地鐵用直線感應電機的研究-

1、北京交通大學碩士學位論文地鐵用直線感應電機的研究姓名:郭慧浩申請學位級別:碩士專業(yè):電力系統(tǒng)及其自動化指導教師:范瑜20060201 的地鐵車輛成為科技界、工業(yè)界的追求。在這種形勢下,直線電機驅動的地鐵車輛走上了歷史舞臺。直線電機驅動的地鐵車輛的優(yōu)點,早已引起了國外專家的重視,在國外直線電機車輛已有近20年的運營歷史。我國在直線電機電傳動方面研究起步比較晚,國外的成功的例子,值得我們借鑒。我國正在建設的廣州地鐵四號、五號線首次采用直線感應電機運載系統(tǒng),首都機場軌道交通線也將采用直線電機車輛。我國一貫采取集成創(chuàng)新與引進,消化、吸收再創(chuàng)新相結合的技術路線。因此對直線電機,特別是直線感應電動機進行研

2、究,對今后的國產(chǎn)化具有重要的意義。本文所做的工作正是廣州地鐵總公司委托項目“直線感應電機及其電傳動系統(tǒng)研究”的一部分。1.2直線感應電機工作原理直線感應電機可以視為一臺旋轉電機沿半徑方向切開而展平的感應電機,其運動方式由旋轉變?yōu)橹本€運動,如圖卜1所示。 圖卜1旋轉電機展開為直線電機示意圖FigIlrcl-l If眥ginafy process0f硼_r0ing a conven曲nalmotor to obtain a linear incluction motor直線電機與旋轉電機的定子側對應的一側稱為初級,與轉予側對應北京交通大學碩士論文的一側稱為次級。直線感應電機驅動有兩種方式,即可以次

3、級運動,也可以固定次級,讓初級運動。無論哪種方式,都必須將固定的一側做的足夠長,以保證在整個運動范圍內初、次級間保持不變的耦合關系。對于采用直線電機的軌道交通車輛來說,普遍采用的是短定子直線感應電機,即把定子繞組安裝在車輛轉向架上,長轉子安裝在軌道中間的導軌上(常把轉子稱為感應軌或反作用板,見圖卜2。它的優(yōu)點是包括轉子在內的軌道結構簡單,造價低。另一種是長定子繞組安裝在地面上,轉子安裝在車上,它的優(yōu)點是不需要給車輛受流,適合高速運行,但包含定子的軌道結構太復雜,不適合應于中低速、低成本的城市軌道交通。 圖卜2輪軌系統(tǒng)用直線感應電機(短初級Figurcl_2shoftp血ary uM iwhed

4、-0n-ran transportation systems 直線感應電機產(chǎn)生推進力的原理和旋轉感應電機產(chǎn)生轉矩的原理一樣。安裝在地鐵車輛轉向架上的直線感應電機在前進方向產(chǎn)生移動的磁場,與該磁場相對的地面位置上放著相當于二次側線圈的反作用板,在其中產(chǎn)生二次電流(渦流,由該二次電流切割磁場而產(chǎn)生的力就是反作用力,它使轉向架側的直線電機獲得推進力。這種驅動方式的最大特點是驅動力不再受輪、軌粘著的限制,而取決于該定子、轉子系統(tǒng)的電磁性能,因而是一種非粘著驅動方式。 單邊直線感應電動機主要包括鋼次級單邊直線感應電動機和復合次級單邊直線感應電機。根據(jù)初、次級長度的不同,扁平型直線感應電機又可分為短初級和

5、短次級兩類。一般來說,短初級電機的制造成本和運行成本,比短次級電機要低的多,所以目前的地鐵車輛普遍采用的短初級單邊型直線感應電機,如圖2.3所示。圖2.3中,電機的次級(反作用板由導磁體鐵和非導磁體鋁(或銅兩部分組成。鋁板覆在鐵板上面,主要起導電作用,下面的鐵板主要起導磁作用。圖2-4給出了這種電機的初級(定子結構。 圖23輪軌交通用直線感應電機截面圖Fjgurc23Cfoss-section of UM for whcd_0n.mn虹aI塔pona曲n system 圖24直線感應電機定子結構圖Fig吡e“thenfiglI翔廿0n Of the p血nary of UM直線感應電機雖然與旋

6、轉感應電機工作原理相同,但因為其定轉子結構的變化,與旋轉感應電機有很多不同的地方。最主要的不同是,直線感應電機的鐵心在磁場移動的方向上是開斷的,長度也是有限的,它不像旋轉電機那樣有閉合的圓環(huán)狀態(tài)。直線感應電機定轉子結構的特殊性,導致其存在縱向邊端效應和橫向邊端效應,這造成電機氣隙中移動磁場的畸變,造成電機出力減小和損耗增加。有關電機的邊端效應將在下節(jié)介紹。另外,定子結構的變化,也使得直線感應電機的各相繞組阻抗不對稱。下面有必要對直線感應電機的繞組作一介紹。2.1.2直線感應電機的繞組形式直線感應電機的繞組形式和旋轉感應電機一樣,也分為單層繞組和雙層繞組兩種,其極數(shù)可為奇數(shù)也可以為偶數(shù),但偶數(shù)極

7、更為常用。圖2.5所示為單層繞組。單層繞組分為單層同心式繞組、單層鏈式繞組。雙層繞組是直線電機中常用的一種形式。與單層同心式繞組相比,具有線圈端部排列整齊的優(yōu)點,且可以選擇適當?shù)亩叹嘁韵魅醮艅莸母叽沃C波。 表21直線感應電機主要參數(shù)(續(xù)初級寬度咖290每極每相槽數(shù)3齒距珊32槽寬mm23槽深IIn100線圈匝數(shù)5每極串連匝數(shù)90機械氣隙哪!5次級鋁板厚度咖5次級鐵軛厚度衄25反應板寬度珊300現(xiàn)對主要分析過程簡述如下:(1建立模型根據(jù)上述表中的電機結構尺寸,在Anft的2D modeler繪圖窗體下畫出電機的幾何構造,如圖212。 圖212ANs0FT Maxwel l2D下直線感應電機的模型

8、Hgure2-12Modcl ofUM desi驢ed by Maxwen2D(2定義電機材料物理性質對電機的各部分材料給予定義,如繞組選擇銅材質,定子選擇電工硅鋼片,反應板為鋁,下層為鐵。Ansoft的材料庫里自帶了幾乎所有的電機用材料。ANsOFT的材料庫中幾乎自帶所有電機常用的材料,因此一般情況下只需選擇就可以了。(3定義電源及邊界條件可以對電機旋加三相電壓,可以加以三相恒定電流。因為直線感應電機的三相電流實際上有略微的不對稱,所以加電壓源所計算出的結果會更符合實際,這里按照表中的額定電壓給定。(4網(wǎng)格分割網(wǎng)格分割可把所建立的直線感應電機模型分割成矩形或三角形。這里選用通常的三角形網(wǎng)格。

9、由于ANSOFT的有自動網(wǎng)格分割的功能,網(wǎng)格參數(shù)設定后,ANsOFr會依據(jù)所設計參數(shù)分割網(wǎng)格,參數(shù)設定得適宜時網(wǎng)格品質好,若分析的網(wǎng)格不佳時需要重新設計參數(shù)以增加分析的精確度。當?shù)玫匠醪椒治鼋Y果后,可重新調整網(wǎng)格以增進精確度或減少仿真計算時間。 圖213有限元割分結果FigtlIe2-13Re鋤lt ofrefined mesb cIeated by MaxweU2D(4求解ANSOFT提供三種數(shù)值求解的方法:Gauss.Seidel、Newton Raphson和C0njugate gfadient,一般大部分用Neon Raphson、法,其所得的結果誤差會較小。求解完成后,ANsOFT將

10、儲存各節(jié)點的向量磁位,以利用結果分析。(5后處理結果將有限元法求解出的各節(jié)點的向量磁位,經(jīng)過運算后求得磁通密度,磁通分布,等磁位線,以圖形的方式表示出來,也可計算電動機的作用力和力矩。2.4.3電磁分析結果對上面的電機按表2.1施以三相額定電壓,穩(wěn)態(tài)時的磁場分布如圖2.14。氣隙磁密分布如圖2.15。 圖214LIM的磁場分布Figure2-14F1ux lines dis岫budo 圖215氣隙中磁場磁通密度隨位置的分布FigIlre2-15distribution of ma印etic nllx d嘰siIy in air gap 本文利用Maxwell2D Transient模塊對上述直

11、線感應電機進行起動特性仿真,其結果如下: 氣隙:10Inm,初級寬度:O.20m,鋁鐵復合次級,鋁板厚5mm,鐵板厚25姍。在輸入電流保持一定(額定電流250A的情況下,改變電機的滑差(速度可以得出一定頻率下各量隨速度的變化。 圖35推力隨速度的變化曲線Figure35山e cIlrve of thmst ve格璐Spccd 圖36法向力隨速度的變化曲線nom斌force vs.speedFjgLlre3_6 圖37冠:隨速度的變化曲線F曬聆37tlle皿rve of R2v啪璐spd 圖38尺.隨速度的變化曲線FigIIre3-8the cue of R。ver如s speed 圖39M隨速度的變化曲線Figm39也e clIrve0f Mversus speed 圖3一10KF,隨速度的變化曲線Figure3-1