地铁用直线感应电机的研究-

1、北京交通大学硕士学位论文地铁用直线感应电机的研究姓名:郭慧浩申请学位级别:硕士专业:电力系统及其自动化指导教师:范瑜20060201 的地铁车辆成为科技界、工业界的追求。在这种形势下,直线电机驱动的地铁车辆走上了历史舞台。直线电机驱动的地铁车辆的优点,早已引起了国外专家的重视,在国外直线电机车辆已有近20年的运营历史。我国在直线电机电传动方面研究起步比较晚,国外的成功的例子,值得我们借鉴。我国正在建设的广州地铁四号、五号线首次采用直线感应电机运载系统,首都机场轨道交通线也将采用直线电机车辆。我国一贯采取集成创新与引进,消化、吸收再创新相结合的技术路线。因此对直线电机,特别是直线感应电动机进行研

2、究,对今后的国产化具有重要的意义。本文所做的工作正是广州地铁总公司委托项目“直线感应电机及其电传动系统研究”的一部分。1.2直线感应电机工作原理直线感应电机可以视为一台旋转电机沿半径方向切开而展平的感应电机,其运动方式由旋转变为直线运动,如图卜1所示。 图卜1旋转电机展开为直线电机示意图FigIlrcl-l If眦ginafy process0f硼_r0ing a conven曲nalmotor to obtain a linear incluction motor直线电机与旋转电机的定子侧对应的一侧称为初级,与转予侧对应北京交通大学硕士论文的一侧称为次级。直线感应电机驱动有两种方式,即可以次

3、级运动,也可以固定次级,让初级运动。无论哪种方式,都必须将固定的一侧做的足够长,以保证在整个运动范围内初、次级间保持不变的耦合关系。对于采用直线电机的轨道交通车辆来说,普遍采用的是短定子直线感应电机,即把定子绕组安装在车辆转向架上,长转子安装在轨道中间的导轨上(常把转子称为感应轨或反作用板,见图卜2。它的优点是包括转子在内的轨道结构简单,造价低。另一种是长定子绕组安装在地面上,转子安装在车上,它的优点是不需要给车辆受流,适合高速运行,但包含定子的轨道结构太复杂,不适合应于中低速、低成本的城市轨道交通。 图卜2轮轨系统用直线感应电机(短初级Figurcl_2shoftp血ary uM iwhed

4、-0n-ran transportation systems 直线感应电机产生推进力的原理和旋转感应电机产生转矩的原理一样。安装在地铁车辆转向架上的直线感应电机在前进方向产生移动的磁场,与该磁场相对的地面位置上放着相当于二次侧线圈的反作用板,在其中产生二次电流(涡流,由该二次电流切割磁场而产生的力就是反作用力,它使转向架侧的直线电机获得推进力。这种驱动方式的最大特点是驱动力不再受轮、轨粘着的限制,而取决于该定子、转子系统的电磁性能,因而是一种非粘着驱动方式。 单边直线感应电动机主要包括钢次级单边直线感应电动机和复合次级单边直线感应电机。根据初、次级长度的不同,扁平型直线感应电机又可分为短初级和

5、短次级两类。一般来说,短初级电机的制造成本和运行成本,比短次级电机要低的多,所以目前的地铁车辆普遍采用的短初级单边型直线感应电机,如图2.3所示。图2.3中,电机的次级(反作用板由导磁体铁和非导磁体铝(或铜两部分组成。铝板覆在铁板上面,主要起导电作用,下面的铁板主要起导磁作用。图2-4给出了这种电机的初级(定子结构。 图23轮轨交通用直线感应电机截面图Fjgurc23Cfoss-section of UM for whcd_0n.mn虹aI塔pona曲n system 图24直线感应电机定子结构图Fig吡e“thenfiglI翔廿0n Of the p血nary of UM直线感应电机虽然与旋

6、转感应电机工作原理相同,但因为其定转子结构的变化,与旋转感应电机有很多不同的地方。最主要的不同是,直线感应电机的铁心在磁场移动的方向上是开断的,长度也是有限的,它不像旋转电机那样有闭合的圆环状态。直线感应电机定转子结构的特殊性,导致其存在纵向边端效应和横向边端效应,这造成电机气隙中移动磁场的畸变,造成电机出力减小和损耗增加。有关电机的边端效应将在下节介绍。另外,定子结构的变化,也使得直线感应电机的各相绕组阻抗不对称。下面有必要对直线感应电机的绕组作一介绍。2.1.2直线感应电机的绕组形式直线感应电机的绕组形式和旋转感应电机一样,也分为单层绕组和双层绕组两种,其极数可为奇数也可以为偶数,但偶数极

7、更为常用。图2.5所示为单层绕组。单层绕组分为单层同心式绕组、单层链式绕组。双层绕组是直线电机中常用的一种形式。与单层同心式绕组相比,具有线圈端部排列整齐的优点,且可以选择适当的短距以削弱磁势的高次谐波。 表21直线感应电机主要参数(续初级宽度咖290每极每相槽数3齿距珊32槽宽mm23槽深IIn100线圈匝数5每极串连匝数90机械气隙哪!5次级铝板厚度咖5次级铁轭厚度衄25反应板宽度珊300现对主要分析过程简述如下:(1建立模型根据上述表中的电机结构尺寸,在Anft的2D modeler绘图窗体下画出电机的几何构造,如图212。 图212ANs0FT Maxwel l2D下直线感应电机的模型

8、Hgure2-12Modcl ofUM desi驴ed by Maxwen2D(2定义电机材料物理性质对电机的各部分材料给予定义,如绕组选择铜材质,定子选择电工硅钢片,反应板为铝,下层为铁。Ansoft的材料库里自带了几乎所有的电机用材料。ANsOFT的材料库中几乎自带所有电机常用的材料,因此一般情况下只需选择就可以了。(3定义电源及边界条件可以对电机旋加三相电压,可以加以三相恒定电流。因为直线感应电机的三相电流实际上有略微的不对称,所以加电压源所计算出的结果会更符合实际,这里按照表中的额定电压给定。(4网格分割网格分割可把所建立的直线感应电机模型分割成矩形或三角形。这里选用通常的三角形网格。

9、由于ANSOFT的有自动网格分割的功能,网格参数设定后,ANsOFr会依据所设计参数分割网格,参数设定得适宜时网格品质好,若分析的网格不佳时需要重新设计参数以增加分析的精确度。当得到初步分析结果后,可重新调整网格以增进精确度或减少仿真计算时间。 图213有限元割分结果FigtlIe2-13Re锄lt ofrefined mesb cIeated by MaxweU2D(4求解ANSOFT提供三种数值求解的方法:Gauss.Seidel、Newton Raphson和C0njugate gfadient,一般大部分用Neon Raphson、法,其所得的结果误差会较小。求解完成后,ANsOFT将

10、储存各节点的向量磁位,以利用结果分析。(5后处理结果将有限元法求解出的各节点的向量磁位,经过运算后求得磁通密度,磁通分布,等磁位线,以图形的方式表示出来,也可计算电动机的作用力和力矩。2.4.3电磁分析结果对上面的电机按表2.1施以三相额定电压,稳态时的磁场分布如图2.14。气隙磁密分布如图2.15。 图214LIM的磁场分布Figure2-14F1ux lines dis岫budo 图215气隙中磁场磁通密度随位置的分布FigIlre2-15distribution of ma印etic nllx d叽siIy in air gap 本文利用Maxwell2D Transient模块对上述直

11、线感应电机进行起动特性仿真,其结果如下: 气隙:10Inm,初级宽度:O.20m,铝铁复合次级,铝板厚5mm,铁板厚25姗。在输入电流保持一定(额定电流250A的情况下,改变电机的滑差(速度可以得出一定频率下各量随速度的变化。 图35推力随速度的变化曲线Figure35山e cIlrve of thmst ve格璐Spccd 图36法向力随速度的变化曲线nom斌force vs.speedFjgLlre3_6 图37冠:随速度的变化曲线F晒聆37tlle皿rve of R2v啪璐spd 图38尺.随速度的变化曲线FigIIre3-8the cue of R。ver如s speed 图39M随速度的变化曲线Figm39也e clIrve0f Mversus speed 图3一10KF,随速度的变化曲线Figure3-1