反应板材料和结构对直线电机车辆性能的影响

1、反响板材料和构造对直线电机车辆性能的影响摘要比照了国外直线电机地铁车辆反响板的材料和构造,从理论上分析了采用铜、铝两种导电材料和整体式、叠片式两种背铁构造的反响板对直线电机车辆性能的影响。在直线电机反响板的设计中,从降低本钱及材料和构造的有效性考虑,加减速区和坡度区的反响板采用铝片式背铁构造更加合理。关键词直线电机,地铁车辆,反响板反响板作为直线电机的一部分,其作用主要是产生感应电流。该电流同初级的行波磁场互相作用产生推力,以牵引车辆前进。因此,反响板的材料和构造对直线电机的性能将会有一定的影响。在轨道交通中,为了改善直线电机的牵引性能,通常在不同的区域采用不同的感应板材料或构造,以到达进步车

2、辆性能并降低线路建造本钱的目的。国外部分直线电机车辆线路反响板在不同区域采用的材料和构造如表1所示。从表1中可以看出,在两种类型的直线电机车辆上,加、减速区和坡度区的反响板材料和构造同惰行区不同。其目的是为了增加电机在该区段的牵引力。其中庞巴迪公司的arkii车辆采用了铝板叠片式背铁构造,而东京12号线那么采用的是铜板整体式背铁构造。本文将就终究哪种材料或构造对电机的性能改善较大、更合理这一问题进展讨论,以期为国内该类型反响板的构造设计和材料选择提供一定的理论根据。1反响板材料对电机性能的影响当仅考虑材料对电机性能的影响时,可忽略次级反响板的背铁构造,从而能更为直观地理解边端效应对推力的影响。

3、不考虑纵向边端效应时,直线电机初级产生的行波磁场同普通旋转电机类似。此时的反响板导电材料对电机牵引力的影响如图1所示。由图1可见,两种电机产生的最大推力一样,而铜导体由于具有较大的电导率,在低滑差的情况下产生的推力较大,因此其推力特性较硬。在旋转电机中通常这是成立的。东京12号线选用铜导电板作为其加减速区的反响板导电材料可能源于此。但是直线电机不同于旋转电机的地方在于它存在纵向边端效应。由于用于城市轨道交通的牵引电机属于高速低滑差运行的电机,因此其牵引力的计算必须考虑纵向边缘效应。考虑了纵向边缘效应后,导电板材料不同时的电机牵引力曲线如图2所示。从图2中可以看出,此时采用铜作为反响板导电材料的

4、直线电机的最大推力小于采用铝作为导电材料的同类型反响板的直线电机,且其在低滑差区域的优势也并不十清楚显。与图1比照,总体上来说,纵向边缘效应削弱了直线电机的推力。这点从图3中也可看出。合成推力是不考虑纵向边端效应的推力和入端、出端效应推力的代数和。入端边缘效应产生的推力在低滑差时是正的,对合成推力起增强的作用;而在高滑差时那么为负,对合成推力起削弱作用。而出端效应产生的推力很小,可以忽略。这与文献2中的结论一致。此外,从图2中可以看出,纵向边端效应对采用铜作为导电板的削弱作用更强。其原因可以从纵向边端效应的形成来分析。从文献3中可知,纵向边端效应分为两种:第一类由于电机三相绕组空间位置不对称引

5、起的纵向边端效应;第二类由于初级相对次级做直线运动而形成的纵向边端效应。第一类纵向边端效应只影响三相电流的不对称,并且当初级极数大于6(地铁车辆直线电机初级一般为68极1)时,其影响可以忽略。第二类纵向边端效应那么不同,是由于电磁感应而产生的。由电磁感应定律知该感应电动势的大小与初级和次级的相对运动速度有关。速度一样时,那么感应电动势一样,其感应电流的大小与次级导体板的电导率成正比。由于铜的电导率大于铝,故其产生了较大的电流。从麦克斯韦电磁场方程知,该电流将产生较大的逆磁动势,从而对初级行波磁场的削弱更大,因此其产生的推力反而更校从这点来说,采用铜作为反响板的导电板是值得商榷的。2反响板构造对

6、电机性能的影响当考虑到反响板的构造后,受背铁的影响,不能得到直线电机电磁场的解析表达式,故不能求出推力的各个分量。但合成推力可以用parseval定理求解2。采用不同材料,不同构造的反响板对直线电机性能的影响如图4所示。从图4中可以看出,由于背铁的影响,图2中给出的铜导电板的优势不复存在。整个滑差率范围内,采用铜导电板的直线电机的推力均小于同类型采用铝导电板的直线电机推力,而不管背铁的构造是整体式还是叠片式。由此可见,东京地铁12号线采用铜作为导电板材料的合理程度有待试验验证。再从反响板的构造来看,当导电板的材料一样时,采用叠片式构造的电机其最大推力均比同种类型的整体式构造的电机有所进步,且采

7、用铝导电板的电机提升的绝对值要大,约为5kn,而采用铜导电板电机的那么为2kn。但另一方面,背铁的构造从整体式改为叠片式后,其垂向力发生了较大的变化。相应的曲线如图5所示。由图5可见,垂向力在低滑差区域为吸引力,在高滑差的情况下为斥力。而从电机的实际运行来看,由于电机是在低滑差的区域中运行,故其垂向力为吸力。且该吸力通常较大,为各自相应推力的数倍。以铝导电板覆盖整体式背铁反响板为例,其牵引力最大值约为11kn,而对应的垂直吸力约为20kn;而采用同种导电材料的叠片式背铁的反响板,其能产生的最大推力为16kn左右,与之对应的垂向吸力那么为40kn左右。由于直线电机通常悬挂于转向架或车轴上,故垂向力对车辆转向架或车轴的构造的影响将不容无视。特别是在采用叠片式构造后其影响将更为剧烈,在构造设计时应予以综合考虑。3结语综合以上分析,笔者认为在直线电机反响板的设计中,从降低本钱及材料和构造的有效性来看,采用庞巴迪公司的设计方案更为合理。但合理的程度需要更为详细的计算和试验。特别是采用新的构造后,垂向力对车辆构造的影响程度以及牵引力的进步程度,均需要进展更为准确的分析,以找出两者的平衡点。参考文献1张振生.直线电机城市轨道交通车辆综