曾欣欣

(北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司 長沙分公司，長沙 410073)

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單邊直線感應(yīng)電機(jī)復(fù)合次級(jí)對(duì)牽引力影響

曾欣欣

(北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司 長沙分公司，長沙 410073)

單邊直線感應(yīng)電機(jī)通常采用復(fù)合次級(jí)來提供較大的牽引力和較小的法向力。通過對(duì)單邊直線感應(yīng)電機(jī)牽引力計(jì)算公式的分析，找到復(fù)合次級(jí)與牽引力的關(guān)系，提出一種能提高電機(jī)效率的多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案。該方案通過改變次級(jí)鋁板厚度來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行速度下的最大牽引力。采用有限元仿真出次級(jí)軛鐵、次級(jí)鋁板對(duì)牽引力的影響，仿真出多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案提供的最大牽引力，并與固定復(fù)合次級(jí)方案進(jìn)行比較，驗(yàn)證多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案的優(yōu)越性。

單邊直線感應(yīng)電機(jī)；復(fù)合次級(jí)；多階段變化次級(jí)鋁板厚度；有限元仿真

0 引 言

單邊直線感應(yīng)電機(jī)采用單一次級(jí)難以在牽引力和法向力之間取到理想值，因此需要復(fù)合次級(jí)來提供較大的牽引力和較小的法向力。

通常復(fù)合次級(jí)選用強(qiáng)導(dǎo)磁材料和強(qiáng)導(dǎo)電材料組合，接近氣隙一側(cè)用強(qiáng)導(dǎo)電材料來加強(qiáng)感應(yīng)電流的產(chǎn)生和流動(dòng)，下部用強(qiáng)導(dǎo)磁材料來增強(qiáng)磁場強(qiáng)度。

本文通過單邊直線感應(yīng)電機(jī)牽引力計(jì)算公式分析復(fù)合次級(jí)對(duì)牽引力的影響，找到各種運(yùn)行速度下產(chǎn)生最大牽引力的復(fù)合次級(jí)構(gòu)成，并通過有限元仿真驗(yàn)證，提出一種更能提高電機(jī)效率的多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案。

1 單邊直線感應(yīng)電機(jī)

1.1 單邊直線感應(yīng)電機(jī)原理

單邊直線感應(yīng)電機(jī)由初級(jí)鐵心、電機(jī)繞組、次級(jí)鋁板、次級(jí)軛鐵組成，如圖1所示。當(dāng)電機(jī)繞組中三相正弦電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場將朝一個(gè)方向進(jìn)行直線移動(dòng)，從而使電機(jī)次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并產(chǎn)生電流。電機(jī)次級(jí)中的電流與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，即磁浮列車的牽引力。

圖1 單邊直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

復(fù)合次級(jí)由次級(jí)鋁板、次級(jí)軛鐵組成，鋁為強(qiáng)導(dǎo)電材料，鐵為強(qiáng)導(dǎo)磁材料，它們共同提供感應(yīng)電動(dòng)勢。

1.2 單邊直線感應(yīng)電機(jī)牽引力分析

根據(jù)直線感應(yīng)電機(jī)牽引力計(jì)算公式：

(1)

(2)

現(xiàn)提出多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案：在不同電機(jī)運(yùn)行速度條件下，采用不同的次級(jí)鋁板厚度。根據(jù)直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行速度的增加，可將復(fù)合次級(jí)鋁板厚度逐漸增加從而保持電機(jī)最大牽引力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效率運(yùn)行，減小能耗。

2 有限元仿真分析

以中低速磁浮列車用牽引直線電機(jī)為例：該單邊直線感應(yīng)電機(jī)為三相繞組供電，每相24路繞組線圈，電機(jī)極距為202.5mm，電機(jī)氣隙為13mm，電機(jī)長1 800mm；線路F軌道次級(jí)鋁板厚4mm，次級(jí)軛鐵厚36mm，電機(jī)寬220mm；牽引方式采用恒轉(zhuǎn)差頻率控制，牽引恒轉(zhuǎn)差頻率13.5Hz。采用AnsoftMaxwell建立模型如圖2所示。

圖2 單邊直線感應(yīng)電機(jī)模型

2.1 次級(jí)軛鐵對(duì)牽引力影響

根據(jù)次級(jí)軛鐵有效厚度tFe與牽引力變化規(guī)律，設(shè)定電機(jī)速度0km/h、供電電壓三相440V、次級(jí)鋁板厚度4mm定值，仿真次級(jí)軛鐵厚度從0～40mm每4mm遞增一次，變化曲線如圖3所示。

圖3 次級(jí)軛鐵厚度-牽引力曲線圖

牽引力隨著次級(jí)軛鐵厚度增加而增大，當(dāng)次級(jí)軛鐵厚度為10mm時(shí)有最大牽引力，然后慢慢減??；當(dāng)次級(jí)軛鐵厚度大于14mm時(shí)由于有效次級(jí)厚度不變，因此產(chǎn)生的牽引力也恒定不變。

2.2 次級(jí)鋁板對(duì)牽引力影響

根據(jù)次級(jí)軛鐵的仿真結(jié)果取最大牽引力時(shí)有效次級(jí)軛鐵厚度10mm定值，仿真次級(jí)鋁板厚度從0～8mm每1mm遞增一次，變化曲線如圖4所示。

圖4 次級(jí)鋁板厚度-牽引力曲線圖

牽引力隨著次級(jí)鋁板厚度增加而增大，當(dāng)次級(jí)鋁板厚度為3mm時(shí)有最大牽引力，然后慢慢減小；因?yàn)榇渭?jí)鋁板厚度8mm小于有效次級(jí)厚度，因此牽引力不會(huì)出現(xiàn)恒定值。

2.3 多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案仿真

根據(jù)軌道次級(jí)軛鐵厚度為36mm定值，分別對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度0～100km/h每10km/h進(jìn)行一次建模仿真，通過改變次級(jí)鋁板厚度來找到各種運(yùn)行速度下最大牽引力產(chǎn)生點(diǎn)，并與固定復(fù)合次級(jí)電機(jī)做比較。

電機(jī)選擇S1線中低速磁浮列車單邊直線電機(jī)，牽引控制方案如表1所示。

表1 牽引控制方案

次級(jí)鋁板厚度3mm，次級(jí)軛鐵厚度36mm，運(yùn)行速度0～100km/h，牽引力仿真結(jié)果如表2所示。

次級(jí)軛鐵厚度36 mm，運(yùn)行速度0～100 km/h，多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案仿真結(jié)果如表3所示。

表3 多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案仿真

對(duì)比表2、表3可發(fā)現(xiàn)，在次級(jí)軛鐵36 mm時(shí)產(chǎn)生最大牽引力的次級(jí)鋁板厚度均小于3 mm，并隨著電機(jī)運(yùn)行速度的增大，產(chǎn)生最大牽引力的次級(jí)鋁板厚度也增加，兩種條件下牽引力對(duì)比曲線如圖5所示。

圖5 兩種牽引力對(duì)比曲線圖

根據(jù)電機(jī)運(yùn)行速度的變化采用多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案能保證電機(jī)提供最大牽引力，從而提高電機(jī)功率。

2.4 多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案實(shí)現(xiàn)

單邊直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)一般有加速段、勻速段、減速段三種情況：

設(shè)加速段0～100 km/h，加速距離40 m，根據(jù)表3每4 m設(shè)定一個(gè)次級(jí)鋁板厚度，從1.5 mm增至2.6 mm，從而組合成一個(gè)加速軌道段。

勻速段根據(jù)電機(jī)運(yùn)行速度，選擇該速度條件下的次級(jí)鋁板厚度制作成勻速軌道段。

減速段和加速段剛好相反，設(shè)運(yùn)行速度100～0 km/h，減速距離40 m，則次級(jí)鋁板厚度每4 m減少一個(gè)梯度從2.6 mm減至1.5 mm，構(gòu)成一個(gè)減速軌道段。

由于相鄰兩個(gè)梯度之間次級(jí)鋁板厚度相差只有0.1 mm，并且電機(jī)運(yùn)行時(shí)是從一個(gè)梯度逐漸進(jìn)入另一個(gè)梯度的，因此感應(yīng)次級(jí)上的感應(yīng)磁場強(qiáng)度變化平滑，電機(jī)牽引力也是逐漸增大或減小。

3 結(jié) 語

通過對(duì)單邊直線感應(yīng)電機(jī)牽引力計(jì)算公式的進(jìn)一步分析，找到復(fù)合次級(jí)對(duì)電機(jī)牽引力的影響規(guī)律；采用有限元仿真出次級(jí)軛鐵、次級(jí)鋁板對(duì)牽引力的影響，找到一種改變次級(jí)鋁板來實(shí)現(xiàn)電機(jī)最大牽引力的多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案，并且仿真驗(yàn)證。有以下基本結(jié)論：

(1)復(fù)合次級(jí)結(jié)構(gòu)中次級(jí)軛鐵厚度剛開始增加時(shí)可以增大牽引力，當(dāng)達(dá)到最大牽引力時(shí)再增加次級(jí)軛鐵厚度便會(huì)減小牽引力，次級(jí)軛鐵增加大于有效次級(jí)厚度時(shí)不會(huì)影響牽引力大小。

(2)復(fù)合次級(jí)結(jié)構(gòu)中次級(jí)鋁板厚度增加會(huì)使?fàn)恳ο仍龃蠛鬁p小，因此要保持電機(jī)最大牽引力需計(jì)算出最大牽引力時(shí)刻次級(jí)鋁板的厚度值。

(3)采用多階段變化次級(jí)鋁板厚度方案所提供的牽引力大于固定復(fù)合次級(jí)所提供的牽引力，這種方法可用于有速度控制的直線感應(yīng)電機(jī)領(lǐng)域如軌道交通，可根據(jù)列車運(yùn)行區(qū)域速度要求建立不同次級(jí)鋁板厚度的運(yùn)行軌道，這既不會(huì)增加成本又能提高電機(jī)效率、減少能耗。

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The Influence of the Composite Secondary on the Traction Force of the Single-Side Linear Induction Motor

ZENGXin-xin

(Beijing Maglev Technology Company,Changsha Branch,Changsha 410073, China)

Single-side linear induction motor provide large traction force and the smaller normal force by composite secondary. Through the analysis of the calculation formula of the traction force of the single-side linear induction motor, the relationship between the composite secondary and the traction force was found. A new method for improving the efficiency of multi - phase change of secondary aluminum plate can change the thickness of the secondary aluminum plate to achieve the maximum traction force of various operating speeds. Using finite element the effect of the secondary iron yoke, secondary aluminum on the traction force was simulated, and the maximum traction force provided by multi stage changes of secondary aluminum thickness was also simulated. The advantages of the multi stage changes of secondary aluminum thickness were verified by comparing with the fixed composite secondary.

single-side linear induction motor; composite secondary; multi stage changes of secondary aluminum thickness; finite element simulation

2015-09-18

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012BAG-07B01)

TM359.4

A

1004-7018(2016)08-0032-03

曾欣欣(1983-)，男，碩士研究生，電氣工程師，從事磁懸浮列車研究工作。