（材料加工工程专业论文）长定子直线同步电机铁芯的研究.pdf

上海大学硕士毕业论文长定子直线删步电机铁芯的研究 摘要 磁悬浮具有高速安全舒适、能耗少、噪音低和环保性能好等优点。 时速可达5 0 0 公里d , 时，速度介于高速轮轨和飞机之间，磁悬浮列 车的核心部件之一是安装在轨道梁上的直线同步电机铁芯( 后简称 “长定子”) ，长定子与安装在列车上的转子相互作用，使得列车悬浮， 同时通过三相交流电，使得长定子产生行走磁场，推动磁悬浮列车高 速行使。长定子由电工钢材料制成，由于使用的高精度、高性能，所 以长定子要求所采用的电工钢材料具备高磁感、低铁损，出色的同板 差以及独特的自粘接性能。 由于磁悬浮列车用长定子对所采用的电工钢材料电磁性能提出 了很高的要求。为此，本文设计了合理的工艺路线，严格控制化学成 分和关键工艺，在热轧工序采用层流后段冷却，u 型卷取的方式，生 产出了性能优异的电工钢产品，实物性能优于进口产品，在同板差方 面更是远好于蒂森的实物质量，达到世界一流水平。根据长定子对铁 芯紧固强度的要求，本文特别设计了在退火后的电工钢材料表面涂敷 一层具有自粘接性的涂层，摸索了自粘结涂层的涂敷方法和烘烤粘结 工艺，满足了长定子铁芯的紧固要求和涂层性能要求，并在此基础上 形成了磁悬浮长定子用电工钢板的生产方法和电工钢自粘接涂 层的涂敷方法两项发明专利，形成了五项企业技术秘密。 此外，本文对长定子生产流程进行了系统分析，对模具和叠片铁 芯进行了高精度控制，实现了长定子整体高精度的目的；在长定子制 i v 上海大学硕士毕业论文长定子直线旧步电机铁芯的研究 造方法及模具形式上进行了多项创新，形成了线性同步电机长定子 的连续制造方法一项发明专利。 为了能对国产长定子和进口长定子的电磁性能有一个定量的比 较，确保上线后能否安全运转，本文根据长定子的工作原理，设计、 制造了长定子离线电磁性能测试装置，能对磁拉力、感应电动势、磁 化曲线和铁损曲线等长定子的关键参数进行定量分析。并在此基础上 形成了长定子直线电机电磁性能离线测试装置和长定予直线电 机硅钢叠片铁芯磁性能测试装置两项发明专利，填补了国内外空白。 实践证明，由宝钢组织研发和生产的长定子，尺寸符合上线要求， 并且国产长定子在部分性能上要优于进口产品。 关键词：磁悬浮长定子电工钢自粘接涂层电磁性能 上海大学硕士毕业论文长定于直线阔步电机铁芯的研究 a b s t r a c t m a g l e vh a sl o t so fm e r i t si n c l u d i n gc o m f o r t ，s a f e t y , l e s se n e r g y c o n s u m i n g ，l o wn o i s ea n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y t h em o v i n gs p e e do f m a g l e vc a l lr e a c h5 0 0 k m h ，w h i c hi sb e t w e e nt h es p e e do fh i g h s p e e d r a i l w a yt r a i na n dt h ea i r c r a r t h ek e yp a r ti nt h em a g l c vi st h em o t o r c o r ei n s t a l l e d0 1 1t h er a i l ( s oc a l l e dl o n g - s t a t o r ) t h el o n g s t a t o rm a d eu p o fe l e c t r i cs t e e la n di t r e q u i r e sh i g hm a g n e t i ci n d u c t i o n ，l o wc o r e l o s s ， g o o dc a m b e r n e s sa sw e l la sg o o d s e l f - a d h e s i o n i no r d e rt oa c h i e v et h eh i g he l e c t r o m a g n e t i s mp r o p e r t yo fe l e c t r i c s t e e lt h a tm a g l e vd e m a n d s i nt h i sa r t i c l e ，ar e a s o n a b l ep r o c e s sr o u t e w a sd e s i g n e d ；c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dk e yp r o c e s sw a ss t r i c t l y c o n t r o l l e d i na d d i t i o n ，l a m i n a rf l o wp o s tc o o l i n ga n duc o i l i n gw a s a d o p t e dd u r i n gt h eh o tr o l l i n g a sr e s u l t so ft h o s e ，w eo b t a i n e dh i g h q u a l i 够e l e c t r i cs t e e li nt h ee n d o u rp r o d u c t sq u a l i t yi sb e t t e rt h a nt h o s e i m p o r t e df r o mt h y s s e n ，e s p e c i a l l yi nt h ea s p e c to fc a m b e r n e s s i nt h i s a r t i c l e ，as o r to fs e l f - a d h e s i v ec o a t i n gw a sd e s i g n e df o rt h ee l e c t r i c a ls t e e l a f t e ra n n e a l i n g ，a n di t sc o a t i n ga n dc u r i n gp r o c e s sw e r ea l s op r e c i s e l y p r o b e d t h es e l f - a d h e s i v ee l e c t r i c a ls t e e lm e tt h ed e m a n do fm a g l e v c o m p l e t e l y o nt h eb a s eo ft h i sw o r k , t w op a t e n t s “t h em a n u f a c t u r e m e t h o do fe l e c t r i c a ls t e e lf o rm a g l e vl o n gs t a t o r a n d t h ec o a t i n g m e t h o do fe l e c t r i c a ls t e e ls e l f - a d h e s i v ec o a t i n g ，a sw e l la sf i v ec o m p a n y t e c h n i q u es e c r e t s ，w e r ea c c o m p l i s h e d 上海夫学硕l 二毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 i no r d e rt oe n s u r eg o o dd i m e n s i o n a lp r e c i s i o no fl o n g s m t o r t h e s y s t e mi nl o n g s t a t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a ga n a l y z e d ；h e s i d e s ， m o u l da n dc o r el a m i n a t i o na r ec o n t r o l l e da c c u r a t e l y o w i n gt oo u re f f o r t s ， l a r g ep r o g r e s si nt h ew a yo fp r o d u c i n gl o n g - s t a t o ra n di nt h ep a t t e mo f d i ew a sa c h i e v e d t h i sw o r kg a v eb i r t ht ot h ep a t e n to f t h ec o n t i n u o u s m a n u f a c t u r i n gm e t h o di nt h el i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r f o r c o m p a r i n g t h e i m p o r t e d a n dd o m e s t i c l o n g s t a t o r q u a n t i f i c a t i o n a l l y , i nt h i sw o r k ，o f f - l i n ed e c t r o m a g n e t i s mp r o p e r t yt e s t i n g d e v i c ef o rl o n gs t a t o rw a gd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c hc a nq u a l i f y t h e k e yp a r a m e t e r s s u c ha s m a g n e t i cf o r c e ，m a g n e t i c i n d u c t i o n e l e c t r o m o t i v ef o r c e ，m a g n e t i z a t i o nc u r v e ，c o r e l o s sc u r v e ，e t c t h i sw o r k r e s u l t e di nt h ep a t e n t so f t h eo f f l i n em a g n e t oe l e c t r i cp r o p e r t yt e s t i n g d e v i c ef o rl 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 a n d “m a g n e t i cp r o p e r t y t e s t i n gd e v i c eo fs i l i c o ns t e e ll a m i n a t i o nc o r ef o rl o n gs t a t o rl i n e a rm o t o r ， w h i c hf i l l e du pt h eb l a n k si nt h i sf i e l di nw o r l d t h ef a c tt e s t i f i e dt h a tt h el o n gs t a t o rr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e d b yb a o s t e e li s n o to n l ye l i g i b l ef o rm a g l e v , b u ta l s om o r ee x c e l l e n ti n p r o p e r t yt h a ni m p o r t e d o n e s k e y w o r d s ：m a g l e v , l o n g s t a t o r ，e l e c t r i cs t e e l ，s e l f - a d h e s i v ec o a t i n g ， e l e c t r o m a g n e t i s mp r o p e r t 上海人学t 程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：连鳗 、 日期趟型? 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海人学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 1概述 第一章电工钢材料的研制 在上海浦东建设的磁悬浮示范线是第一条商业化运营线，全面引 进德国蒂森的磁悬浮技术。磁悬浮列车中的核心设备长定子提供 牵引力和支持力，长定子使用电工钢叠片制成。从现有技术来看，宝 钢从川崎制铁引进的1 4 个电工钢牌号中没有相应的长定子用电工钢 的制造技术。 德国蒂森公司在美国申请的题为线性电机长定子的连续生产方 法的发明专利 u s - 4 ，7 2 8 ，3 8 2 ，m a r c h ，1 9 8 8 中提出线性电机长定子 特别适合于磁悬浮列车的电磁推动，以及高速磁推力铁路系统磁悬浮 列车电机支持和导向。并且特别指出线性电机长定子用电工钢叠片铁 芯构成，但没有披露制造磁悬浮长定子用电工钢的制造工艺。 长定子用电工钢材料，为冷轧无取向电工钢。此钢硅含量较低， 磁感应强度( b ) 高，铁损( p ) 也较高。磁感应强度是铁芯单位面积 上通过的磁力线数，也称为磁通密度，它代表材料的磁化能力，单位 为t 。铁芯损耗是指铁芯在 5 0 h z 交变磁场下磁化时所消耗的无效电 能，简称铁损，也称为交变损耗，其单位是w k g 。高速磁悬浮用长 定子主要用来驱动列车前行，供电采用分段控制，属于间隙式运转电 机，所以对磁感要求高，而对铁损的要求相对较低，同时由于高速磁 悬浮的悬浮间隙仅l o r e ，为了给磁悬浮列车提供稳定的电磁推动力和 支持力，所以对电工钢电磁性能的稳定性要求非常高。浦东线长定子 长定子直线同步电机铁芯的研究 规格中，最大的长度为1 0 3 0 r a m ，这也对电工钢的同板差提出了非常高 的要求，如果同板差不良，将直接影响铁芯的叠片质量。 2 产品的剖析 为了能正确了解磁悬浮用电工钢产品的实物水平，以明确研制目 标，减少走不必要的弯路，我们对应用于磁悬浮长定子上的电工钢进 行了取样分析，主要分析电工钢基板的化学成份，见表i - i 。以及电 工钢基板的电磁性能和力学性能，见表卜2 ，具体如下： 2 1 化学成分 表1 - 1 化学成分 2 2 电磁性能和力学性能 表卜2 电磁性能和力学性能 铁损p 1 5 5 0磁感b 5 0硬度 分类 ( w k g ) ( t ) ( h v ) 数据 5 o 6 0 i 7 0 1 7 41 2 0 1 4 0 从以上二表可以看出，蒂森用于磁悬浮的电工钢化学成分相当于宝钢中牌号，但产品性 能类似于宝钢低牌号。 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步t t i $ t 铁芯的研究 3 研制目标 通过分析磁悬浮用电工钢产品的化学成分和性能，结合宝钢电工钢 生产的经验，以及对长定子功能需求的分析，确定了宝钢磁悬浮用电 工钢( b 5 0 a c 】( f 一1 ) 的性能研制目标，具体见表卜3 表1 - 3 电工钢性能研制目标 名称技术指标 铁损( w k g ) 6 0 磁感( t ) 1 7 2 硬度( h v ) 1 2 5 7 4 电工钢基板材料的研制 4 1 生产工艺路线设计 二炼钢- 1 5 8 0 热连轧机组一1 5 5 0 连续酸洗轧制机组专1 5 5 0 电工 钢连续退火机组- - 2 0 3 0 涂层机组_ 1 5 5 0 电工钢精整机组 4 2 冶炼 作为冷轧无取向电工钢，化学成分对产品的电磁性能有决定性的 影响，电磁性能的好坏强烈依赖于冶炼时对化学成分的高精度控制。 4 2 1 化学成分对性能的影响 1 ) 硅的影响 由图卜1 看出，硅量从0 1 增到1 时，由于电阻率p 增高，p 1 5 不断降低，但b 5 0 也下降。硅提高0 1 相当于p 增高约1 3 位* c m ，p 1 5 3 上海大学硕t 毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 降低0 1 l w k g ( 降低1 ) 嘲。 图i - 10 2 m 1 和0 0 4 s b 低碳电工钢中硅量与磁性的关系 ( 8 0 0 x 2 h 予退火，二次冷轧法，0 5 衄厚半成品) 2 ) 碳的影响 碳为有害元素。图卜2 表明成品碳量增高，p 1 5 增大。0 5 m 厚的 0 9 s i 钢中碳量每增高0 0 1 ，p 1 5 平均增高0 6 6 w k g ( 增高7 ) 嘲。 碳高也引起磁时效，图卜3 是硅量小于1 的情况下，含碳量对p 1 5 的 影响，当碳量大于2 7 p p m 时，p 1 5 明显升高。因此要求炼钢时将碳降 到2 5 p p m 以下，成品完全退火时可以不脱碳或少脱碳，减轻内氧化层 和内氮化层，降低铁损。碳扩大y 相区和使相变温度降低，碳高使得成 品退火温度降低，晶粒长大不充分，铁损增高。碳化物尺寸、形态和 分布对电工钢晶粒组织、织构和磁性有较大的不利影响。 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 害 嘎 孽 隹 成品1 1c 兄 图1 - 20 2 5 蟠i ， 0 0 0 2 5 时使p 1 5 明显增高( 见图1 - 7 ) 嘲。氮是产生磁时效的元素。因为 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 室温下氮在o r f e 中溶解度比碳溶解度低约1 0 倍，所以氮比碳对时效 影响更大。 图1 - 7 氮量对s i 一 o 矾，a l s 0 0 0 3 f e 碳电工钢p 1 5 的影响 ( 予退火，0 5 珊厚，半成品退火后) 8 ) 氧的影响 氧是有害元素。氧形成s i o ：、a 1 ：0 。、m n o 等氧化物夹杂，使磁性降 低。m n o 等细小氧化物可阻碍晶粒长大。每提高0 0 1 0 ：，p 1 5 可增高 约0 0 7 w k g n “。氧加速氮在铁中的扩散速度，可间接地加速磁时效。 硅和铝降低碳和氮在( x - f e 中的扩散速度，阻碍磁时效，但氧与硅和铝 形成氧化物，所以加速磁时效。 4 2 2 化学成分控制 采用铁水脱硫，转炉炼钢和真空处理，降低有害元素含量，控制 化学成分。沸腾的钢水在真空处理时，通过碳和氧的化学反应同时进 行脱碳，使碳降到目标值以下，用铝进行脱氧。处理时间约为2 0 分钟， 脱碳反应在约1 5 分钟结束( 见图1 - 8 ) ，然后按先后顺序加入铝、硅 q 上海人学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 铁和金属锰，并继续处理数分钟，进行成分调整和均匀化。根据进口 实物的测量结果，结合宝钢电工钢的生产经验，制定如下冶炼成分， 见表1 - 4 。 各 _ x x u 臆印 阿一i | i ：“ 图1 - 8 真空处理时间、温度与真空度的关系 表1 _ 4 化学成分 化学成分说明： c 、s 、n 、t i 和0 为电工钢有害元素，尽可能控制在最低含量，以 降低夹杂物含量或减少磁时效，获得较好的磁性能。 d告_x燃捌诛 上海人学硕士毕业论文 长定了：直线同步电机铁芯的研究 将钢包中的钢水倒在预热到1 0 0 0 11 0 0 。c 中间罐中，并用氩气密 封，防止钢水氧化和氮化。连铸时控制好浇铸温度和浇铸速度( 拉速) 。 浇铸温度( t ) = 凝固温度( 液相线温度) + 过热度( t ) ，a t 一般为 1 0 3 0 ，t = 1 5 5 0 1 5 8 0 ( 2 。浇铸后进入热轧工序。 4 3 热轧工序 厚度为2 5 0 m m 的板坯经过加热至一定温度，进入热连轧机进 行轧制，经过初轧、终轧、冷却和卷取，成为2 6 m m 厚的热轧卷。 热轧工序中，加热温度、终轧温度和卷取温度均对性能有不同程度 的影响。 4 3 1 热轧工艺对性能的影响 1 ) 加热温度 使用符合条件的炼钢板坯，在加热炉中加热到l1 0 0 1 2 0 0 保 温3 , - - 4 h 。加热温度高，热轧塑性好，但产品磁性降低。加热温度 低，塑性差，但磁性高。因此在轧机能力允许条件下，加热温度应 尽量低，最好为1 0 5 0 1 1 0 0 。c ( 见图1 9 ) 【1 刁以防止钢中m n s 和 a i n 等析出物固溶，因为他们固溶后在热轧过程中由于固溶度随钢 板温度降低而下降，又以细小弥散状析出而阻碍退火时晶粒长大， l l l 组分增多，磁性变坏。 上海大学硕士毕业论文长定予直线埘步电机铁芯的研究 i 童矗 ： 暑摹 - 1 0 5 0 il 0 ii d1 2 1 i o1 2 ：5 0 板坯- 目瓤日嚏，c 图1 9 板坯加热温厦对低碳电工钢1 p 1 5 的影响( 0 s m m ) 2 ) 精轧终轧温度对磁性的影响 带钢经过粗轧，进入精轧机。控制带钢精轧出口温度会大大有 助于改善磁性，见图1 1 0 ，在a 相区内( b 5 0 a c x f - - l 的a r l 约 为9 0 0 ) ，随着终轧温度的提高，磁性得到改善。因此，b 5 0 a c x f l 热轧精轧终轧温度控制在8 6 0 - - 9 0 0 ，保证热轧带钢晶粒尺寸 最大化，以利于磁性的改善。 图1 - 1 0 终轧温度对磁性关系图 终轧温度对磁性影响的机理为：终轧于两相区和奥氏体区的热轧 上海大学硕上毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 带钢具有较小的晶粒度，这是由于相变细化的结果。终轧温度在a r l a r l 1 0 0 时热轧带钢具有大的晶粒度，温度越接近h r l ，晶粒越大，且 0 0 1 ) 组分密度显著提高。另外，终轧温度较低的钢( ，5 m m ，上下平面未出现腐蚀现象，平面涂层良好。 试验报告见附件。 根据以上实验情况，通过对比国产及德方燕尾键表面电泳漆数据表 明：表面电泳达到设计指标，满足防腐蚀要求，图3 1 8 为国产燕尾键 实物。 上海大学硕上毕业论文长定子直线间步电机铁芯的研究 图3 - 1 8 国产燕尾键产品 6 l 上海人学硕：毕业论文 长定了：直线同步电机铁芯的研究 1 概述 第四章长定子测试 在长定子产品完成试制后，须对产品进行检测，确保各项性能指标 满足使用要求( 本阶段的要求是保证国产长定子产品性能与进口产品 一致，达到上线要求) 。 对长定子产品的检测主要包括尺寸测试、离线电磁性能测试、在线 电磁性能测试和耐久性环境测试等几方面。本项目的研究内容是完成 尺寸测试、离线电磁性能测试并且进一步依据磁悬浮对长定予耐久性 的要求进行耐久性环境测试的可行性研究。 2 尺寸测试 长定子尺寸测试包括单件产品的尺寸检测及线路安装尺寸检测两 部分内容。其中单件产品的尺寸检测是在产品制造完毕后根据图纸尺 寸要求对各关键尺寸的检测；线路安装尺寸检测是在安装现场对长定 子产品安装于功能件后各相邻长定子间尺寸的检测。 2 1 单件产品的尺寸检测 对单件产品的尺寸检测采用三座标仪进行测试( 如图4 1 所示) 。 为确保模具加工质量，我们对每付浇注模具生产出的合格长定子产品 均进行了三座标尺寸检测。 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 图4 _ l 三座标测量仪检测 三座标测量仪的检测结果见表4 1 、表4 2 、表4 3 ： 上海人学硕： 毕业论文长定予直线同步电机铁芯的研究 表4 - 1 第一付模具长定子产品三座标尺寸检测结果 检测项目 图纸尺寸要求检测结果结论 平面度小于0 1 m m 0 0 9 6 2合格 总长度 1 0 3 0 0 5 1 0 2 9 5 1 8 合格 总高度 1 2 9 0 _ 2 1 2 8 8 3 5 ，1 2 8 8 1 0 ，1 2 8 8 6 7 合格 总宽度 1 8 5 0 ， 1 8 4 5 2 3 4 合格 电缆槽 r 1 9 9 6 0 0 5r 1 9 9 4 5 合格 表4 - 2 第二付模具长定子产品三座标尺寸检测结果 检测项目图纸尺寸要求检测结果结论 平面度小于0 1 m 0 0 7 2 8 合格 总长度 1 0 3 0 0 s 1 0 2 9 5 1 8 合格 总高度 1 2 9 0 2 1 2 8 9 9 5 9 ，1 2 8 8 8 7 4 。1 2 8 8 9 2 6合格 总宽度 1 8 5 0 n 5 1 8 4 9 0 3 9 合格 电缆槽 月1 9 9 6 o 0 5r 1 9 9 6 6 合格 表 3 第三付模具长定子产品三座标尺寸检测结果 检测项目图纸尺寸要求检测结果结论 平面度小于0 1 m 0 0 8 2 1 合格 总长度 1 0 3 0 0 5 1 0 2 9 5 3 3 合格 总高度 1 2 9 0 2 1 2 8 9 4 6 9 ，1 2 8 9 7 1 4 ，1 2 8 9 5 9 6合格 总宽度 1 8 5 0 05 1 8 4 7 6 3 2 合格 电缆槽 r 1 9 9 6 0 0 5r 1 9 9 7 2 合格 通过对长定子产品的尺寸检测表明：所研制生产的三付模具精度达 到设计要求，长定子产品尺寸满足磁悬浮上线要求。 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 2 2 线路安装尺寸检测 为确保国产长定子产品满足磁悬浮工程现场安装要求，对国产长定 子产品进行了现场安装检测，检测在磁悬浮工程制梁基地由现场安装 人员完成。 检测项目如下：( 见图4 2 ) 长定子产品在功能件上的准确安装； 安装后尺寸及与相邻长定子的尺寸定位； 电缆的安装； 长定子产品平面度的检测。 检测结果表明：国产长定子产品完全满足现场安装要求( 包括功能 件安装及电缆安装要求) ，安装后尺寸检测合格，平面度与进口产品基 本一致。验收合格的1 0 0 个国产长定子，在2 0 0 2 年1 2 月份前，顺利 安装到维修基地e 轨钢梁上，具体见附件。 上海大学硕上毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 图4 - 2 国产长定子在磁悬浮安装基地进行检测 3 离线电磁性能测试 磁悬浮长定子作为高速磁悬浮交通系统的主要承重和驱动部件，其 电磁性能指标非常重要。在完成长定子的尺寸检测后，有必要进一步 对比测试国产和进口产品的电磁性能。 直线电动机如同一般的同步电动机，可以沿用标准的试验方法和试 验要求。但是，仅仅提供一段无线圈的长定子( 静子) ，难以用常规的 试验方法求取空载特性曲线以分离铁耗和机械耗，也难以用转差法测 量直线电动机的电抗参数。所以还要开发专用的测试方法、仪器和工 具并建造试验平台 1 9 ，2 0 ，3 0 ，3 4 3 9 。 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 本研究采用两方面技术测试长定子离线电磁性能：一是检测长定子 叠装、固化后的磁化曲线以及铁损，对比进口、国产长定子产品材料 电磁特性，并间接考察国产长定子冲片、叠装和固化的工艺水平；另 一方面是离线模拟长定子磁场及磁一力特性，通过测量磁拉力和感应 电动势直观考察国产、进口长定子的电磁特性。 3 1 长定子磁化曲线、铁损对比测试 3 1 1 实验原理 对于铁磁性材料的磁性能( 包括磁化曲线、铁损等) ，目前普遍采 用互感法( 电功率表法) 进行检测。电工学中互感的原理如图4 - 3 所 示，与电源相联的是原线圈，与负载相联的副线圈。原、副线圈的匝 数分别为n 1 和n 2 。当原线圈接上交流电压“一时，原线圈中便有电流l t 通过。原线圈的磁通势n l i l 通过铁芯而闭合，从而在副线圈中感应出电 动势。如果副线圈接有负载，那么副线圈中就有电流f ：通过。副线圈 的磁通势2 之也产生磁通，也通过铁芯闭合。因此铁芯中的磁通是由 原、副线圈的磁通势共同产生的合成磁通，用m 表示。这时原、副线 圈通过磁场联接起来，副线圈的电能也来自电源。整个电路中，电能 的损失主要集中在铁芯上。当输入电压相同的情况下，在铁芯上的电 能损耗愈小，副线圈所得到的电能就愈多。与此同时，副线圈的变化 又直接影响着原线圈的工作状况。因此铁芯电磁性能( 如铁损等) 的 优劣就显得十分重要，通过互感实验即可直接获得材料磁性能参数 1 9 3 坼椰 上海大学硕上毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 1 l 厂一一一一一一一一一1 1 z 7 茎一 )c ；n。(n ： + ( 差 ， jl( ( 一 一 ij 图4 - 3 互感原理图 同理，在长定子铁芯的两端分别套上励磁线圈和感应线圈，当线圈 接通交流电源时，长定子铁芯中产生与电源同频率的交变磁场，磁场 的变化又产生感应电势，如果有铁芯存在，就会形成涡电流。涡电流 在铁芯内部电阻上的损耗并直接转化为热能就是涡流损耗，以p e 表 示。不难得知，磁场交变频率f 愈高，磁通密度的最大值b m 愈大，感 应电势亦愈大，涡流损耗就愈大。铁芯的电阻率愈大，涡流路径愈长， 涡流损耗就愈小。为了减少涡流损耗，通常电机铁芯均采用硅钢薄片 叠压而成，其涡流损耗为： p e = ce 广y 蹬b ： 式中，c 一涡流损耗系数，其值取决于铁磁材料的电阻率； 一硅钢薄片的厚度。 磁性材料在交变磁场的作用下反复磁化时，会有磁滞现象产生，磁 滞回线所包围的面积表示被磁场吸收的净能量，这部分能量在铁磁材 料内被转化为热能损失。由于硅钢片的磁滞回线面积较小，般也采 用它来制作电机的铁芯。磁滞损耗p 与磁通交变频率f 、铁芯的体积v 上海大学硕士毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 和磁滞回线的面积成正比。通常，磁滞回线的面积与磁通密度的最大 值b m 的n 次方成正比。对于一般电工钢片，n = 1 6 2 3 ，磁滞损 耗可写成： 只= c h r r s ：, 式中，g 一磁滞损耗系数，其值取决于磁铁材料的性质。 铁损耗为磁滞损耗与涡流损耗之和，即 如= e + 对于一般的电工钢片，当1 t b m i 8 t 时，可将上式近似写成 p c r , f 1 3 g b m 2 式中，一铁损耗系数； g 一铁芯的重量 在实际计算铁芯铁损的过程中，一般不采用上述公式，而是通过铁 损试验，在给定的输入电压下，测量输出电压，然后可以计算出励磁 线圈和感应线圈的匝数，结合功率计的读数，计算出铁损“”。 3 1 2 实验方案 本次实验对国产、进口长定子磁化曲线和铁损的检测利用上述互感 实验原理建立相关实验装置如图4 4 ，4 - 5 所示。采用长定子产品构 成一闭合磁回路，在每个被测长定子两端设置励磁线圈和感应线圈。 线圈接线如图4 - 6 所示。 上海丈学硕t 二毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 1 一装置框架2 - - 基准长定子3 - - 紧同螺栓4 - - 测试长定子 5 一l ，4 基准长定子段6 一基准长定子段定位框架7 一定位摇臂手柄 8 一励磁线圈9 - - 滑轮l o 一滑轮轨道l l 一测试平台 1 2 - - 定位手柄1 3 - - 定位销1 4 一感虑线圈 图4 - - 4 长定子铁损实验示意图 图 5 长定子铁损实验装置 7 0 上海大学硕士毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 t l 一调压变压器t 2 - - a i 一有效值电流表 v l ，v 2 一有效值电压表w 一功率表 图4 _ 6 铁损测量接线图 图中，与电源直接相连的是调压变压器，它的调节范围在0 2 5 0 v 之间。与调压变压器相连的是高压变压器。u 。测量输入电压，a ，测量 输入电流，w 为功率计，u ：测量输出电压，n l 、n 2 分别为励磁线圈和感 应线圈的匝数。 本实验中励磁线圈和感应线圈的匝数n 。- - - - n 。，通过直接读取功率表 上的读数即可得到长定子的铁损值p o w e rl o s s ( w ) 。对应的磁感应强 度b i 由下式确定： b m = 石巧u s 丽 式中：u ：一输出电压； ，_ 频率； 9 一有效磁通截面积( 长定子磁轭面积) 。 长定子磁化曲线中磁场强度h ( a m ) 的计算如下： 上海大学硕上毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 k ：率r w r r 其中，岛为功率表内阻；r v 为电压表内阻。由于损耗在r t 和r v 上电能 均很小，因此铁损电流i 。可改写为： 和鲁 2 ) 磁化电流： i ，= 厩 式中：厶为所测空载电流。 3 ) 磁场强度h ： 在一个闭合磁路中，若全部磁阻都是均匀的，则l 7 2 日一。由此求 得： h ：n i i _ , 毛 其中，o 为被测长定子铁芯的磁路长度。 3 1 3 实验设备 功率表：y o k o g a w a2 5 3 3d i g i t a lp o w e rm e t e rd c a c 万用表：( 电压量程在0 2 5 0 0 v ) 调压变压器型号：t d g c 一3 k v a 相数1 频率 5 0 h z 上海大学硕 毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 输入电压 2 2 0 v 输出电压0 2 5 0 v 最大输出电流 1 2 a 高压变压器输入电压 2 2 0 v 容量 3 k v a 输出电压 3 5 0 0 v 频率 5 0 l z 电压表量程0450v 电流表量程 0 7 5 a 单匝之间相互绝缘并且匝数相同的线圈 2 3 i 4实验步骤 1 ) 将长定子安装紧固于铁损实验台； 2 ) 分别在长定子两端安装励磁线圈和感应线圈； 3 ) 连接测量电路，检查测量电路是否接触良好； 4 ) 将万用表调至交流电压档，使其量程为0 2 5 0 0 v ； 5 ) 接通2 2 0 v 电源，打开功率表开关，开始测量； 6 ) 调节调压变压器的旋钮，观察万用表指示的电压增量，使其单 位增量为5 0 v ； 7 ) 观察功率表的读数，并按照与输入电压一一对应的关系记录下 来； 8 ) 重复6 、7 步，使输入电压每增加5 0 v 测量一次； 9 ) 测量结束后，关闭仪器，切断电源。 上海大学硕士毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 3 1 5 注意事项 1 ) 高压下，变压器和电线都很容易发热，为了避免由于过热而引 起的变压器和电线的短路烧损，每记录一次数据后，调节变压 器的旋钮都要回零。 在测量铁损的过程中，存在着一千多伏的高压，测量者尽量避免 接近有关高压器件。 3 1 6 实验结果 图4 - 7 ，4 - 8 分别为进口长定子( j 2 ，j 3 ，5 4 ，j 6 ) 和国产长定子 ( g 2 0 ，g 2 1 ，g 2 2 ) 的磁化曲线及铁损曲线实验测量结果( f = 5 0 h z ) 。 由进口、国产长定子磁化曲线和铁损曲线实验结果可知： 1 ) 在现有测量工况下( 输入电压5 0 1 6 0 0 v ，f = 5 0 h z ) ，进口、 国产长定子硅钢材料磁性能均远未达到磁饱和工况，磁化曲线 呈明显单调上升趋势；在相同测量工况下，国产长定子产品材 料磁性能致性均较好，国产铁磁材料导磁率明显优于进口产 品，而进口j 3 产品导磁率明显偏小； 2 ) 在现有测量工况下( 输入电压5 0 1 6 0 0 v ，f - - - - 5 0 h z ) ，国产长 定子产品铁损明显小于进口产品； 3 ) 宝钢硅钢片( b 5 0 a c x f - i ) 材料性能与蒂森( m s 0 0 5 0 a ) 产品材 料性能对比检测结果与上述实验结果吻合，证明国产长定子冲 片及叠装工艺基本满足要求。 上海人学硕： 毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 h ( a m ) 图4 _ 7 长定子磁化曲线 图4 - 8 长定子铁损曲线 一j _ ) 日 ；嚣olj窖舌也 上海大学硕士毕业论文长定予直线同步电机铁芯的研究 3 2 长定子离线电磁性能测试 为准确对比进口和国产长定子的电磁性能指标，在完成长定子铁损 和磁化曲线对比测试的基础上，本课题还采用直接测量长定子磁拉力 和感应电动势的电磁性能对比测试方案：即根据直线电动机原理制造 一台模拟直线电动机( 用进口和国产长定子作为定子) ，采用速度响应 快的拉力传感器和在动子内部布置电动势传感器，组成拉力、电动势 测试系统来进行检测。分别对以下两种工况进行对比测试： _ 相同频率下对模拟直线电动机输入不同的电压，测得不同的磁 拉力数据、变化的感应电动势以及其曲线变化数据。 相同电压下对模拟直线电动机输入不同的频率，测得不同的磁 拉力数据、变化的感应电动势以及其曲线变化数据。 通过数据整理，对两种长定子的磁拉力和感应电动势的数据进行 多组比对，即可完成进口及国产长定子电磁性能对比分析，并进一步 判断国产长定子产品是否满足使用要求乜“2 ”邺2 ，。 3 2 1 测试原理 以原有的长定子作为模拟直线电动机的定子，动子部分选用钢板， 它既起导磁作用，又起导电作用，通过导柱导套固定在底板上，动子 与长定子上端的间隙设计为5 m m 。 在长定子铁芯槽内嵌有位置相差1 2 0 度电角度的三相绕组。当长定 子绕组接通三相交流电源时，在长定子与动子之间的气隙中会产生一 个移动的气隙磁场，当不考虑长定子组件的纵向端部效应时，气隙磁 上海大学硕上毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 场沿展开的直线方向呈正弦分布，并以同步速度在水平方向移动，称 为行波磁场。电机的次级在行波磁场的切割作用下产生感应电动势并 形成涡电流。该涡电流与气隙磁场相互作用，产生方向与行波磁场的 移动方向一致的磁拉力。直线电机原理示意图如图4 9 所示。 32l 1 初级长定子组件2 次级3 行波磁场 图4 _ 9 模拟直线电机原理示意图 3 2 2 测试系统 磁悬浮列车长定子电磁性能测试系统由实验平台、操作台、中频 发电机机组或变频器、拉力传感器与显示器、动子内部电动势传感器 等组成，图4 - 1 0 为长定子直线同步电机电磁性能离线测试装置示意 图，图4 一1 1 为长定子离线电磁性能试验台。采用被测长定子做为定子 部分1 ，采用钢板9 模拟动子部分。其中定子1 通过紧固螺栓2 固定 于测试装置平台4 ；定子齿槽中布置三相绕组1 0 ，三相绕组l o 的匝数 和接入电流大小由测试要求的绕组安匝数确定。动子钢板9 通过支架 5 与测试平台4 上的导轨3 相连，动子9 与支架5 可沿导轨滑动。通 过动子钢板9 上布置的高精度拉力传感器7 和钢板内部不同位置布置 的感应线圈8 ，在三相绕组l o 接入不同电压和频率工况下即可直接测 量磁拉力和感应电动势的大小。 上海大学硕上毕业论文长定子直线同步电机铁芯的研究 匕 il；l；| ：j 阳厂黟 删阳厂谢1 删嘞厂黟 甜 n l 士= ：f 他一：岿= = 一；f 鸭 h f n 。如 f 芊= = = r _ j r l = 二二= 主f 二二二= 。刁il 1u 。j ； t = 彳一广 li 、 图4 - 1 0 长定子直线同步电机电磁性能离线测试装置示意图 圈4 - 1 1 长定子离线电磁性能试验台 磁拉力采用固定在底板支架6 和动子钢板9 间的高精度电阻应变拉 上海大学硕t = 毕业论文 长定了：直线同步电机铁芯的研究 力传感器7 进行测试，当长定子三相绕组1 0 中通入三相电流时，在动 子9 上就会产生一个磁拉力，这个磁拉力将会作用在拉力传感器上， 引起拉力传感器中应变电阻阻值的变化，并可直接由显示器读出磁拉 力大小。 感应电动势的测量通过动子内部所布置的七组电动势感应线圈进 行测量，感应线圈均匀分布在动子内部。每组有三个电动势感应线圈 嵌入动子的不同层面，在动子表面向内2 m m 处放入第一层电动势感应 线圈；离第一层向上2 舢处放入第二层电动势感应线圈；离第二层向 上2 嘲处放入第三层电动势感应线圈。通过测量各感应线圈所产生的 感应电动势即可获得长定子组件内部电磁场的详细情况。 3 2 3 测试方法 1 ) 牵引力测试 直线电动机的磁拉力理论计算如下：当不考虑边缘效应时的电磁拉 力为 f o = 生掣 当考虑动态横向边缘效应和动态纵向边缘效应时，电磁拉力为 f ：型堡 v 1 1 1 一长定子相数 i 一长定子绕组中的电流有效值 r e 一长定子中绕组的电阻 x e 一长定子中绕组的电抗 上海人学硕上毕业论文 长定子直线同步电机铁芯的研究 v 一动子移动速度 由于很多其他因素，如长定子中的电阻、漏抗和铁损耗的电阻，这 些参数的存在将影响计算结果的准确性。 我们利用精度很高的电阻应变拉力传感器，将它固定在动子与底板 之间。当长定子绕组中通入三相电流时，在动子上，就会产生一个牵 引力，这个牵引力将会作用在拉力传感器上，拉力传感器中应变电阻 阻值的变化，直接由显示器读出。 该拉力传感器精度设计为正负千分之五克。 2 ) 动子内部磁感应强度( 磁通量) 测试 我们在动子内部嵌入三个层面的感应线圈，当长定子通入三相电流 时，动子内部按正弦波变化的磁通通过线圈就会产生感应电动势，通 过n i 数据采集器再经过计算机处理，就能得到感应电动势的有效值与 感应电动势的正弦波曲线。 感应电动势的有效值可用下式计算： e = 4 4 ，w b s f 一长定子通入的频率 w 一感应线圈圈数 b 一磁通量 s 一线圈面积 在可变换输入电压频率的情况下，对长定子绕组输入不同的电压， 记录下动子的牵引力和动子中的感应电动势。通过测试，获得两种材 料所制造的长定子