用于磁懸浮列車(chē)的長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

摘　要:介紹用于磁懸浮列車(chē)中的長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,指出其電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn),特別是與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)在設(shè)計(jì)上的不同之處. 并編制了電磁設(shè)計(jì)程序,為長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算提供了依據(jù).
關(guān)鍵詞:磁懸浮列車(chē);長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī);電磁設(shè)計(jì)
國(guó)外的交通研究報(bào)告指出,距離約為800 km 的大城市之間的中遠(yuǎn)程運(yùn)輸,對(duì)于汽車(chē)和火車(chē)來(lái)說(shuō)距離太遠(yuǎn),對(duì)飛機(jī)又顯得太近,從成本上來(lái)說(shuō)很不經(jīng)濟(jì). 然而,這一距離對(duì)于磁懸浮列車(chē)來(lái)說(shuō)卻非常適合,磁懸浮列車(chē)以高達(dá)500 km/ h 的運(yùn)行速度可以填補(bǔ)汽車(chē)、火車(chē)與飛機(jī)之間的交通運(yùn)輸空擋,還能減輕汽車(chē)和飛機(jī)對(duì)環(huán)境的污染[ 1 ]. 因此磁懸浮列車(chē)將成為現(xiàn)有交通運(yùn)輸系統(tǒng)的有力補(bǔ)充,并使工業(yè)國(guó)家存在的高速長(zhǎng)途運(yùn)輸問(wèn)題有望得以解決.
高速磁懸浮鐵道運(yùn)輸有EMS 與EDS 兩大系統(tǒng). EMS(機(jī)車(chē)車(chē)輛側(cè)驅(qū)動(dòng)) 是一種吸引式電磁懸浮系統(tǒng), EDS(軌道側(cè)驅(qū)動(dòng)) 是一種排斥式電動(dòng)懸浮系統(tǒng). 德國(guó)磁懸浮列車(chē)的發(fā)展經(jīng)歷了從長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的EDS , 到短定子異步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的EMS , 再到長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的EMS 的過(guò)程,并最終確定了長(zhǎng)定子EMS 的發(fā)展路線(xiàn).
德國(guó)高速磁懸浮列車(chē)以其無(wú)接觸式電磁懸浮、驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向系統(tǒng)為鐵路交通開(kāi)辟了新的前景. 磁懸浮列車(chē)的速度高達(dá)500 km/ h , 盡管運(yùn)行速度很高但能量消耗卻不大,運(yùn)行時(shí)沒(méi)有摩擦損耗,舒適性好,對(duì)環(huán)境的影響很小[ 2 ]. 另外其懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)環(huán)繞導(dǎo)軌(即車(chē)輛從外面包著路面),且懸浮、導(dǎo)向和制動(dòng)功能被設(shè)計(jì)成既是冗余的又是各不相同的,因此運(yùn)行時(shí)非常安全.
德國(guó)磁懸浮列車(chē)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)10 年的發(fā)展,技術(shù)已趨于成熟,目前幾個(gè)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)等正考慮將長(zhǎng)定子磁懸浮列車(chē)投入使用. 在美國(guó),拉斯維加斯已決定在該城與洛杉磯之間的交通線(xiàn)上使用德國(guó)的高速磁懸浮列車(chē);德國(guó)針對(duì)磁懸浮列車(chē)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用,也展開(kāi)了大規(guī)模的調(diào)查, 萊茵走廊/ 美茵—萊茵/ 魯爾以及北德和南德地區(qū)均屬考慮之列;中國(guó)上海正在建造磁懸浮鐵路,使用德國(guó)高速磁懸浮列車(chē)TR -08 技術(shù),力爭(zhēng)成為世界上第一條實(shí)際應(yīng)用的磁懸浮鐵路.
1 　長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)
1. 1 　工作原理
德國(guó)TR 型磁懸浮列車(chē)無(wú)接觸式的牽引技術(shù)要求采用長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng). 電機(jī)定子鐵心由015 mm 厚的電工鋼片疊壓而成,被固定在導(dǎo)軌的下部;定子三相繞組由防護(hù)電纜組成,預(yù)先成形,并由敷線(xiàn)車(chē)將其嵌放在導(dǎo)軌兩側(cè)的定子槽中. 定子三相繞組通電后,產(chǎn)生一個(gè)移行磁場(chǎng),與布置在車(chē)輛上的懸浮(勵(lì)磁) 磁鐵相互作用,實(shí)現(xiàn)牽引. 其工作原理如圖1 所示.

圖1 　長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電機(jī)的工作原理圖
為獲得恒定的懸浮力,德國(guó)TR 型磁懸浮列車(chē)采用吸引式電磁懸浮原理,由同步電機(jī)的定子鐵心與車(chē)輛上的懸浮磁鐵之間形成氣隙磁通產(chǎn)生懸浮力. 其懸浮和牽引系統(tǒng)合二為一,這也是德國(guó)TR 型磁懸浮列車(chē)的優(yōu)勢(shì)所在. 為滿(mǎn)足列車(chē)高速運(yùn)行的要求, TR 型磁懸浮列車(chē)采用獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng),線(xiàn)路兩側(cè)垂直地布置有鋼板(導(dǎo)向和制動(dòng)軌),車(chē)輛兩側(cè)相應(yīng)地布置有導(dǎo)向磁鐵,它與線(xiàn)路的鋼板形成閉合回路. 電磁鐵線(xiàn)圈通電后,可產(chǎn)生足夠的橫向?qū)蛄?但獨(dú)立導(dǎo)向系統(tǒng)增加了車(chē)的重量和線(xiàn)路成本[ 3 ].
因線(xiàn)路很長(zhǎng),為避免能量損失,將長(zhǎng)定子線(xiàn)路分成獨(dú)立區(qū)段,只在車(chē)輛所在區(qū)段接通電源,由變電站向安裝在線(xiàn)路兩側(cè)的定子三相繞組供電. 改變?nèi)嘟涣麟娏黝l率,可從靜止到運(yùn)行速度范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整牽引力.
1. 2 　電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)
長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比,設(shè)計(jì)計(jì)算大致相同,需要經(jīng)過(guò)磁路計(jì)算、參數(shù)計(jì)算、額定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算、勵(lì)磁數(shù)據(jù)計(jì)算、損耗和效率計(jì)算幾個(gè)部分[4 ]. 所不同的是設(shè)計(jì)長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)時(shí),要考慮長(zhǎng)定子直線(xiàn)電機(jī)的自身特點(diǎn)、以及與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的不同之處,主要表現(xiàn)為:
(1) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子受離心力作用,直線(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子不受離心力.
(2) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向單邊磁拉力互相抵消,只剩下切向力,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩;直線(xiàn)電機(jī)單邊磁拉力不抵消, 正好利用它作為懸浮力.
(3) 直線(xiàn)電機(jī)具有邊緣效應(yīng).
(4) 一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子繞組長(zhǎng)期工作,繞組內(nèi)一直流有電流;而長(zhǎng)定子直線(xiàn)電機(jī)定子繞組是短時(shí)間通電,短時(shí)工作.
綜上所述,可見(jiàn)長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)有其自身的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn),現(xiàn)歸納如下:
(1) 電機(jī)極數(shù)多, 取每極每相槽數(shù)q = 1 ;為便于布置繞組, 長(zhǎng)定子采用單層繞組, 用電纜線(xiàn)直接埋入.
(2) 長(zhǎng)定子繞組短時(shí)工作, 定子繞組電流密度j1 可選得大一些.
(3) 由于每極每相槽數(shù)q = 1 且采用均勻氣隙, 定子齒諧波磁動(dòng)勢(shì)較大, 利用其產(chǎn)生的一階和二階齒諧波磁場(chǎng)與裝在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁極表面上的直線(xiàn)發(fā)電機(jī)繞組相互作用, 在直線(xiàn)發(fā)電機(jī)繞組中感應(yīng)出交流電, 輸出電功率. 當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度超過(guò)100 km/ h 時(shí), 車(chē)輛所必需的勵(lì)磁磁能、空調(diào)、照明裝置以及輔助裝置所必需的能源均由直線(xiàn)發(fā)電機(jī)提供.
(4) 轉(zhuǎn)子不受離心力的影響, 而且氣隙均勻, 因此主極不再需要模壓的極靴.
(5) 利用單邊磁拉力作為懸浮力, 因此直線(xiàn)電機(jī)除計(jì)算推力外, 還要計(jì)算懸浮力.
( 6) 邊緣效應(yīng)要用有限元法計(jì)算, 對(duì)直軸同步電抗x d 、交軸同步電抗x q 和直軸瞬態(tài)電抗x d ′等參數(shù)及推力要進(jìn)行適當(dāng)修正.
(7)旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的集膚效應(yīng)系數(shù)KF 的計(jì)算公式不能用于直線(xiàn)電機(jī), 頻率f > 30 Hz 時(shí),直線(xiàn)電機(jī)隨頻率變化的系數(shù)取KF = 1 +0.004(f -30).另外,因結(jié)構(gòu)不同,旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的機(jī)械損耗和溫升的計(jì)算公式均不適用于直線(xiàn)電機(jī),需采用新的計(jì)算公式.
(8)懸浮和牽引系統(tǒng)合二為一,可根據(jù)列車(chē)重量確定電機(jī)磁路所需勵(lì)磁.先由車(chē)重確定懸浮力的大小,然后計(jì)算出氣隙磁密和氣隙磁通,即可確定磁路所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì).
(9)列車(chē)重量在運(yùn)行時(shí)可近似看作常數(shù),因此懸浮力及產(chǎn)生懸浮力的氣隙磁密基本恒定,運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以保持氣隙磁密不變,可見(jiàn)推力大小與定子繞組電流成正比.
(10)由速度公式v=2 fτ可知,頻率增加時(shí),速度增大,運(yùn)行阻力必定增大,因此所需推力及電流須相應(yīng)增大,即頻率最大時(shí)運(yùn)行阻力最大,相應(yīng)的推力及電流的穩(wěn)態(tài)值也將為最大.

圖2 　主程序框圖


(12)運(yùn)行時(shí)保持氣隙磁通不變,則電機(jī)磁路各部分的磁通密度也不變,因此磁路所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一定而與頻率無(wú)關(guān).
(13)電樞反應(yīng)發(fā)生在列車(chē)所在位置,電樞反應(yīng)電抗及電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同.無(wú)列車(chē)處,定子繞組只產(chǎn)生漏磁通和漏電動(dòng)勢(shì).
(14)由于鐵耗近似與頻率的1.3 次方成正比,還與氣隙磁密的平方成正比,而列車(chē)重量一定時(shí)氣隙磁密不變,因此鐵耗只隨頻率變化,頻率最大時(shí)鐵耗最大;又由于銅耗與電流的平方成正比,而頻率最大時(shí)電流穩(wěn)態(tài)值最大,因此頻率最大時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的銅耗也最大.

1.3 　電磁設(shè)計(jì)程序框圖在長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,編制了其電磁設(shè)計(jì)程序,主程序框圖如圖2 所示.
2 　計(jì)算例題
用本程序?qū)﹂L(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了計(jì)算,算例尺寸如圖3 所示. 列車(chē)由兩節(jié)車(chē)輛組成,總長(zhǎng)54. 2 m , 列車(chē)總重108. 4 t , 最大速度400 km/ h , 運(yùn)行阻力60. 4 kN (400 km/ h 時(shí)). 電動(dòng)機(jī)Y接法,最大相電壓4 500 V , 最大相電流1 200 A , 供電頻率0～215 Hz , 主極極對(duì)數(shù)160 , 極距258 mm , 氣隙10 mm.
計(jì)算得到的參數(shù)值為: 　75 ℃ 、215 Hz 時(shí),300 m 供電區(qū)段定子每相電阻為0. 283 8 Ω ,定子漏抗為21021 8Ω ,直軸同步電抗為1. 195 8Ω ,交軸同步電抗為0. 943 3Ω ,勵(lì)磁繞組電阻為0. 815 5Ω ,勵(lì)磁繞組漏抗為0. 172 9 Ω. 其它主要計(jì)算數(shù)據(jù)為:氣隙磁位降為11 967 A , 空載所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為12 630 A , 額定負(fù)載時(shí)所需勵(lì)


圖3 　長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)算例尺寸磁磁動(dòng)勢(shì)為1 2280 A. 空載時(shí)勵(lì)磁繞組電流密度為1. 79 A/mm2,額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁繞組電流密度為1. 74 A/ mm2 ,勵(lì)磁裝置額定電壓為295 V ,額定電流為307 A ,額定容量為90 kW.
300 m 供電區(qū)段內(nèi),當(dāng)列車(chē)以400 km/ h 的速度恒速運(yùn)行時(shí),電動(dòng)機(jī)額定相電壓為4441 V ,額定相電流為758 A ,總損耗為647 W ,額定效率為91 %.
3 　結(jié)束語(yǔ)
介紹了長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,指出了其電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)并編制了電磁設(shè)計(jì)程序,為長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算提供了依據(jù).

參考文獻(xiàn):
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