式中：k 。初级绕组的基波绕组系数。 把式( 2 2 7 ) 及( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 5 ) ，经移项整理得： z 以2 面篆 一z 。， 浙江大学硕士学位论文 由上式可见，对于一定的同步功率，4 和乓，选得愈大，电机的尺寸就 愈小，对于电机制造来讲是经济的。但是4 和易，并不能无限地提高，因为4 太高，则会使用铜量及电阻损耗增加，于是效率下降，发热严重；眈，太高， 会使电机的铁耗增加，功率因数下降。 在直线电机中，电负荷4 的选择，应视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，一可取较大的值；对于散热条 件较差或连续运行的电机，a 应取较小的值。通常，对于单边型间歇工作的 电机，爿。可取5 1 0 4 安米左右；对于双边型间歇工作的电机，爿。则取 1 0 5 安米左右。 关于磁负荷的选择，由于直线电机的电磁气隙通常比旋转电机大，为了 减小励磁电流，提高功率因数，通常b 。选用较低的值。电磁气隙愈大，喀， 值愈低。对于非磁性次级，易。可取o 1 0 o 3 5 韦米2 ，电磁气隙小而极距大 的电机，取较大的值，反之，则取较小的值。 总之，电磁负荷选择时要考虑的因数很多，很难单纯从理论上来确定。 通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电 机之间在使用材料、结构、技术要求等方面的异同后进行选取。电机工业的 发展历史表明，随着材料，特别是电工材料性能、冷却条件和电机结构的不 断改进，电机的利用系数和一，、b 。的数值一直在逐步提高，从而使电机的 体积和重量不断减小，而性能指标仍可以得到保证。 浙江大学硕十学位论文 2 6 超导磁浮试验线用直线电机的设计 根据项目的要求，对所设计的扁平型直线感应电机的要求有： 型号