（電機與電器專業(yè)論文）超導磁浮直線電機及其控制和渦流制動系統的研究.pdfVIP

浙江大學碩士學位論文 a b s t r a c t t h e 仃a n s p o n a t i o ni st h eb a s eo ft h en a t i o n a le c o n o m y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n de c o n o m y ，w en e e dm u c h b e t t e rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h em a g l e vv e h i c l e m u s tb et h eb e s tw a yf o r t h ep a s s e n g e r 劬【i l s p o ni n2 l 啦c e m u 啊b e c a u s ei ti sf 瓠t e r ， s a f e ra n dw o r k i n gb e t t e ri n p r o t e c t i n ge n v i r o n r n e n ta n ds a v i n ge n e 唱y a s 也e s h a l l 曲a ib u s i n e s sl i n ew e n ti n t o 、o r k i n ga i l dt h ep l a i lo ft h el i n eb e t w e e ns h a i l g h a i a i l dh a n g z h o ug o tp a s s e d ，i ti sb e c o m i n ga ni n c r e a s i n gd e m a i l dt ol o c a l i z et h em a 9 1 e v t e c h n o i o g y b a s e do nt h ee x p e r i m e m a ls u p e r c o n d u c t i v em a g l e vv e h i c l e1 i n eb e t w e e nz h e j i a i l g u n i v e r s i t ya n ds o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t 弘m em a i nc o n t e n to ft l l i sd i s s e n a t i o ni s a sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ea n a l y s i sa 1 1 dd e s i g no fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o l1 1 1 ed i s s e n a t i o na n a l y z e st l l e s t n l c t l l r ea n dp a m m e t e r s ，t h e nd e s 追n st h el i n e a rm o t o ru s i n gc i r c u i tm e t h o d 2 t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee x p 甜m e m a ll i n e i m p m v e de i e c 啊c a lm e t h o di s a p p l i e d 3 t h e 鋤a l y s i sa 1 1 dd e s i g no fe d d yc u r r e n ts y s t e m a n e ri m m d u c i n gt h ep r i n c i p l e o fp e m a n e n tm a g n e te d d y c u r r e mb r a k e ，m ed i s s e n a t i o na n a l y s e st h em o d e lu s i n g f e ms o f i 、a r ea n s y sa n dg e t st h ed i s m b u t i o no fm a 弘e t i cf i e l da n dt h eb m k i n g f b r c e ，t h e n 叩t i m i z e st h ep a r a m e t e r st oa c h i “et h eb e s tb r a l ( i n gp e r f b m a n c e a tl a s t ， h a l b a c ha m yi sc o n s i d e r e dt ob et h eb e s to n e 枷o n gt l l r e ed i 繯玎e n ts t n l c t u r e s k e yw o r d s ：s u p e r c o n d u c t i v em a g l e vv e h i c l e ， l i n e a rm o t o r ，e l e c t r i c a lc o n t r o l ， p e r i l l a i l e n tm a 印e te d d y - c m e n tb r a l 【e ，f e m ，a n s y s j l 浙江大學碩上二學位論文 第一章緒論 1 1 課題的背景和意義”幻 速度是人類在交通技術領域探索的永恒主題，能源則是全世界可持續(xù)發(fā) 展研究中一個無法回避的主題。而高速磁浮列車系統恰恰是2 0 世紀人類在交 通技術領域圍繞這兩個主題的一項技術發(fā)明。它高速、安全、舒適、節(jié)能、 環(huán)保，是繼汽車、輪船、火車、飛機之后，填補火車和飛機之間速度空白的 一種新型的交通系統。它的應用很可能成為開辟未來人類與資源、環(huán)境和諧 發(fā)展新時代的火車頭。 我國幅員遼闊，人口眾多，高速客運市場潛力巨大，發(fā)展高速交通系統 勢在必行。由于高速磁浮交通系統有著較高的經濟運行速度，不僅適合于相 距數百公里至數千公里的交通樞紐之間的大運量快速客運交通，而且還適合 于相距數十公里至數百公里的中心城市與附近重要城市的快速交通聯系。 此外，我國石油資源嚴重不足，無論從能源安全的角度還是從環(huán)境保護 的角度看，都不宜走美國等發(fā)達國家采取的”飛機+ 汽車”的高速客運模式。 雖然這種滿足高速客流需求的模式非常有效，但同時也帶來了嚴重的能源安 全、環(huán)境污染和交通安全問題。而高速磁浮系統能耗低，可以節(jié)約寶貴的石 油資源，緩解石油危機的壓力；使用電力，不排放任何有害物質，能有效保 護沿線環(huán)境；安全度高，沒有脫軌的危險；減少土地耗用，緩解交通擁堵的 壓力。因此，高速磁浮系統能有效地分流航空和汽車的需求，是較適合我國 國情的一種高速交通方式。高速磁浮交通是交通領域一次新的革命，其發(fā)展 將帶動眾多高新技術前沿的發(fā)展，又將極大地推動新產業(yè)體系的形成和經濟 增長。隨著科學技術的不斷發(fā)展，高速磁浮系統的技術性能、經濟性等也應 該可以得到較大的完善。我們相信高速磁浮交通必將成為2 1 世紀新型的大運 量地面客運交通系統。 目前世界上許多發(fā)達國家都在開發(fā)、研制高速磁浮列車。由德國、日本 分別獲得的常導和超導兩大不同體系的高速磁浮交通運輸技術的試驗證實， 其技術成熟，經濟、安全、可靠而進入實用階段。 但是，目前磁浮交通的核心技術為國外掌握。雖然我國在上海示范線的 建設中參與了很多工作，但運行控制等核心技術全部由德國提供。這不僅需 浙江大學碩士學位論文 要國家花大量的財力( 3 億4 億元公里) 、物力，而且還不利于我國高速交 通的發(fā)展。我國在磁浮領域與日本德國等已有國際水平的成果相比，差距還 是很明顯的。所以要建設我國自己的高速磁浮交通系統，必須掌握其中的核 心技術，實現磁浮技術的國產化。 我國對磁浮技術的研究起步較晚，開始于二十世紀八十年代初，而且主 要集中在低速、常導磁浮的研究。西南交通大學等科研院所已研制成功了數 條試驗線，但對超導磁浮的研究尚且不多。本課題就是浙江大學和西南交通 大學合作的超導磁浮試驗線項目。它依托浙江大學航天電氣與微特電機研究 所在直線電機領域的技術優(yōu)勢，以及西南交通大學在磁浮方面的經驗，研制 的試驗線對磁浮技術的國產化具有十分重要的意義。 1 2 超導磁浮列車概況 1 2 1 磁浮列車的特點及分類“嘲 磁浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統的高速列車系 統。它改變了傳統軌道車輛依靠輪軌摩擦力推進的方式，而采用磁力懸浮車 體，直線電機驅動技術，使列車浮起滑行，在交通技術發(fā)展上是一個重大突 破，被譽為2 1 世紀最理想的交通工具。磁浮列車與現有的常規(guī)列車相比，其 突出的優(yōu)點表現為： 速度快，可達5 0 0 k m h 以上； 安全，無翻車或者脫軌的危險； 無污染，乘坐舒適，無輪軌接觸的噪聲和震動； 占地小，可高架且對軌道承重要求低，因而占地較少； 對復雜地形的適應性強，爬坡能力強，轉彎半徑?。?造價不高，整體結構容易維修，節(jié)能。 根據吸引力和排斥力的基本原理，目前磁浮列車主要有兩種相應的形式： 1 常導吸浮型( e m s ) 用一般導體線圈，以異性磁極相吸的原理，一般由同步或異步直線電動 機驅動的，這樣的磁浮列車，常稱為常導吸浮型磁浮列車，以德國為主要代 表。時速可根據需要設計為l o o k m h 或5 0 0 k m h ，磁浮高度一般在1 0 m 左右。 浙江大學碩士學位論文 2 超導斥浮型( e d s ) 用低溫超導線圈，以同性磁極相斥原理，一般由同步直線電動機驅動的 磁浮列車，常稱為超導斥浮型磁浮列車。以日本為主要代表。時速一般以高 速居多，即5 0 0 k m h 以上，磁浮高度可達1 0 0 m m 以上。 磁浮列車的研制方向可分為低速、中速和高速三種方式。國際上有代表 性的幾種磁浮列車有： 高速常導磁浮列車，以德國研制的t r ( t r a n s r a p i d ) 系列為代表； 低速常導磁浮列車，以日本研制的h s s t 系列為代表； 高速超導磁浮列車，以日本研制m l x 系列為代表。 下面簡單介紹一下這三種有代表性的磁浮列車。 德國t r a n s r a p i d 屬于常導吸引式列車( 見圖1 1 ) 。安裝在車上的常規(guī) 電磁鐵用于懸浮和導向，同時也是同步直線電機的激磁繞組。在長定子鐵心 槽內沿線連續(xù)鋪設的三相電樞繞組中的電流與電磁鐵相互作用產生所需的 驅動力。安裝在t 型導軌上的長定子鐵心和導向鐵軌與電磁鐵相互作用產生 所需的懸浮力與導向力。t r a n s r a p i d 系統的優(yōu)點在于采用傳統的直線電機原 理，工藝成熟，與現有工業(yè)銜接較好，使用鐵心，漏磁小，運行效率高。其 缺點是懸浮氣隙小( 1 c m ) ，對導軌的精度要求較高，需要較復雜的控制系統， 車體較重。 圖1 1 德國t r a n s r a p i d 列車截面圖 浙江大學碩b 學位論文 日本h s s t 也屬于常導吸引式列車( 見圖1 2 ) ，但采用直線感應電機驅 動，磁鐵與感應電機電樞均在車上，地面上僅有鐵軌與產生感應渦流的次級 板，它屬于中低速列車。 圖1 2 日本h s s t 列車截面圖 日本超導m l x 列車屬于電動式磁浮系統( 見圖1 3 ) 。采用先進的低溫 超導磁浮技術，懸浮氣隙可達l o 厘米，不需主動控制，適應性較好，易于達 到更高速度。這種方式在靜止時不能懸浮，列車必須達到一定速度( 約1 0 0 公 里小時) 后才能起浮。 圖l _ 3 日本超導m l x 磁浮列車截面示意圖 浙江大學碩十學位論文 1 2 2 磁浮列車的發(fā)展?！?磁浮列車的發(fā)展經歷了較為漫長的時期。從1 9 2 2 年德國人赫爾曼肯佩 爾提出電磁懸浮原理開始至今，先后有德國、日本、英國、前蘇聯、美國、 加拿大、法國、韓國、瑞士、中國等國家在磁浮技術的理論和實踐方面做了 大量的工作。在這些國家中，研究走在最前面、投入最大、持續(xù)時間最長的 是德國和日本。 德國對磁浮列車的研究始于1 9 6 8 年。在研究的初期，常導和超導并重。 到了1 9 7 7 年，先后研制出常導吸引式和超導相斥式試驗車輛，試驗的最高時 速達到4 0 0 k m h 。后來，經過分析比較，認為超導磁浮鐵路所需的技術水平 太高，短期內難以取得較大進展，遂決定集中力量發(fā)展常導磁浮鐵路。目前 德國在常導磁浮列車研究上的技術已經成熟，我國的上海線就是采用德國的 t r 0 8 列車。 日本從1 9 6 2 年開始研究常導型磁浮列車。后來由于超導技術的發(fā)展，日 本從7 0 年代開始轉向研究超導型磁浮列車。1 9 7 2 年1 2 月在宮崎磁浮鐵路試驗 線上，時速達到2 0 4 k m h 。1 9 7 9 年1 2 月又迸一步提高到5 1 7 k m h 。1 9 8 2 年1 1 月， 磁浮列車的載人試驗獲得成功。1 9 9 5 年載人磁浮列車試驗時的時速高達4 1 l k m h 。1 9 9 7 年1 2 月在山梨縣的試驗線上創(chuàng)造出時速為5 5 0 k m h 的世界最高記 錄。據有關專家介紹，日本之所以研究和發(fā)展超導磁浮列車，是因為超導磁 浮列車的1 0 0 m m 懸浮間隙比常導磁浮列車的1 0 m m 懸浮間隙更能抵御地震災 害對列車運行的影響，而日本恰恰是多地震的國家。 我國在上世紀8 0 年代初開始對低速常導型磁浮列車進行研究。1 9 9 4 年l o 月，西南交通大學建成首條磁浮鐵路試驗線，并同時開展了磁浮列車的載人 試驗，成功地進行了4 個座位，自重4 t ，懸浮高度為8 m m ，時速為3 0 k m h 的磁 浮列車試驗。在鐵科院環(huán)形試驗線軌距2 m ，長3 6 m ，設計時速為1 0 0 k m h 的室 內磁浮試驗線路上成功地對長為6 5 m ，寬為3 m ，自重4 t ，內設1 5 個座位，設 計時速為1 0 0 k m h 的低速常導單轉向架磁浮試驗車進行了試驗，于1 9 9 8 年1 1 月通過了鐵道部科技成果鑒定，填補了中國在磁浮列車技術領域的空白。 2 0 0 1 年1 月2 3 日，上海磁浮交通發(fā)展有限公司與由德國西門子公司，蒂 森快速列車系統公司和磁浮國際公司組成的聯合體簽署了上海磁浮列車項 浙江大學碩士學位論文 目供貨和服務合同，2 0 0 1 年3 月1 日工程正式開工，2 0 0 2 年1 2 月3 1 日世界第 一條商業(yè)化運營的磁浮示范線在上海順利通車。日前，深受海內外關注的滬 杭磁浮交通項目獲得國務院批準，意味著中國開始邁向“高速鐵路”時代。 磁浮交通滬杭線工程全長約1 7 5 k m 。線路利用既有3 0 k m 磁浮上海線，由龍陽 路站向西南延伸，經世博園站、上海南站后，在鐵路三角區(qū)附近出岔向北至 虹橋站，向西經過嘉興站抵達杭州東站。這條連接上海、嘉興、杭州三地的 磁浮交通線建成后，將實現“兩百里滬杭，一小時往返”，上海至杭州單程 不過半小時，將大大提高長江三角洲地區(qū)的出行效率，必將又一次掀起我國 進行磁浮國產化研究的高潮。 圖1 4 上海線上運行的磁浮列車 1 2 3 超導磁浮列車的原理“羽 超導磁浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當低的溫度下所具有 的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料制成的超導線圈構成， 它不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流，這 種特性使其能夠制成體積小功率大的電磁鐵。 超導磁浮列車只能在列車達到一定的運行速度后才能實現懸浮( 列車通 常都是高速的) ，如日本的m l x 系統和美國的m a g p l a n e 系統。其懸浮系統和推 進系統如圖1 5 所示。超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體并構成感 應動力集成設備，而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩 6 浙江大學項十學位論文 側。列車驅動系統通常采用長定子直線同步電機，當向軌道兩側的驅動繞組 提供與車輛速度頻率一致的三相交流電時，就會產生一個移動的電磁場，因 而在列車導軌上產生磁波，這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動 磁場同步的推力，正是這種推力推動列車前進。當列車運行時，車載超導磁 體與鋪設在地面導軌上的線圈之間相對運動，軌道線圈中的磁通隨著車輛向 前運動而改變，在軌道線圈中感應出強大的電流。由于超導磁體的電阻幾乎 為零，在運行中基本上不消耗能量，且磁場強度很大，在超導磁體與軌道線 圈之問產生強大的排斥力，使列車懸浮在空中，高度可達1 0 0m m 1 5 0m m 。 由于是斥力懸浮，懸浮是自穩(wěn)定，不需要任何反饋控制系統來保證其懸浮系 統的穩(wěn)定性，控制系統可以大為簡化，但懸浮的高度與列車速度有關，列車 必須達到1 0 0k m h 左右的速度才能被抬離軌道，因此必須在車上安裝輔助 的機械支撐輪裝置，以保證列車在啟動、低速運行或停車時，能安全可靠地 著地。同時，與懸浮繞組呈電氣連接的導向繞組也將產生電磁導向力，保證 列車在任何速度下都能穩(wěn)定地處于軌道中心行駛。由超導斥浮型懸浮系統構 成的磁浮列車適用于高速運行，速度可高達5 5 0k m h 。 ( a ) 懸浮系統 圖1 5 超導磁浮列車原理示意圖 ( b ) 推進系統 1 3 直線電機概況。川 1 3 1 直線電機的發(fā)展及應用 直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、而不需要任何中間 轉換機構的傳動裝置。在許多工業(yè)領域中，被控對象的運動路徑往往是直線 浙江大學碩士學位論文 形式。但遺憾的是，過去由于直線運動驅動器沒有得到充分的發(fā)展，長期以 來不得不借助于旋轉電機的旋轉運動，加上機械變換環(huán)節(jié)來獲得最終的直線 運動，或者單向位移或者雙向往復位移。顯然，這種獲得直線運動的方式具 有“間接”的性質。如果驅動器能給被控對象提供直線運動形式的推力，以 獲得單向或者雙向的有限可控位移，那么兩者在運動形式上就直接匹配一致 了，省去了中間的變換環(huán)節(jié)，這就具有天然的合理性了。以電磁原理工作的 各種形式的直線電機是提供大功率、高推力的主要執(zhí)行元件。由于它能直接 產生連續(xù)單向或往復短行程的直線機械運動，而不需要中間機械傳動變換裝 置，因而在國民經濟的各個部門都獲得了應用，而且應用的前景越來越廣闊。 特別是隨著上海磁浮商業(yè)線的投入運行，各個國家都加大了對直線電機設計 和控制的研究。從目前的發(fā)展趨勢來看，很有可能形成巨大市場的“直線運 動工業(yè)”。 早在1 9 世紀末與2 0 世紀初就有人從事直線電機的研究。當時研究直線電 機有兩個目的，其一想用它來推動織布機上的梭子，其二想用它作為推動列 車的動力，但均未獲得成功，這兩者都停留在試驗論證階段。在以后很長的 一段時間內，雖有少量的研究成果，但都沒有超出試驗模型階段。從美國專 利上看，2 0 世紀三、四十年代，也曾一度出現過直線電機熱，但后來慢慢冷 下來了。其原因大致在于以下幾方面：一、直線電機的電磁氣隙與極距的比 值通常高于旋轉電機，因此激磁電流較大。另外存在由于鐵芯兩端開斷產生 的邊端效應，于是直線電機的效率和功率因數比同容量旋轉電機的低。人們 的傳統概念是以效率和功率因數來衡量電機的。這個概念牢固地束縛了直線 電機的應用；二、沒能找到唯獨它適用的領域；三、直線電機的控制線路及 其裝置費用成為它發(fā)展的又一障礙，因為當時控制技術不完善、元器件昂貴 且性能欠佳；四、直線電機理論發(fā)展緩慢，設計上存在缺陷，沒有對應用起 到促進和預見作用。以上這些使得人們對直線電機一度失去信心。直至5 0 年 代中期以后，控制、材料技術的飛速發(fā)展和新型控制元器件的不斷出現為直 線電機的廣泛應用打開了方便之門。隨著科技的發(fā)展，人們的觀念也發(fā)生了 變化，認為直線電機的較低效率可以用增加整個裝置的傳動效率來補償，在 不連續(xù)使用的情況下，效率退居第二位，整個裝置的簡單和經濟顯示了直線 8 浙江大學碩士學位論文 電機的優(yōu)越性。同時隨著核動力的發(fā)展，需要抽吸鈉鉀混合物之類液態(tài)金屬， 于是就產生了作為電磁泵的直線電機。6 0 年代以來，隨著高速運輸系統的需 要，直線電機在這方面的應用受到了極大的重視，許多國家開展了對直線電 機的專題研究，于是直線電機的理論和應用均獲得了迅速的發(fā)展。 值得提的是在6 0 年代末、7 0 年代初將直線電機作為高速列車的驅動裝 置得到了各國的高度重視并計劃予以實旌，其中尤以德國、日本為代表。近 二十年來，不僅直線電機的新產品層出不窮，而且新原理直線電機也不少， 例如超聲波直線電機，微步距直線電機等等。 相對于國外，國內的直線電機研究起步較晚，發(fā)展不穩(wěn)定，七十年代比 較熱，八十年代前期滯退，八十年代后期至今又有較大發(fā)展?，F在國內已出 現了一支直線電機的開發(fā)、研究隊伍，一些大專院校、科研單位和工廠積極 開展了各類直線電機的基本理論和開發(fā)應用的研究。自從1 9 8 2 年開始，全國 直線電機學術會議定期召開，會上既有論文的交流，也有新成果的展現，還 不斷有新的年青會員參加。我國在直線電機的應用上也取得了可喜的成果， 例如浙江大學的遙控直線電機窗簾機、世界首創(chuàng)的新型電磁式直線電機沖 床、圓盤直線電機驅動并利用其電磁加熱的炒茶機、西安交通大學的一種新 型電磁打泊機、上海工業(yè)大學的浮法玻璃生產用的直線電機、直線電機驅動 的自動門等等，關于直線電機國內已有許多項專利。最近幾年，直線電機的 應用領域更是全面鋪開，如備受世人矚目的上海磁浮工程正是采用長定子直 線同步電機來驅動高速磁浮列車的。在理論研究上，我國也有很大的發(fā)展， 發(fā)表了不少的文章，出版了一些書籍。現在直線電機的應用面很廣，涉及到 工業(yè)、運輸、建筑、醫(yī)學、民用等多個方面，越來越受到人們的重視，其發(fā) 展前景甚為廣闊。 1 3 2 直線電機的基本結構與工作原理 如圖1 6 所示，直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種演變。 它可以看作是先將一臺旋轉電機沿其徑向剖開，然后再將電機的圓周展成直 線，這樣就得到了由旋轉電機演變而來的最原始的直線電機。由定子演變而 來的一側為初級或原邊，由轉子演變而來的一側稱為次級或副邊。 9 浙江大學碩士學位論文 a ) 沿徑向剖開 ( 初級) 子( 次級) 次級初級 b ) 把圓周展成直線 圖1 6 旋轉電機演變?yōu)橹本€電機的過程 直線電機最基本的工作原理，如圖1 7 所示。在初級繞組通入交流電，則 在氣隙中產生行波磁場。次級在行波磁場的切割下，產生感應電動勢從而產 生電流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產生電磁推力。如果初級固定， 則次級在推力的作用下做直線運動；反之，次級固定，則初級作直線運動。 32 l 初級2 一次級3 一行波磁場 圖1 7 直線電機的基本工作原理 在圖1 6 中，演變而來的直線電機的初級和次級長度是相等的。在直線 電機運行時，初級與次級之間是要作相對運動的，如果在運動開始時，初級 與次級正巧對齊，那么，在運動中初級與次級互相耦合的部分越來越少，從 而使直線電機不能正常運動下去。為了保證在所需的行程范圍之內，初級與 次級之間的耦合能保持不變，實際應用時，初級與次級的長度要制造成不相 等的。事實上，在直線電機制造時，既可以是初級短、次級長，也可以是初 級長、次級短，見圖1 - 8 。前者稱作短初級長次級，后者稱為長初級短次級。 o 浙江大學碩士學位論文 幽里駕幽翼必 _ 一初級- a )短初級長次級b ) 長初級短次級 圖1 8 單邊型直線電機 圖1 8 中所示的直線電機僅在一邊安放初級，這樣的結構型式稱為單邊 型直線電機。這種結構的電機一個最大特點是在初級與次級之間存在很大的 法向吸力。一般這個法向吸力，在鋼次級時，若設計不當，會是推力的1 0 倍 以上，在大多數的場合下，這種法向吸力是不希望存在的。如果在次級的兩 邊都裝上初級，那么這個法向拉力可以相互抵消，這種結構型式被稱為雙邊 型直線電機，見圖1 9 。 圖1 9 雙邊型直線電機 上面介紹的直線電機都屬于扁平型直線電機，是目前應用最為廣泛的結 構形式。對于其它特殊方面的應用，除了上述扁平型直線電機的結構形式外， 直線電機還可以做成圓筒型( 也稱管型) 或盤型。 1 3 3 直線電機的分類 直線電機在不同的場合有不同的分類形式。例如在考慮外形結構時，往 往按結構形式將其進行分類；當考慮其功能用途時，則又按其功能用途進行 分類；而在分析或闡述電機的性能或機理時，則是按其工作原理進行分類。 下文就幾種主要分類形式簡單予以介紹。 浙江大學碩士學位論文 1 按結構形式分類 直線電機按其結構形式主要可分為扁平型、圓筒型( 或管型) 、圓弧型 和圓盤型四種。 所謂扁平型直線電機就是上文所主要介紹的，即為一種扁平的矩形結構 的直線電機，它有單邊型和雙邊型，每種形式下又分別有短初級長次級或長 初級短次級，上文已有介紹。 所謂圓筒型直線電機，即為一種外形如旋轉電機的圓柱形的直線電機， 如圖1 1 0 所示。這種直線電機一般均為短初級、長次級形式。在需要的場合， 我們還將這種電機做成既有旋轉運動又有直線運動的旋轉直線電機，至于旋 轉直線的運動體既可以是初級，也可以是次級。 初級 圖1 1 0 圓筒型直線電機 所謂圓弧型直線電機，就是將平板型直線電機的初級沿運動方向改成弧 型，并安放于圓柱形次級的柱面外側，如圖1 1 1 所示。 轉的圓盤 次級) 圖1 1 l 圓弧型直線電機 圖1 1 2 圓盤型直線電機 圓盤 ( 次級) 浙江大學碩士學位論文 所謂圓盤型直線電機，即該電機的次級是一個圓盤，不同形式的初級驅 動圓盤次級作圓周運動，如圖1 1 2 所示。其初級可以是單邊型，也可以是雙 邊型。 2 按功能用途分類 直線電機，特別是直線感應電機，按其功能用途主要可分為力電機、功 電機和能電機。 力電機主要用于在靜止物體上或低速的設備上麓加一定的推力的直線 電機。它以短時、低速運行為主，例如閥門的開閉，門窗的移動，機械手的 操作、推車等等。 功電機主要作為長期連續(xù)運行的直線電機，它的性能衡量的指標與旋轉 電機基本一樣，即可用效率、功率因數等指標來衡量其電機性能的優(yōu)劣。例 如高速磁浮列車用直線電機，各種高速運行的輸送線等。 能電機是指運動構件在短時間內所能產生的極高能量的驅動電機，它主 要是在短時間、短距離內提供巨大的直線運動能，例如導彈、魚雷的發(fā)射， 飛機的起飛以及沖擊、碰撞等試驗機的驅動等等。 3 按工作原理分類 從原理上講，每種旋轉電機都有與之相對應的直線電機，然而從使用角 度來看，直線電機得到了更廣泛的應用。直線電機按其工作原理可分為兩個 大的方面，即直線電機和直線驅動器，直線電機包括交流直線感應電機 ( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s ，簡稱l i m ) 、交流直線同步電機( l i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r s ，簡稱l s m ) 、直線直流電機( l i n e a rd cm o t o r s ，簡 稱l d m ) 和直線步進( 脈沖) 電機( l i n e a rs t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s ，簡 稱l p m ) 、混合式直線電機( l i n e a rh y b r i dm o t o r s ，簡稱l h m ) 等。直線驅 動器包括直線振蕩電機( l i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s ，簡稱l o m ) 、直線電 磁螺線管電機( l i n e a re 1 e c t r i cs o l e n o i d ，簡稱l e s ) 、直線電磁泵( l i n e a r e 1 e c t r o m a g n e t i cp u m p ，簡稱l e p ) 、直線超聲波電機( l i n e a ru l t r a s o n i c m o t o r s ，簡稱l u m ) 等。以上這些直線電機又可以分成許多不同的種類。 由于對直線感應電機的研究較早，電機結構簡單，堅固耐用，適應性強， 成本低，所以在各個領域首先獲得推廣應用。而隨著高性能永磁材料的發(fā)展 1 3 浙江大學碩士學位論文 和價格的降低，永磁同步直線電機在許多小功率設備中得到了廣泛應用，主 要是在各種設備中作為伺服驅動和精密較高的定位控制。 1 4 本文的主要內容 本文結合超導磁浮試驗線的項目要求，對所用的直線感應電機及其驅動 控制和渦流制動系統進行研究。主要內容涉及直線電機的分析、設計與電氣 控制、永磁渦流制動等方面。全文共分五章： 第一章：緒論，論述了課題的背景與意義，對磁浮列車和直線電機的發(fā) 展概況作了必要的介紹。 第二章：直線感應電機的結構設計與電氣參數分析。在本文中，考慮了 直線電機所特有的邊端效應，在旋轉異步電機的基礎上進行修正，得到直線 異步電機的等效電路，給出直線感應電機參數設計的公式，并針對項目要求 設計了直線電機。 第三章：超導磁浮試驗線驅動控制系統的設計。根據項目的要求，采用 改進的繼電接觸器控制方案。搭建電路產生兩路時間可調的脈沖信號，通過 繼電器控制接觸器的通斷，實現試驗車的啟動、運行及反接制動。 第四章：永磁渦流制動系統的分析與設計。介紹了永磁渦流制動的原理、 解析分析和有限元分析。采用有限元分析軟件a n s y s ，建立二維模型，得到 不同速度下的磁場分布和制動力，并對永磁渦流制動進行參數的優(yōu)化設計。 針對優(yōu)化結果，根據本課題的要求設計了一套永磁渦流制動系統。實驗結果 驗證了永磁渦流制動良好的制動效果，同時通過實測值與理論分析的比較可 以看出，有限元法比解析法在分析此問題上更具準確性與可行性。最后對水 平充磁、豎直充磁和h a l b a c h 陣列這三種不同的永磁體排列方式進行了比較， 得出h a l b a c h 陣列最具優(yōu)勢的結論。 第五章：結束語?？偨Y所做的工作，并對以后的工作進行了展望。 1 4 浙江大學碩j 學位論文 第二章直線感應電機的結構設計與電氣參數的分析 2 1 基本結構m 2 劬 扁平型直線感應電動機是目前應用最廣泛的一種直線感應電動機，由初 級和次級構成。由于短初級的制造成本和運行費用均比短次級的低待多，因 此一般常用短初級，而只有在特殊情況下才采用短次級。 ( i ) 初級 直線感應電機的初級相當于旋轉電機的定子沿圓周方向展開而得到的。 初級鐵心由硅鋼片疊成，表面開槽，三相交流繞組嵌景于槽內。 直線電機的初級繞組所起的作用與旋轉電機的定子繞組相當，它們都是 實現由電能向機械能轉換的重要部件之一。在電氣性能上，直線電機初級繞 組要求能承受額定電壓和電流，產生接近正弦分布的磁動勢，且有良好的導 電性能、足夠的絕緣強度、耐熱性、散熱能力以及一定的機械強度等。對于 一般要求的直線電機，可咀采用高強度聚酯漆包線作為導電材料，采用聚酯 薄膜復合青殼紙作為絕緣材料。電機的初級經過嵌線、浸漆、烘干之后便成 為堅固的整體，以滿足電氣性能的要求。此外，對于防潮、防腐有較高要求 的直線電機，可以把整個直線電機的初級用環(huán)氧樹胎封裝，以構成一個由環(huán) 氧樹脂密封的整體。為了使繞組端部安置方便，一般直線電機中均采用雙層 繞組，初級槽形選用半閉口的圓底槽。 但是，直線電機與旋轉電機最大的區(qū)別就在于前者的鐵心不像后者那樣 具有閉合圓環(huán)形狀，而是長直的，兩端開斷的鐵心，這就造成了數種邊端效 應，詳見下一節(jié)的分析。 ( i i ) 次級 直線感應電機的次級相當于旋轉電機的轉子沿圓周方向展開的。在直線 感應電機中常用的次級有三種。 第一種是整塊鋼板，稱為鋼次級或磁性次級。這時鋼既起到導磁的作用， 又起到導電作用，由于鋼的電阻率較大，故鋼次級的電磁性能較差。單邊型 鋼次級直線電機的初級和次級問還存在著較大的法向磁拉力，這個法向拉力 的大小通常為切向電磁推力的十倍左右，而如此大的法向拉力在大多數情況 下是無益的。但由于其結構特別簡單，常常可以利用原有的機械來充當次級， 浙江人學碩士學位論文 在某些情況下能夠得到應用。 第二種是單純的銅板( 或鋁板) ，稱為銅( 鋁) 次級或非磁性次級。這 種次級一般用于雙邊型電機，在單邊型電機中用得較少。值得注意的是，當 復合次級的銅板厚度大于2 m m 或鋁板厚度大于4 m m 時，復合次級結構在設計時 可以作為非磁性次級來計算。 第三神為鋼板上復合一層銅板( 或鋁板) ，稱為鋼銅( 或鋼鋁) 復合次 級。在復合次級中，鋼主要用于導磁，而導電主要靠銅或鋁。經研究表明， 復合次級直線電機的性能優(yōu)與鋼次級直線電機，逐漸成為直線感應電機的基 本結構形式。 ( 1 i i ) 氣隙 為了保證在長距離運動中，初、次級不致于相擦，直線電機的氣隙通常 比旋轉電機的大得多。對于復合次級來說，由于銅或鋁等非導磁材料的導磁 性能和空氣相同，在磁路計算時，銅板或鋁板的厚度要歸并到氣隙之中，這 個總的氣隙稱為電磁氣隙。( 為了區(qū)分起見，單純的空氣氣隙稱為機械氣隙。) 2 2 直線感應電機的邊端效應0 1 直線電機與旋轉電機有相似之處，即當直線電機的初級繞組通入三相對 稱交流電流后，便會在氣隙中產生與旋轉磁場類似的沿直線方向移動的行波 磁場，次級在此磁場的作用下將產生定向的直線運動。但是，直線電機又與 旋轉電機有所不同，因為前者的鐵心不像后者那樣具有閉合的圓環(huán)形狀，而 是長直的、兩端開斷的鐵心。由于鐵心及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)， 所以各相之間的互感就不相等，因此即使在初級繞組上供給三相對稱的交流 電壓，在各相繞組中也將產生不對稱的電流。利用對稱分量法可以把它們分 解成順序、逆序和零序電流。對應這三種電流將有三類磁場，即順序正向行 波磁場，逆序反向行波磁場和零序脈振磁場。后兩類磁場在次級運行過程中 將產生阻力和增加附加損耗。退一步講，即使采取一些附加措施，使三相電 流對稱，而直線電機由于鐵心開斷仍然會產生相對于初級不移動的脈振磁 場。上述由于鐵心開斷而引起的各相繞組互感不相等以及在氣隙中出現脈振 磁場和反向行波磁場的效應，不論是否考慮次級的反作用，都是存在的，我 1 6 浙江人學碩士學位論文 們稱它為第一類縱向邊端效應( 靜態(tài)縱向邊端效應) 。所謂縱向，是指磁場 移動的方向。另方面，當短初級直線電機的次級導體板( 用整塊導體板制 作的次級) 相對于初級運動時，在初級的進入端和離開端還會產生磁場畸變， 這是由于次級導體板中的渦流使進入端的磁場削弱、離開端的磁場加強所 致。這種類型的磁場畸變稱為第二類縱向邊端效應( 動態(tài)縱向邊端效應) 。 此外，在扁平型直線電機中，當電磁氣隙與初級鐵心寬度的比值較大，而次 級寬度又等于初級鐵心寬度時，則不論是否存在次級的反作用，都必須考慮 橫向( 即順著槽的方向) 邊緣處磁場的削弱。這種效應稱為第一類橫向邊端 效應。 對于一般直線電機，電磁氣隙與初級鐵心寬度的比值較小，次級寬度又 大于初級鐵心寬度，第一類橫向邊端效應可以不必考慮。當存在次級導體板 的反作用時，橫向磁場的分布還受到次級導體板寬度及其電導率的影響，此 時的橫向磁場分布的不均勻稱為第二類橫向邊端效應。 直線電機的特性計算方法和設計方法都與縱向和橫向邊端效應的分析 研究密切相關，而縱向和橫向邊端效應影響的大小又與氣隙磁場密切相關。 2 3 直線感應電機的等效電路瞳 蚰 等效電路是感應電動機運行分析和電磁計算的重要工具，對直線感應電 機同樣也是如此。在不考慮直線感應電機的橫向邊緣效應和縱向邊緣效應 時，可以使用與旋轉感應電機相同的等效電路，如圖2 1 。 圖2 1 旋轉異步電機的等效電路圖 浙江大學碩士學位論文 圖中e 和五是初級繞組的電阻和漏抗，瓦是勵磁電抗，是等效鐵損 耗的電阻，砭和蔓是折算到初級側的次級電阻和漏抗。但如果計及第二類 縱、橫邊緣效應，要直接導出并聯等效電路是困難的，卻可以直接導出串聯 等效電路。在計算電機的特性時，如果不需要直接計算次級電流，采用串聯 等效電路比并聯等值電路更方便。因此，在這里我們選用串聯等效電路，如 圖2 2 。 圖2 2 直線感應電機的串聯等效電路 屹= 等 ，屹= ( 2 1 ) 1 + o 爭) 2 。南 2 ) 1 + 0 爭) 2 相同的，只是將兄替換咒。，置替換置。 浙江大學碩士學位論文 復電磁功率 冠砜馳d 口一甕) 冷恥+ d 口+ s g d i 警 s e = m i i ；0 r e + j x j ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，g 稱為品質因數，g = 二： 心 k ，稱為橫向邊緣效應復電磁功率系數，可以查表得到； 見，d ，稱為縱向邊緣效應復電磁功率系數，亦可查表得到。 這樣，在得到以上參數后，就可以用考慮邊端效應后的等效電路進行直 線電機的運行分析，即計算各個電磁參數。 2 4 電磁參數的計算 為了在設計時能夠準確地計算電機的運行性能， 要的。下面結合旋轉感應電機理論，參照文獻 2 ， 算公式。 初級電流： 2 面瓦高 功率因數： c o s 妒2 而番赫 輸入功率： 弓= 鉑u c o s 妒 電磁功率： 0 = m t i ；r ， 1 9 等效參數的計算是很重 給出各個電磁參數的計 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 浙江大學碩： ：學位論文 初級銅損耗 電磁推力 吃。= 州1 耳置 f = m l i ：r k p q 七d f ， 初級繞組的相電阻 兄：三業(yè) q 焉 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中：、p 、q 、與一一初級繞組每相的串聯匝數、線圈平均半 匝長度、導線電阻率、并聯支路數、導線截面積。 勵磁電抗： x 。 4 風( 彬k 。) 2 硒：k 。p ( 2 1 4 ) 式中：f 、厶、彤、b 。、k 、p 一一定子極距、初級鐵心有效疊厚、 初級繞組每相串聯匝數、初級繞組系數、磁場飽和系數、定子極對數。 初級繞組總漏抗： 墨_ 0 1 5 8 吉志( 急) 2 去( 乃+ 乃+ 屯+ 五) + 以 ( 2 1 5 ) 式中：砭一一雙邊型取2 ，單邊型取1 ； 吼一一初級每極每相槽數( 單邊) 。 槽漏磁導系數： 墮 扣每+ 格+ 奇) ( 2 - 1 6 ) 弘嚼+ 吾c 爭2 c z 州， 諧波漏磁導系數： 2 0 浙江大學碩士學位論文 乃= 篾( 1 + ( 摯2 ( 2 _ 1 8 ) 繞組端部漏磁導系數： 也= o 3 4 孚 ( 2 + 2 d ) 一o 6 4 y ，嵋k ，】2 ( 2 一1 9 ) 齒端漏磁導系數： 五2 囂 心1 氣隙磁場基波漏抗： 對于雙邊型以：( c 。s h ( 婺) 一1 ) 瓦 ( 2 2 1 ) z f 對于單邊型以= c 。s h ( 等) c 。s h ( 籌) 】j 乙 ( 2 2 2 ) 式中：6 0 、6 l 、6 2 、 、一一槽口寬度和高度參數； k 一一查表所得； k 。一一初級繞組短距系數。 2 5 主要尺寸和電磁負荷的選擇乜3 我們知道，在進行旋轉電機設計時，為要按照預定的要求合理地確定電 機各部分的尺寸，總是首先確定電樞的直徑d 和有效長度0 。這是由于電機 所能傳遞的電磁功率與d 2 0 成正比，為了保證電機能正常地傳遞預定的電磁 功率，d 與。這兩個尺寸是最重要的。從這兩個尺寸出發(fā)，我們就可以有的 放矢地進行設計方案的選擇，因此通常把這兩個尺寸稱為旋轉電機的主要尺 寸。同理，在進行直線電機設計時，我們可以把初級鐵心的極距f 和有效橫 向寬度作為主要尺寸，這是由于直線電機所能傳遞的電磁功率與2 p r 2 如成 正比。 電磁負荷，也就是電負荷和磁負荷。所謂電負荷或線負荷( 以一表示) 浙江人學碩十學位論文 是指在額定負載下初級表面沿縱向單位長度的安培導體數，即每米的總安培 數。對于雙邊型直線電機，電負荷是指兩邊之和。所謂磁負荷是指氣隙中等 效基波磁通密度的幅值b 。，。之所以要引入這個等效基波磁通密度，是由于 在直線電機中氣隙磁密分布較為復雜，縱向和橫向邊端效應造成了磁場的畸 變，為了便于分析，可用等效氣隙磁通密度來代替實際的磁通密度。 接下來，以單邊扁平型非磁性次級直線電機為例來說明直線感應電機主 要尺寸與電磁負荷之間的關系。 只= 仉m l u l ，lc o s 妒 ( 2 2 3 ) 若令 e l = ( 1 一吼) u ( 2 2 4 ) 則 只：型塑 ( 2 2 5 ) 5 ( 1 一氣) 式中：( 1 一龜) 稱為壓降系數，在直線電機中，此值約為o 3 5 0 8 5 ，通 常，f 與坑的比值愈大，則( 1 一氣) 愈大。 根據電負荷4 的定義，可得： a ：塑堡璺塞墮量堡塑：三墊! ! 生：當蘭量( 2 2 6 ) 1 2 p f2 p rp r 由上式移項得： ：旦生( 2 2 7 ) m 1w 1 根據每相繞組感應電動勢的公式可得： 巨= 4 4 4 鼽k 1 ( 二b 訂5 ) ( 2 2 8 ) 式中：k 。初級繞組的基波繞組系數。 把式( 2 2 7 ) 及( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 5 ) ，經移項整理得： z 以2 面篆 一z 。， 浙江大學碩士學位論文 由上式可見，對于一定的同步功率，4 和乓，選得愈大，電機的尺寸就 愈小，對于電機制造來講是經濟的。但是4 和易，并不能無限地提高，因為4 太高，則會使用銅量及電阻損耗增加，于是效率下降，發(fā)熱嚴重；眈，太高， 會使電機的鐵耗增加，功率因數下降。 在直線電機中，電負荷4 的選擇，應視初級繞組的散熱條件及運行狀態(tài) 而定。對于散熱條件較好或間歇運行的電機，一可取較大的值；對于散熱條 件較差或連續(xù)運行的電機，a 應取較小的值。通常，對于單邊型間歇工作的 電機，爿。可取5 1 0 4 安米左右；對于雙邊型間歇工作的電機，爿。則取 1 0 5 安米左右。 關于磁負荷的選擇，由于直線電機的電磁氣隙通常比旋轉電機大，為了 減小勵磁電流，提高功率因數，通常b 。選用較低的值。電磁氣隙愈大，喀， 值愈低。對于非磁性次級，易?？扇 1 0 o 3 5 韋米2 ，電磁氣隙小而極距大 的電機，取較大的值，反之，則取較小的值。 總之，電磁負荷選擇時要考慮的因數很多，很難單純從理論上來確定。 通常主要參考電機工業(yè)長期積累的經驗數據，并分析對比設計電機與已有電 機之間在使用材料、結構、技術要求等方面的異同后進行選取。電機工業(yè)的 發(fā)展歷史表明，隨著材料，特別是電工材料性能、冷卻條件和電機結構的不 斷改進，電機的利用系數和一，、b 。的數值一直在逐步提高，從而使電機的 體積和重量不斷減小，而性能指標仍可以得到保證。 浙江大學碩十學位論文 2 6 超導磁浮試驗線用直線電機的設計 根據項目的要求，對所設計的扁平型直線感應電機的要求有： 型號