（电工理论与新技术专业论文）磁悬浮列车的长定子同步直线电机电磁特性研究.pdf

堂坚查兰堡主丝兰 a bs t r a c t f u r t h e rs t u d yo nl o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o ru s e di nt h ee m sm a g l e v v e h i c l ei sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em a i nk i n d so fm a g l e v v e h i c l ec u r r e n t l ya n dc o m p a r e st h ec h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h e m t h ee m sm a g l e vv e h i c l e i sb es t u d i e do ne m p h a s i s ，e s p e c i a l l ys t r u c t u r ea n dt h e o r yo ft h e , o n gs t a t o rl i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r a n di t sd r a u g h ta n dc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h el e v i t a t i n ga n dp r o p u l s i v ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d so f e m s m a g l e vv e h i c l e i ss t u d i e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h et i d eo ft h r u s ta n dl e v i t a t i o nf o r c e v a r y i n ga l o n gu n d e rt h ed i f f e r e n tr u n n i n gc o n d i t i o ni sh i g h l i g h t e d ，a n dt h et i d e o ft h e t h r u s ta n dl e v i t a t i o nf o r c ev a r y i n ga l o n gt h es o m ef a c t o r s ，s u c ha se x c i t a t i o nc u r r e n t ， a r m a t u r e c u r r e n t ，p o w e ra n g l ea n da i r - g a ph e i g h t t h eu n d u l a t i o no ft h e t h r u s ta n d l e v i t a t i o nf o r c ed u et ot h ei n f l u e n c eo ft h ed i s c o n t i n u o u so ft h es t a t o rg r o o v e sa n dt h e m a t e r i a la n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s o l v e n ta r ea l s ob es t u d i e d t h ep a r a m e t e rc a nb e w o r k e do u tb yu s e dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d e n e r g yp e r t u r b a t i o n t h e nt h es i m u l a t i o nm o d e lo f l o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r i se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c sm o d e l ，u s i n gt h ep a r a m e t e rg o t t e nt h r o u g ht h ef o r m u l a a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dr e s p e c t i v e l y , t h et w ok i n do ft i d eo ft h r u s ta n dl e v i t a t i o n f o r c ev a r y i n ga l o n ge x c i t a t i o nc u r r e n t ，a r m a t u r ec u r r e n t ，p o w e ra n g l ea n da i r - g a ph e i g h t c a nb es t u d i e d ，t h e nt h e ya r ec o m p a r e dw i t ht h ea n a l y t i cr e s u l t ss t u d i e db yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n ds i m u l a t i o nm o d e 】。 k e yw o r d ：e m s ( e l e c t r i c m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) m a g l e vv e h i c l e ，l i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o r , e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa n a l y s i s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n s y s ，s i m u l a t i o n ， m o d e l ，p a r a m e t e r 浙，l 大学硕士论文 第一章 第一章绪论 1 1 引言 当今，科学技术的迅猛发展闩益显示出综合和集成化的特点，在众多举世瞩目 的近代科技成果中，磁悬浮技术也正是在众多科学成就相互渗透的基础上发展起来， 己成为一类现代的高新应用技术，并且已经对经济、文化、社会以及政治面貌产生 了深远的影响，极大地改变了人们的生活状态和思维方式。而磁悬浮列车正式作为 磁悬浮技术在工程领域的主要应用之一，已受到世界各主要发达国家的普遍关注， 并且也从社会的政治、经济发展的侧面反映了一个国家的综合实力。 磁悬浮列车作为一种新型陆地高速交通工具，它的研制与机理研究曾作为我国 九五重大工程项目立项研究，并已在磁悬浮系统控制的关键技术上获得重要进展。 为了加速这一研究进程的发展，我国已经在上海引进修建一条德国技术的磁悬浮列 车运营线，同时，自行设计的磁悬浮列车实验线路的建设也已提上议事f 【程。随着 磁悬浮轨道交通在我国的成功运行，对磁悬浮轨道交通系统进一步的研究不仅有利 于保证磁悬浮列车的安全运行，而且能够推动磁悬浮牵引系统的关键技术的掌握， 尽早实现磁悬浮供电系统的国产化，推动技术进步，加快新技术、新工艺的开发、 推广与应用，缩短研制周期、节省研制费用。 1 2 磁悬浮列车 作为本论文研究课题的工程应用背景磁悬浮列车已受到世界各主要发达国 家的普遍关注，并且也正从社会的政治、经济等发展的侧面反映出一个国家的综合 实力。新世纪交通工具的发展将以高效、快捷、安全、舒适、环保、节能等为主旋 律，而国外磁悬浮列车的发展为我国磁悬浮列车的研究提供了很好的借鉴经验。有 关专家指出，目前我们要做的是“进行技术引进与消化，攻关与创新工作”，且“抓 紧高速磁悬浮列车的研究发展，从技术上实行迎头赶上的战略”。本文就是以上 海磁悬浮线为基础来进行分析的。 l ，2 1 磁悬浮列车的特点 高速磁悬浮列车是介于轮轨高速列车( 最高时速3 5 0 k m h ) 及飞机( 最高时速 8 0 0 - - 1 0 0 0 k m h ) 之间的一种高速、安全无污染的理想交通工具。 与轮轨高速列车相比，高速磁悬浮列车具有以下一些优点： 浙江大学顶士论文 第章 速度快而且运营费用低，磁悬浮列车运行时无轮轨接触，由直线电机推进，时 速高达5 0 0 k m h 以上，维护费用低，运输效率高，有效地降低了运营成本。工程费 用低，由于磁悬浮列车可以在】0 坡道上高速运行，所以对选定的线路可以缩短隧 道建设长度及土建工程量。公害小，磁悬浮列车的噪音及振动较低，而且无废气排 出。 与短程航空运输和比，高速磁悬浮列车具有以下一些优点： 平均时速高，高速磁悬浮列车的平均时速可高达5 0 0 k m l h ：此外，磁悬浮列车 的车站可设在市区，而机场一般设在郊外，磁悬浮列车优势明显。能耗低，高速磁 悬浮列车每人每公里的能耗仅是飞机的一半。可以全天候运行，基本不受天气的影 响。 由于高速磁悬浮列车的研制起步较晚，目前还有不少问题有待持续研究解决 其主要问题和缺点为： 技术难度高，高速磁悬浮列车是现代高新技术的集成，不仅“硬件”上如此， 在运营管理上也如此。初期投资大，高速磁悬浮列车新技术含量极高，造价昂贵， 这些都直接影响来了运行票价、旅客的承受能力和企业的效益问题。高速磁悬浮列 车与普通铁路客运存在“兼容”问题，高速磁悬浮列车车辆、线路、供变电站、通 讯以及维修与普通铁路完全不同，必然存在着与原有的铁路网的兼容问题。 1 2 2 磁悬浮技术 磁悬浮技术，就是利用磁场产生的磁力来克服重力，使物体无接触地悬浮于空 中的技术。磁悬浮是通过两个磁系统之间的磁场力作用来实现的。从力的作用方式 来分，磁悬浮可分为吸引型和排斥型两种：从实现磁悬浮的系统物质构成的不同又 可以分为常导磁悬浮、超导磁悬浮和永磁悬浮，他们分别对应常导电流、超导电流 和永磁体三类磁场。 根据悬浮机理，实际应用中最常见的磁悬浮有以下四种n ： ( 1 ) 永久磁铁悬浮 永久磁铁是应用硬磁材料充磁后具有很强剩磁效应的原理制造的。无论采用吸 引力还是斥力实现悬浮，永磁都不消耗能源，所以在节能要求高、无能源特殊场合 有其独特优势。其缺点是产生的磁场难以控制，因此不能单独应用于吸引力的方式 下，需要与常导电磁铁组合使用，并且强永磁材料的制造成本很高，普通硬磁材料 又难以产生所期望的高磁感应强度，所以在斥力方式下工作也受到很大的约束。 ( 2 ) 超导电磁铁悬浮 浙江人学硕士沦文 第一幸 超导悬浮是通过在超导线圈中通过强电流产生强磁场而实现磁悬浮。当利用吸 引力悬浮时，由于电流难以控制，所以常与常导方式结合使用，利用主动控制的常 导电磁铁实现系统的稳定性。当利用斥力悬浮时，通常是使激磁的超导线圈与另一 导体发生相对运动，这样，导体中感应电流恰好与原磁场相反，从而获锝斥力使之 悬浮。这一基于两载流系统电动力相互作用机理的系统，称为电动磁悬系统( e d s e l e c t r o d y n a m i cs y s t e m ) ，超导磁浮列车就是利用这以机理的成果。这种e d s 悬浮系统是自稳定的，无需主动控制，但其超导、供电等关键技术复杂。 ( 3 ) 高频感应涡流悬浮 高频感应线圈产生的高频交变磁场在金属中感应出涡流，涡流产生的磁场与原 来的磁场极性相反，利用这一机理可以实现斥力悬浮。这种方法可以对任何导电体 实现静止悬浮，而不要求悬浮体是否为导磁体，因而可应用于高纯度、高熔点金属 的熔炼，但由于这种方法的悬浮力决定于感应电流的大小，并且一般采用常导体线 圈激磁，能耗大，应用面窄。 ( 4 ) 可控制直流常导电磁铁悬浮 常导悬浮是利用直流电磁铁使常导线圈的磁场对磁铁材料所产生的吸引力来实 现磁悬浮。这种基于载流系统与磁性材料间电磁铁作用机理的系统称为电磁悬浮系 统( e m s 一一e l e c t r o - - m a g n e t i cs y s t e m ) ，常导磁悬浮列车就是利用这一原理的高 科技成果。这种常导系统的常导电流比较容易获得，通常可由蓄电池或感应式发电 线圈等设施产生电流，供给同步直线电机的转子，其技术相对比较简单，不需要高 精度的超导体技术。但这种e m s 系统本质上是不稳定的，所以需要对磁浮气隙进行 闭环控制，调节线圈的电流来控制吸引力的大小以实现对被悬浮物的稳定悬浮。 1 2 3 磁悬浮列车的类型及发展概况 磁悬浮列车从原理上可分为两大类：一类是以日本磁悬浮列车为代表的e d s ( 电 动悬浮) 型，也称为排斥、超导型：另一类是以德国磁悬浮列车为代表的e m s ( 电 磁悬浮) 型，也称为吸力、常导型。 ( 1 ) f = _ | 本磁悬浮列车的发展概况1 3 】1 4 】1 5 1 1 9 6 9 年日本启动超导磁悬浮列车的研究，1 9 7 1 年3 月国铁技术研究所组装了超 导悬浮基础研究试验装置，该装置的试验表明理论与试验结果的一致性，从而开辟 了与西德的常导悬浮不同的新系统。1 9 7 4 年制造了地面为一次侧( 即长定子) 的同 步直线电机推进、超导悬浮和导向的m l l o o a 试验车，该车除了完成悬浮行走试验 外，还利用超高速轨道试验装置、直线电机的地丽变频试验装置和车辆运行位置测 量装置进行了交一交变频器、位置检测、车辆控制、空气动力学等一系列基础技术 的分析和试验工作。1 9 7 4 年国铁确定建设5 0 0 k m h 的宫崎试验线，全长7 k m ，至】9 7 7 浙江大学顺l 沦文 第一章 年陔试验线完成了1 3 k i n 截面为t 字型的轨道线路，并用m l 5 0 0 型试验车丌始试验， 并于1 9 7 9 年1 2 月创造了5 1 7 k m h 不载人高速磁悬浮列车的世界记录。 1 9 8 0 年1 1 月载宫崎试验线上的u 型轨道上m l u 0 0 1 号车的载人运行试验，1 9 8 7 年m l u 0 0 1 车3 辆组走行速度达3 5 2 k m h ，2 辆组走行速度达4 0 0 k m h ，试验证实了 磁浮列车的平稳性和舒适性，校核了轨道加工允许的偏差及感应受电等技术问题。 1 9 8 7 年富崎试验线开始了m l u 0 0 2 号试验车的走行试验。1 9 8 8 年开始家电所接线 试验，1 9 9 3 年1 月开始对m l u 0 0 2 n 型车的运行试验，1 9 9 5 年完成该车4 11 k m h 的 载人运行试验，并开始进行持续运行试验。在宫崎试验线运行的同时，1 9 8 9 年运输 省批准全长为4 8 2 k m 的山梨磁浮试验线的建造计划，1 9 9 7 年制成m l x 0 1 新型高速 磁浮列车，在山梨试验线进行试运行，其超导磁体集中配置，连接台车方式，3 5 辆编组，头车重3 0 t ，中间车重2 0 t ，车辆尺寸：头车2 8 m ，( 中间车2 1 6 m ) 2 9 m 3 2 8 m ( 长宽高) ，设计速度5 0 0 k m h 。 ( 2 ) 德国磁悬浮列车的发展概况【6 】【7 l 德国是研究磁浮列车最早的国家，1 9 3 6 年就提出真空管道内的磁浮车概念。1 9 6 9 年按赫尔曼肯佩尔的设计原则，由慕尼黑的克劳斯一马菲公司设计出第一台由短定 子常导( e m s ) 直线电机驱动的磁浮列车，即t r a n s r a p i d 0 1 ( t r 0 1 ) 。1 9 7 9 年在汉堡 的国际交通展览会上展出的t r 0 5 号车，车长2 6 m ，重3 0 1 8 t ，6 8 个座位，e 浮气隙 1 0 m m ，最大时速7 5 k a r d h ，由同步直线电机驱动，用长定子e m s 系统。 1 9 8 0 年开始建造t r 0 6 车，1 9 8 7 年埃姆斯兰磁浮列车试验线第二期工程施工最 终完成和投入使用，1 9 8 8 年t r 0 6 号车的速度达到4 2 1 6 k m h 。1 9 8 8 年在慕尼黑国 际交通会议上展出t r 0 7 车，1 9 8 9 年在埃姆斯兰磁浮列车试验设施上检验t r 0 7 车。 至此，德国的e m s 型磁浮列车技术己趋于成熟，并提交国会决定建造运行于柏林和 汉堡之间全长2 9 2 k m 的磁浮线。 ( 3 ) 我国磁悬浮列车的研究概况9 上世纪八十年代中后期，我国铁道部所属高校和研究机构开始收集和研究磁浮 列车技术资料。由国家科委领导的研究工作开始于1 9 9 2 年，当时曾拟引进日本的 h s s t l 0 0 型磁浮列车，在北京建一条从西门至八达岭全长7 2 k m 的示范线，并组织 专家赴口考察，同时邀请曰方专家到我国讲学，进而以天津铁道部第三勘测设计院 为主，在臼方密切配合下完成改线路的预可行性研究。同时，国家科委将磁浮列车 列为“八五”攻关项目，并组织了以铁科院牵头，由长沙国防科大、中科院电工所、 长春客车厂、西南交通大学等单位参加的科技攻关队伍，投资4 0 0 万元，目标为仿 制几本h s s t l 0 0 型磁浮列车。最终取得阶段性成果，研制出一个磁浮转向架。 1 9 9 6 年6 月在国家科委领导下经一年半的时间完成了“我国发展及应用高速磁 浮列车的重大技术境界问题的研究”软课题。1 9 9 7 年1 0 月出浙江大学受托组织r 磁浮列车的固际专题研讨会( s m l t a 9 7 ) ，日方从事e d s 型磁浮列车研制、试运 浙江大学顾士论文 第一章 行等方面的技术专家团应邀到会作专题报告，公布了该先进、尖端技术的若干细节。 1 9 9 9 年底，科技部组织了“九五”攻关软课题“我国第一条高速磁浮列车试验运行 线的可行性研究”，进一步消化、吸收了德国t r 电磁吸引式高速磁悬浮列车技术， 并引进德国t r 技术为基础进行了试验运行线选线方案比较，提出建设上海磁浮列 车示范运营线的建议。2 0 0 0 年6 月3 0 日，中德两国政府证实签订合作开发上海磁 浮快速列车运营线项目可行性研究的协议。2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，世界第一条磁浮商 业示范线上海磁浮列车线试运行通车，现已投入运营。 1 3 常导( e m s 型) 磁浮列车基本原理介绍n o 本论文的研究课题聚集于运行在上海磁浮线的德国e m s 型磁浮列车的电磁系 统，所以在此仅展述常导( e m s 型) 磁浮列车的基本原理。该磁浮列车以德国的 t r 型( t r a n s r a p i d ) 为代表。图1 示出了德国t r 型列车截面图。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，安装在r 一型导轨 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。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。悬浮电磁铁线圈通电后产生纵向磁场，使之与三角形梁下的导磁体( 即图中 直线电动机的长定子铁心) 相吸引，使车体浮起，形成8 1 0 m m 的悬浮气隙。安装 在车辆侧面的导向电磁体，通电后吸引线路三角形梁侧面的导磁体( 钢梁) ，在左右 两侧导向磁铁作用下，调节两侧的导向气隙相等从而实现无接触导向。安装在车体 侧面的制动装置，即涡流制动磁铁，可以保证在制动工况下产生足够的减速制动力。 在悬浮电磁铁附近装有气隙传感器，测量悬浮电磁铁与轨道铁芯之间的距离f 即悬浮 气隙) 。根据测量的距离不断调整悬浮电磁铁中的电流，以保持悬浮气隙在f 毫米左 6 1 车辆1 2 滑块i3 导向和制动电隘馁i4 悬浮和推进电磁饿1 5 导轨l5 ，长定子饫正 和电 匿绕组- 7 导向和制动轨道1 8 滑道 1 长定子铁心一2 电枢绕组- a 悬浮和推进电磁 妖1 4 导向和镧嚣电磁铁；5 导向和翩动轨道i i t 惫浮气隙i “导向气隙。 图1t r 磁悬浮列车截面图( 左) t r 磁悬浮列1 j 悬浮、驱动、导向机构示意图( 台) 浙江火学硕十论文 第章 右。随着列车运行，安装在支撑磁铁极靴上的线性发电机的绕组，在定予端电压的 作用。f 感应出交流电，以非接触形式传输供应给支撑磁铁励磁、空调装置以及其它 辅助没施所需的辅助电能。供电采用大功率电力电子变频电源，实时切换到列车所 在的区段上，按列车速度进行频率调节。列车控制在地面进行，须将列车的位置与 速度信息实时地输至控制室，采用最先进的信息与计算机控制系统。该类型悬浮的 优点在于无论处于何种速度或停车，均能保持车体悬浮状态，不需要辅助轮，其悬 浮和导向需要主动控制。 常导磁浮列车中的长定子同步直线电机的特点在于其支撑和驱动系统合：二为 一，其长定子铁心与槽内的三相定子绕组沿线铺设成用于推进功能的同步直线电动 机的长定子，而实施悬浮功能的支撑电磁铁同时也是同步直线电动机的励磁磁极( 转 子) 。t r 系统的优点在于采用传统电机原理，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 厘米1 ，导轨精度要求高，需 要较复杂的控制系统和车体较重。 1 4 课题研究内容的背景及意义 本论文研究内容是结合“牵引供电系统技术分解、集成及关键设备国产化可行 性研究”课题和“磁浮交通直线同步电机计算及模拟仿真软件开发”课题进行研究。 “牵引供电系统技术分解，集成及关键设备国产化可行性研究”课题是属于国 家8 6 3 “高速磁悬浮交通技术研究”重大专项“高速磁浮交通技术创新与设备国产 化”课题的子课题研究。课题主要工作是围绕磁悬浮交通系统的核心技术牵引 供电系统及国产化开展技术研究，对关键设备国产化实施过程中存在的问题及可行 性进行评估。牵引供电系统技术涉及内容广泛，它包括了电力传输、电器设备制造、 大功率变流技术、计算机控制和操作系统，网络信号传输等研究领域的内容。系统 主要电气单元有高压民用网、变压器、大功率电气开关和半导体开关、电缆以及电 机本体等。系统操作控制部分包括系统与o c s 之间的网络通信、长定子直线电机的 控制调控模式等，都对系统运行具有关键作用。 “磁浮交通直线同步电机计算及模拟仿真软件开发”课题主要针对磁浮交通中 直线同步电机的电磁原理进行电磁场分析，利用有限元计算对电机磁场进行研究。 同时利用数学建模和计算机仿真，对电机性能进行稳态和动态分析。 论文研究的意义 鉴于磁悬浮列车技术还处于试验、探索与不断完善的过程，众多的研究成果分 别从不同侧面采用多种理论分析的方法对磁悬浮列车技术进行研究，不断推进磁悬 浮系统的工程实用性。随着磁悬浮轨道交通在我国成功运行后，为了对其进行更好、 更有效的运行控制，并能尽早实现磁悬浮交通系统的国产化，推动技术进步，加快 新技术、新t 艺的开发、推广和应用，列磁悬浮系统特别是磁悬浮牵引系统的进行 浙江人学硕士论文 第一章 分析研究，并尽快掌握其中的关键技术具有l + 分重大而深远的意义。 论文研究的主要内容： 基于e m s 型磁悬浮列车在我国的发展现状，本课题的主要任务为以德国的 t r 0 7 型常导磁悬浮列车为工程背景，对其核心技术之长定子同步直线电机的 运行机理进行研究分析。分别利用直接磁场法和公式法对长定子同步直线电机的的 运行机理及其影响因数之间的关系进行分析研究，重点研究了长定子同步直线电机 在不同工作条件下的悬浮力和牵引力的变化规律，得出了其悬浮力和牵引力随励磁 电流、电枢电流、功角、气隙高度等影响因子的变化规律。并迸一步分析了由于定 子齿槽和材料不连续的影响，电机的磁感应强度、悬浮力和牵引力受到的影响以及 相应的解决办法。并对电机的重要参数进行计算分析等等，以便为电机的控制研究 提供合理的数据和依据。 浙江大学硕= l 沦文 第二章 第二章磁浮列车用长定子直线同步电机及牵 引供电系统 2 1 直线电机的基本原理 直线电机又称为线性电机，它是一种将电能转换成直线运动的机械能或是将直 线运动的机械能转换成电能的机电装置。在实际应用中，总是把直线电机用作电动 机，而不用作发电机，当然作为电动机运行的直线电机也可工作于发电机状态，也 不排除在某些特定条件下，把直线电机作为发电机氏期运行，比如在高速磁浮列车 中就是用直线发电机把列车动能转化为电能供给列车辅助用电设备使用的。 从结构上看可以把直线电机看成是将旋转电机沿径向切开展平的结果，如图1 所示。此时，转予的旋转运动变成了直线运动。旋转电机的径向、周向及轴向在直 线电机里分别称为法向、纵向和横向，旋转电机的定子和转子在直线电机分别称为 初级和次级。值得注意的是，由于直线电机在工作过程中必须使初级和次级具有空 间上的相对运动，并保持紧密的电磁藕合，因此就需要将电机的初级f 或次级) 固定 在基础设施一卜，而将与之对应的次级( 或初级) 安装在可移动装置上，通常把这种形 a ) 沿径向剖开 定子( 初级) 予( 次级) b ) 把圆周展成直线 图2 1 由旋转电机到直线电机的演化 式的直线电机称为长初级( 或k 次级) 短次级( 或短初级) 直线电机。至于在实际应用巾 做成长初级还是长次级要视具体情况而定，通常是把成本较低的侧做得较长j 。 浙江a 学硕上论文 第二章 直线电机最基本的工作原理为：直线电机的初级绕组则是沿直线方向排列，当 通以三相交流电时，将产生所谓的“行波磁场”( 对应旋转电机的“旋转磁场”) ， 次级在行波磁场的切割下，将感应出电动势而产生电流，该电流与气隙中的磁场桐 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。直线电机就这样把电能直接转换为直线运动的机械 能而无需中间变换装置。在旋转电机中通过对换任意两相的电源线，可以实现反相 旋转，这是因为三相绕组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转向 也跟着反过来。同样，直线电机对换任意两相的电源线后，运动方向也会反过来， 1 一初媛2 一、尖顿3 一行波_ 睦l 场 图2 2 直线电机的基本工作原理 从图2 1 中町以看出来演变出来的直线电机的初级和次级长度是相等的。但在 直线电机的实际运行中，初级和次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级 和次级正巧对齐，那么在运动中初级和次级之间互相耦合的部分就越来越少，从而 使直线电机不能正常运行下去。为了保证在所需的行程范围之内，初级和次级之问 的耦合能保持不变，实际应用时，初级和次级的长度需要造成不想等的。事实上在 直线电机制造时，既可以时初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，如图2 3 懈一 图2 3 短初级长次级( 左)短次级长初级( 右) 所示。前者称为短初级长次级，后者称为长初级短次级。 浙江人学硕上论文 第二二章 2 2 磁浮列车用长定子直线同步电机的驱动系统 磁浮列车系统需要无接触驱动技术，由于一开始采用的是异步短定子直线电机 存在着一些致命的缺点，如功率因数小、效率低、气隙灵敏度高等，现在改用长定 子直线同步电机。该技术有利于将运载磁铁和电磁驱动装置组合在一条有效轨道上， 定子迭片的铁芯可以同时作为运载磁体的磁芯衔铁，列车可以作为电机的感应子， 由它的运载磁体给出的磁通能同时对电机进行励磁，这使得列车制造成本降低、效 率提高。由于主控磁体和运载磁体是以正交排列的方式安置在一条独立导轨上，所 以控制功能和运载、传动功能可以完全分开。 磁浮列车用长定子直线同步电机具有以下特点：列车重量和电机励磁系统可根 据运载系统和传动系统的组合形式确定；电磁运载力的调节遵循电机气隙磁通为常 数的原则，推力与定子电流的大小和相位有关；定子绕组的馈电线路应长于列车， 因此电机的特性在很大程度上是由绕组漏抗和馈电线质量决定的；由于电机的电源 是频率、振幅都可变化的交流电，所以多数采用静止式交流器。 牵引供电系统是磁悬浮铁路的核心技术之一，牵引供电系统把民用电力网的电 能，经过降压，整流，逆变，转化为电压频率可控的输出电源，以驱动长定子直线 电动机定予段上的悬浮车辆，按控制系统设定的运行速度运动。牵引功率的能量转 换，控制调节是通过地面固定设备来实现的。通过分段的电缆和开关，对沿线路两 侧的直线电动机长电子供电，将电能转换为动能。从狭义范围上来讲，整个牵引供 电系统要实现的目的类似于一个直线电机驱动控制系统，它的最终控制目标为长定 子直线同步电动机。因此整个系统的功能均是围绕着这一目的。 2 3 长定子直线同步电机的牵引供电系统 2 3 1 牵引供电系统的原理 长定子电机的电源取自1 1 0 k v 民用电网，而供电系统的主要功能是把民用高压 电网的电能通过降压，整流，逆变，转换成磁悬浮列车驱动所需要的电压频率可调 的电源。 牵引功率的能量转换，控制和调节是通过地面固定设备来完成的，牵引供电网、 沿线分布的变电站和开关站组成了能量传输变换单元；牵引供电系统的控制目标是 长定子直线同步电机，通过控制逆变器的输出电源的频率和电压，使车辆( 电机动 予) 按运行要求进行起动，加速，制动减速，停止；车辆所需电源( 励磁，照明等) 浙江大学硕i 论文 第一章 是通过结合在车辆悬浮磁铁中的直线发电机和车载蓄电池提供的，这是一种无接触 式的供电方式。列车运行在一定速度时，由表及里直线发电机对车载设备供电，列 车启动和低速运行时由车载蓄电池供电由直线发电机提供。 图2 4 牵引供电系统的结构原理图 l豳垡塑卜 l 警；雌蛔_ 【i 变电站 网巨； b 里一 一赫o l r 篓补圈f 二刊二圣l 嗣煎墼塑鼬 1 f + f牵引供电数据传输 2 2 0 k v 高压电网 2 2 0 k 11 0 k v 变压器 1 1 0 k v 高压电网 1 1 0 k 2 0 k v 变压器 2 0 k v 电网 整流变压器 12 脉波整流器 直流汇流网 制动开关 制动电阻 分段电缆 开关站 长定子绕组 图2 5 牵引供电控制系统原理图 牵引供电系统的内容从1 1 0 k v 民用电网接入口开始，到长定子直线同步电机的 三相绕组为止。牵引供电系统整体架构见图2 4 所示，图2 5 是系统控制单元原 理图。 牵引供电系统的硬件设备功能单元，依据其特点与作用可分解为：1 1 0 k v 2 0 k v 高压变压器及开关设备、整流变压器、功率补偿与滤波器、整流器组、逆变 浙江人学硕一l 论文 第二章 器组、制动调节器和制动电阻、输出变压器、开关站、分段电缆、长定子直线同步 电机( 绕组，铁芯) 。牵引供电系统的控制和操作内容包括：控制操作系统的软件平 台、控制系统和测量系统信息的传输网络、针列长定予直线同步电动机的控制策略、 针对逆变器的控制策略、系统内各个单元的控制接口和控制操作硬件的匹配。 2 3 2 供电方式 长定子直线同步电机的绕组分段供电方式主要有跳步法供电，变步法供电和三 步法供电等三种形式，三种供电方式各有特点，可分别用于不同的分段。 图2 6 是跳步法供电方式的电气连线图。在这种连接方式中，二侧的直线同步 电机以串联形式相连接，通过开关站的电气开关与馈电线相连，车辆运行时，每段 线路依次接入馈电线路。跳步法供电方式的特点为：二台逆变器系统通过独立分支 j f ：_ r r 图2 6 跳步法 - 一 _ - _ 一 一1 广一 1 阿_ 啊- _ 阿 l 一 。 1 倭剐蠢基j 图2 变电i 变电 站 2 f 站1 3 2 7 变步法原理图 电缆以重叠的交变方式供电、每台逆变器提供全功率、绕组分支切换时推力不突变。 图2 - - 7 是变步法( 二：步法) 供电方式的电。c 连线图，在这种供电方式中，每组 逆变器输出电源负责向磁浮线路的- - n 供电，二侧分段区间互相错丌( 故叉名错步 浙江大学硕 一论文 第二章 法) 。变步法供电方式的特点为：二台逆变器系统通过独立分支电缆以重叠的交变方 式供电、每台逆变器提供全一半功率、绕组分支切换时推力有波动。 在短距离的运行线路中，为充分提升车辆的速度，主轨中长定予直线电动机的 驱动方式采用双端馈电和三步法线路结构，其线路连接示意图见图2 - - 8 。在这种驱 动方式中每个变电站具有三套独立的电源逆变模块。沿线轨旁三相馈电电电缆有三 组，分另q 对二侧定子段轮流供电。每个定子段长度比一列车辆) 三辆或六辆为一组) 长度长。则当列车运行时( 设方向向右) ，轨旁开关站在位置反馈信号的控制下依此 接通开关l ，2 ，3 ，1 一，三组馈电电缆线依此向各定子段轮流供电。 开关站1 开关站2 开关站3 耄 电源b 站 电源c ttt 丁tttt rrr 仁 仁 f r rr i _ f _ ll 图2 8 三步法驱动电气联结示意图 三步法供电的主要特点在于，当列车运行的任何时刻，两侧定子绕组始终在同 时驱动列车运行，列车可获得最大的推力。与跳法相比，列车运行平稳，在车辆经 过= _ _ 二个定子段期间无推力下降，使车辆的运行性能和乘坐舒适度有较大提高。与变 步法驱动方式相比，同样的逆变器容量可提供一倍的输出功率。因为在变步法的驱 动方式中，二组逆变器始终有一个处于空载状态，逆变器模块的利用率只有5 0 ， 一只逆变器模块同时提供轨道二侧定子绕组的驱动电源，使得逆变器输出断电压上 升。而在三步法驱动方式中每个逆变器各工作2 3 时问。每个逆变器只提供单侧定 子电源，使所需的输出断电压下降一半。在短距离的磁悬浮系统中，为使车辆在较 短时间内达到较高的速度，采用三步法是较好的选择。 从供电方式的电气连接特性来看，跳步法逆变电源的功率为牵引供电系统的额 定功率，而变步法则由于二侧同时供电，理论上每组汇流排母线的功率为牵引系统 额定功率的一半。跳步法供电由于二侧电机绕组以串联形式联接，因此在相同速度 下，定子绕统反电势较高，而变步法供电进电机绕组反电势较低。因此变步法连接 方式适用于高速路段。同时当逆变器一侧的汇流排有故障时，变步法连接的供电方 式仍可使车辆运行。这样系统实现了冗余。 浙江大学硕：| 沦文 第二章 与变步法和跳步法相比较，三步法驱动方式需要较多的设备投资，牵引供电系 统需要独立的三套整流逆变模块，沿轨道线路需附设三套独立的三相电缆电路，但 轨道旁的切换开关数目不变。 2 3 3 定子及励磁系统 长定子直线电机的定子是一个能抑制涡流的叠片铁芯，该铁芯由若干块彼此紧 贴的变压器用的耐腐蚀硅钢片制成，定予固定在车行轨道下面。 励磁系统由车载磁极构成，覆盖整个列车长度，如图2 9 所示。磁体的每极线 圈通常是串连的，并有相同的匝数，每个磁极的磁势是一样的。励磁磁通的大小是 通过每对磁极产生的推力来决定的。 运载磁极的励磁电源取自车载用的电池组。列车运行时，直线发电机对需要的 电池组充电，该发电机的绕组被安置在运载磁极的特殊槽内，运载磁通穿过绕组。 当列车运行时，定子槽引起磁导变化，于是直线发电机绕组产生感应电压。 同同闻闸网闸网同同同 飞 “崩。盯 图2 9 励磁系统的结构及定子的配置 2 3 4 长定子直线同步电机及其运行控制 当定子绕组通过以频率可变的三相交流电时，在电机定子和车载磁极之间的气 隙产生一行波磁场，推动车辆以与气隙磁场的同步速度运行。在常导电磁吸浮型磁 浮运输系统中，长定子直线电机一方面为列车车辆提供运行所需的承载力( 车载磁 体与定子之间的吸引力) ，同时也提供列车运行所需的驱动推力，这样使得车辆的承 载装置与驱动装置结合为一体。采用合适的控制方法使得悬浮力和驱动力可独寺调 浙江大学硕一l 论文 第。，章 整。在牵引供电的控制方式中，励磁磁通的调节取决于对列车承载力( 悬浮力) 的 要求，调节是通过对车载励磁电源的控制来实现的。调节量主要取决于气隙的高度。 而列车的推力控制、加、减速及制动过程，则主要是由地面的开关站根据运行指令 u 列车位置与速度来实现控制的。根据位置检测信号，控制系统向逆变器输出指令， 使逆变器输出电压的大小与频率正确变化。根据电机学的一般知识，改变励磁磁通 会使推力产生变化。同样当为增加推力而增加绕组电流时，电机定子绕组电流产生 的电枢反应会使气隙磁通发生变化，从而影响悬浮力。电机励磁磁场与定子电流的 空间相量上的角度变化，也是影响推力的一个要素。为使对长定子直线同步电机的 承载力和推力的控制实现解耦，一般在对电机的矢量控制方式中，使得定子电流的 直轴分量为零。 2 2 5 位置测量系统 要使得牵引供电系统正确实现对运行车辆的控制，运行车辆( 次级) 的位置测 量是十分重要的。如前面所述，要实现对电机推力与承载力的分别控制，必须控制 电机电流的空间轴线位置。定子电流的相位控制是通过改变逆变器输出电压的相位 来实现的。要实现这一控制目的，就必须知道当前车辆的位置与速度，以及电流的 大小相位。定子电流的幅度与相位在沿线分布的变电站或供电线路中测得。车载磁 极相对于定子绕组的位置由车辆上的位置检测单元获得。 位置检测单元获得位置信号后，由车载无线发送机把位置发送到沿线路分布的 接收基站，基站接收到位置信号后转送到车辆运行控制单元。控制计算机根据位最 速度信号和电流反馈信号，根据已知的控制模式( 见长定子直线同步电机控制方式) 向逆变器单元传送控制指令，使得长定子直线电机中定子电流产生的电枢励磁场轴 线始终与转子励磁磁场轴线正交。 浙江大学倾士论文 第三章 第三章有限元法 1 2 】 】3 】 1 4 3 1 有限元法的基本原理 电机电磁场数值分析主要采用有限元法、边界元法和有限差分法。其中最有效、 目前应用最广的是有限元法。有限元法是以变分原理为基础建立起来的，是一种声 誉极高而且在工程领域得到广泛应用的数值计算方法。1 9 6 5 年，w i n s l o w 首先将有 限元法应用于电气工程问题，其后1 9 6 9 年s i l v e s t e r 又将有限元法推广应用于时谐电 磁场问题。至今，在电气工程领域有限元法已经成为各类电磁场、电磁波工程问题 定量分析与优化设计的主导数值计算方法，并且无一例外地构成各种先进软件、实 用计算软件包的基础。与其它方法相比有限元法具有以下突出优点： ( 1 ) 在离散化过程保持了明显的物理意义。因为变分原理描述了支配物理现 象的物理学的最小作用原理，因此基于问题固有的屋里特性而予以离散化处理并列 出计算公式，可以保证方法的正确性、数值解的存在及稳定性等前提。 ( 2 ) 优异的解题能力。有限元法在解决适应场域边界形状以及媒体物理性质 变异情况复杂的问题时，不受上述两个方面复杂程度的限制，而且不同煤质分界面 上的边界条件是自动满足的，第二、三类边界条件不必作单独的处理。 ( 3 ) 几何剖分灵活，适合解决电机这类集合形状复杂的问题。 ( 4 ) 可以较好地处理非线性问题。 ( 5 ) 可以方便地编写通用计算机程序，使之构成模块化的子程序集合，适应 计算功能延拓的需要，从而可以构成各种高效能的计算软件包。并已形成了一些功 能齐全、便于操作的通用或专用软件，例如a n s y s 等。 通常有限元法的应用步骤是： ( 1 ) 给出与待求边值问题相应的范函及其等价变分问题； ( 2 ) 应用有限元单元剖分场域，并选取相应的插值函数； ( 3 ) 把变分问题离散化为一个多元函数的极值问题，导出一组联立的代数方 程( 有限元方程) ： ( 4 ) 代数解法，解有限元方程，即得待求边值问题的近似解( 数值解) 。 浙江夫常硕i 论文 第二- 章 有限元剖分即分片插值与基函数 在刈平面域d 进行离散化( 剖分) 时，u ，采用多种几何剖分与相应得分片插值 得方法，存这里讨论最常用的三角元剖分与相应的三顶点线性插值方法。 将电磁场得场域d 剖分为有限个互不重叠得三角元单元，如图3 一l 所示。剖分 要求任三角元的顶点必须同时也是其相邻三角元的顶点，而不能是相邻三角元的 内点。当遇到不同煤质的分界线z 时，不允许有跨越边界线的三角元。剖分直推 延到边界，如边界为曲线，即以相应的边界三角元中的一条变予以逼近。剖分密 度由计算精度决定。对三角元采用按物理区域划分，逐个区域按序连续编号。 剖分后，在各个三角元e 内，分别给定对于x 、y 呈线性变化的插值函数 p 。( x ，y ) = 口l + 口2 x + d 3 y ( 3 一1 ) 以此进似代替三角元内的代求变分问题妒( y ) a 式中的q 、口，和由三角元e 的节 点上的待定函数值蚌、妒，和与节点坐标决定，得到定义于三角元上的线性插值函 数为 ；。( _ j ，) = 去 ( q + 6 j x + c j y ) 以+ ( d ，+ 6 ，x + q y ) 仍+ ( + 吒x + y ) 彼孵( e y ) ( 3 2 ) 浙江大学硕十论文第三章 式巾，a j = x j y 。一x m y j ，4 = y ，一儿，t = 一x ，而d ，、b ，、c j 、c m 各系数按 i ，j 、r r l 指标顺序置换而得，a 为三角元e 得面积，板( x ，y ) 为三角元e 上的线性插 k ( w ) = 去( 吼媳x 他( s = “，m ) ( 3 3 ) 奴训h 褂如，。 沪a ， 将每个三角元上构造的函数矿( x ，y ) 拼合起来，就得到整个d 域上的分片线性插值 函数妒( x ，y ) 。 3 2 变分问题的离散化与有限元方程 根据三角元剖分，二次泛函可表达为遍及所有单元的能量积分的和，即 ，m = j e e l 式中l i f o 表示三角元e 所对应的能量积分，为 ( 3 5 ) 伽m 幽= 班例卜沪s ， 因为i c 3 ( 0 8 = ( 以纪+ 钆仍+ k ) 2 ，所以式( 3 - - 6 ) 可以表示为 j e - e 】_ i 1 ： k 1 。 ( 3 7 ) 式中 足】，是单元场能的离散矩阵，也可称为单元场能系数矩阵，是一个对称二阶方 浙江人学碗l 论史 第三章 阵。 为t 得f i n d d 域内，一次泛函以纠关于节点电位的离散化表达式，把 妒) 。扩充 为 办( 妒l 是由全部节点电位值按节点编号顺序