單邊直線感應電機復合次級對牽引力影響

曾欣欣

(北京控股磁懸浮技術發展有限公司 長沙分公司，長沙 410073)

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單邊直線感應電機復合次級對牽引力影響

曾欣欣

(北京控股磁懸浮技術發展有限公司 長沙分公司，長沙 410073)

單邊直線感應電機通常采用復合次級來提供較大的牽引力和較小的法向力。通過對單邊直線感應電機牽引力計算公式的分析，找到復合次級與牽引力的關系，提出一種能提高電機效率的多階段變化次級鋁板厚度方案。該方案通過改變次級鋁板厚度來實現各種運行速度下的最大牽引力。采用有限元仿真出次級軛鐵、次級鋁板對牽引力的影響，仿真出多階段變化次級鋁板厚度方案提供的最大牽引力，并與固定復合次級方案進行比較，驗證多階段變化次級鋁板厚度方案的優越性。

單邊直線感應電機；復合次級；多階段變化次級鋁板厚度；有限元仿真

0 引 言

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

通常復合次級選用強導磁材料和強導電材料組合，接近氣隙一側用強導電材料來加強感應電流的產生和流動，下部用強導磁材料來增強磁場強度。

本文通過單邊直線感應電機牽引力計算公式分析復合次級對牽引力的影響，找到各種運行速度下產生最大牽引力的復合次級構成，并通過有限元仿真驗證，提出一種更能提高電機效率的多階段變化次級鋁板厚度方案。

1 單邊直線感應電機

1.1 單邊直線感應電機原理

單邊直線感應電機由初級鐵心、電機繞組、次級鋁板、次級軛鐵組成，如圖1所示。當電機繞組中三相正弦電流隨時間變化時，氣隙磁場將朝一個方向進行直線移動，從而使電機次級產生感應電動勢并產生電流。電機次級中的電流與氣隙磁場相互作用產生電磁推力，即磁浮列車的牽引力。

圖1 單邊直線感應電機結構圖

復合次級由次級鋁板、次級軛鐵組成，鋁為強導電材料，鐵為強導磁材料，它們共同提供感應電動勢。

1.2 單邊直線感應電機牽引力分析

根據直線感應電機牽引力計算公式：

(1)

(2)

現提出多階段變化次級鋁板厚度方案：在不同電機運行速度條件下，采用不同的次級鋁板厚度。根據直線感應電機運行速度的增加，可將復合次級鋁板厚度逐漸增加從而保持電機最大牽引力，實現電機的高效率運行，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為例：該單邊直線感應電機為三相繞組供電，每相24路繞組線圈，電機極距為202.5mm，電機氣隙為13mm，電機長1 800mm；線路F軌道次級鋁板厚4mm，次級軛鐵厚36mm，電機寬220mm；牽引方式采用恒轉差頻率控制，牽引恒轉差頻率13.5Hz。采用AnsoftMaxwell建立模型如圖2所示。

圖2 單邊直線感應電機模型

2.1 次級軛鐵對牽引力影響

根據次級軛鐵有效厚度tFe與牽引力變化規律，設定電機速度0km/h、供電電壓三相440V、次級鋁板厚度4mm定值，仿真次級軛鐵厚度從0～40mm每4mm遞增一次，變化曲線如圖3所示。

圖3 次級軛鐵厚度-牽引力曲線圖

牽引力隨著次級軛鐵厚度增加而增大，當次級軛鐵厚度為10mm時有最大牽引力，然后慢慢減小；當次級軛鐵厚度大于14mm時由于有效次級厚度不變，因此產生的牽引力也恒定不變。

2.2 次級鋁板對牽引力影響

根據次級軛鐵的仿真結果取最大牽引力時有效次級軛鐵厚度10mm定值，仿真次級鋁板厚度從0～8mm每1mm遞增一次，變化曲線如圖4所示。

圖4 次級鋁板厚度-牽引力曲線圖

牽引力隨著次級鋁板厚度增加而增大，當次級鋁板厚度為3mm時有最大牽引力，然后慢慢減小；因為次級鋁板厚度8mm小于有效次級厚度，因此牽引力不會出現恒定值。

2.3 多階段變化次級鋁板厚度方案仿真

根據軌道次級軛鐵厚度為36mm定值，分別對電機運行速度0～100km/h每10km/h進行一次建模仿真，通過改變次級鋁板厚度來找到各種運行速度下最大牽引力產生點，并與固定復合次級電機做比較。

電機選擇S1線中低速磁浮列車單邊直線電機，牽引控制方案如表1所示。

表1 牽引控制方案

次級鋁板厚度3mm，次級軛鐵厚度36mm，運行速度0～100km/h，牽引力仿真結果如表2所示。

次級軛鐵厚度36 mm，運行速度0～100 km/h，多階段變化次級鋁板厚度方案仿真結果如表3所示。

表3 多階段變化次級鋁板厚度方案仿真

對比表2、表3可發現，在次級軛鐵36 mm時產生最大牽引力的次級鋁板厚度均小于3 mm，并隨著電機運行速度的增大，產生最大牽引力的次級鋁板厚度也增加，兩種條件下牽引力對比曲線如圖5所示。

圖5 兩種牽引力對比曲線圖

根據電機運行速度的變化采用多階段變化次級鋁板厚度方案能保證電機提供最大牽引力，從而提高電機功率。

2.4 多階段變化次級鋁板厚度方案實現

單邊直線感應電機運行時一般有加速段、勻速段、減速段三種情況：

設加速段0～100 km/h，加速距離40 m，根據表3每4 m設定一個次級鋁板厚度，從1.5 mm增至2.6 mm，從而組合成一個加速軌道段。

勻速段根據電機運行速度，選擇該速度條件下的次級鋁板厚度制作成勻速軌道段。

減速段和加速段剛好相反，設運行速度100～0 km/h，減速距離40 m，則次級鋁板厚度每4 m減少一個梯度從2.6 mm減至1.5 mm，構成一個減速軌道段。

由于相鄰兩個梯度之間次級鋁板厚度相差只有0.1 mm，并且電機運行時是從一個梯度逐漸進入另一個梯度的，因此感應次級上的感應磁場強度變化平滑，電機牽引力也是逐漸增大或減小。

3 結 語

通過對單邊直線感應電機牽引力計算公式的進一步分析，找到復合次級對電機牽引力的影響規律；采用有限元仿真出次級軛鐵、次級鋁板對牽引力的影響，找到一種改變次級鋁板來實現電機最大牽引力的多階段變化次級鋁板厚度方案，并且仿真驗證。有以下基本結論：

(1)復合次級結構中次級軛鐵厚度剛開始增加時可以增大牽引力，當達到最大牽引力時再增加次級軛鐵厚度便會減小牽引力，次級軛鐵增加大于有效次級厚度時不會影響牽引力大小。

(2)復合次級結構中次級鋁板厚度增加會使牽引力先增大后減小，因此要保持電機最大牽引力需計算出最大牽引力時刻次級鋁板的厚度值。

(3)采用多階段變化次級鋁板厚度方案所提供的牽引力大于固定復合次級所提供的牽引力，這種方法可用于有速度控制的直線感應電機領域如軌道交通，可根據列車運行區域速度要求建立不同次級鋁板厚度的運行軌道，這既不會增加成本又能提高電機效率、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”國家科技支撐計劃重點項目(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。