高速磁懸浮列車電磁場的模擬計算

1、高速磁懸浮列車電磁場的模擬計算        陳棣湘 潘孟春 羅飛路 田武剛 胡媛媛 摘要:采用有限元法研究了高速磁懸浮列車的懸浮和推進(jìn)電磁場,重點研究了車輛在不同運行條件下懸浮力和推力的變化,并得出了經(jīng)驗公式。分析和結(jié)果表明,懸浮力和推力的大小與功角有關(guān),并且由于定子齒槽和材料不連續(xù)的影響,懸浮力和推力都存在六倍頻的波動。關(guān)鍵詞:磁懸浮列車;直線同步電機;電磁場分析;有限元法;模擬計算       常導(dǎo)高速吸浮型磁懸浮列車是一個典型的直線同步電機對象,

2、而且又有別于一般的直線同步電機。其長定子軌道上的初級線圈采用三相交流激磁, 懸浮電磁鐵上的次級線圈采用直流激磁, 而且次級磁極上也有齒槽,用于設(shè)置發(fā)電繞組,因此其磁場分布極為復(fù)雜。其懸浮力和推力不僅受到轉(zhuǎn)子電流、定子電流和氣隙寬度的影響,而且受到定子齒槽、發(fā)電齒槽、功角等因素的影響, 因此深入分析懸浮力和推力與這些因素的關(guān)系對于保證懸浮和推進(jìn)的可靠性有著十分重要的意義。盡管國內(nèi)外學(xué)者圖1 常導(dǎo)高速磁懸浮列車中直線同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖對于直線同步電機的磁場分布已作了許多Fig. 1 The structure diagram of linear synchronous motor in 研究 5

3、 ,但是對于高速磁懸浮列車電磁場normal conducted high speed magnetic levitation vehicle 分布的系統(tǒng)研究尚未見到詳細(xì)的報道。為此我們應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS , 從分析氣隙磁場的分布入手,采用空間離散手段,對常導(dǎo)高速磁懸浮列車的電磁場進(jìn)行了比較全面的分析和計算,獲得了一些與報道和以往試驗數(shù)據(jù)相符的結(jié)果1 。1 常導(dǎo)吸浮型高速磁懸浮列車中直線同步電機的結(jié)構(gòu)      常導(dǎo)磁懸浮列車所用的直線同步電機的結(jié)構(gòu)如圖1 , 它屬于單邊長定子直線同步凸極電動機。長定子由地面上的軌道構(gòu)成,轉(zhuǎn)子由車

4、載電磁鐵構(gòu)成。轉(zhuǎn)子繞組中加有直流電流,形成懸浮磁場,與定子作用產(chǎn)生懸浮力。而長定子繞組中通有三相交流電,形成行波磁場與車載電磁鐵的磁極相互作用,從而產(chǎn)生推力1 。2 有限元模型的建立      所研究磁懸浮列車的每節(jié)車廂上有7 個懸浮電磁鐵組合,分布在車廂的兩側(cè)。每個懸浮電磁鐵組合由6 對懸浮電磁鐵構(gòu)成。定子(軌道) 的厚度為90mm , 極距 = 258mm 。定子軌道上的線圈匝數(shù)為1 , 通三相交流電;懸浮電磁鐵上的線圈匝數(shù)為270 , 通直流電。由于在實際情況中,定子(軌道) 的長度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子(懸浮電磁鐵) 的長度,并且定子(軌道) 和轉(zhuǎn)

5、子(懸浮電磁鐵) 沿垂直于車輛運動方向( z 方向) 的每一橫截面的形狀均相同,因此我們采用2-D 長定子模型進(jìn)行分析。      分析常導(dǎo)高速磁懸浮列車電磁場時,既要模擬恒定磁場,又要模擬時變磁場,這是特別困難的。而且由于定子和轉(zhuǎn)子上均有齒槽,材料不具有連續(xù)性,定子和轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)到不同位置時磁路結(jié)構(gòu)不同,磁場分布也不相同。為了在有限元分析中體現(xiàn)出這種不同,我們采用了空間離散的方法,即通過離散電機轉(zhuǎn)子的位置,建立若干個不同位置的模型進(jìn)行分析。只要相鄰模型之間位置的差距足夠小,這種方法的精度就足夠高。此時每個模型內(nèi)的磁場都可以看成是恒定磁場。在分析過

6、程中,通過設(shè)定周期性邊界條件克服了直線電機的縱向邊端效應(yīng)的影響,并且對于每極槽數(shù)為整數(shù)的直線同步電動機來說,由于其結(jié)構(gòu)具有對稱性,轉(zhuǎn)子模擬一對磁極就可以了。3 結(jié)論3. 1 磁感應(yīng)強度的分布情況      如圖2 、圖3 中,圖中幅值大者為垂直分量B Y , 幅值小者為水平分量B X 。從圖中可以看出,齒槽的存在對磁感應(yīng)強度的分布影響很大。該結(jié)論已得到實驗驗證,詳細(xì)情況將在后續(xù)文章中介紹。 圖2 沒有齒槽時氣隙中央的磁感應(yīng)強度分布圖3 有齒槽時氣隙中央的磁感應(yīng)強度分布1      &#

7、160;  3. 2 功角對推力和懸浮力的影響5         從圖4 中可以看出,推力在功角為90°時取得最大值,懸浮力在90°時取得平均值。3. 3 電磁力的波動情況24 圖5 、圖6 中表示的是一個周期內(nèi)(0. 02s) 懸浮力和推力的波動情況,從圖中可以明顯地看到六倍頻  圖4 推力和懸浮力隨功角的變化情況的波動。  圖5 懸浮力的結(jié)果圖         &

8、#160;                   圖 6 推力的計算結(jié)果3. 4 不同運行條件下電磁力計算的經(jīng)驗公式      當(dāng)氣隙寬度在6mm 至14mm 、定子電流在600A 至1400A 、轉(zhuǎn)子電流在14A 至30A 范圍內(nèi)變化時,采用有限元方法對多個模型進(jìn)行了電磁場的分析和電磁力的計算,并采用最小二乘法對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得出了不同運行條件下電磁力計算的經(jīng)

9、驗公式(針對一對懸浮電磁鐵): 2FX = (-3. 27 x 3 + 130. 08 x-1880. 58 x + 11852. 2) ·(407. 29 y 3 -1138. 96 y 2 + 3743. 75 y-218. 2) · (0. 014 z 3 -0. 928 z 2 + 150. 24 z-197. 09)/ 27962 (1) 22FY= (-167. 41x 3 + 6413. 73x-85566. 6 x + 426015) ·(-83. 33y 3 + 1695. 83 y-205. 83y + 44154) · 2(-0.

10、043 z 3 + 87. 95 z+ 76. 08 z + 866. 72)/ 451432 (2) 式中FX 代表推力(單位:N/ m) , FY 代表懸浮力(單位:N/ m) , x 代表氣隙寬度(單位:mm) , y 代表定子電流(單位:kA) , z 代表轉(zhuǎn)子電流(單位:A) 。      利用該經(jīng)驗公式得到的電磁力的計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果之間的平均誤差小于2 % , 可為電磁力的工程計算提供重要依據(jù)。 : 1 MeinsJ , Miller L , Mayer M J . The High Speed Maglev Transportation System TransrapidJ . IEEE Trans.on Magnetics ,1998 ,24(2):808 811. 2 李慶雷,王先逵,等. 永磁同步直線電機推力及垂直力的有限元計算J . 清華大學(xué)學(xué)報(版) ,2000 ,5 :20