短定子超導(dǎo)直線感應(yīng)電機性能研究

楊 穎，鄧江明，呂 剛

(1.中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001；2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引 言

直線電機因其具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、噪聲較低和工程造價低等方面的優(yōu)勢[1-2]，在軌道交通方面的應(yīng)用越來越廣泛，廣州地鐵4、5、6號線，北京地鐵S1線以及長沙磁浮快線的接連投入使用[3-6]，都標志著直線電機在軌道交通領(lǐng)域具有廣闊前景。

但是，常規(guī)銅繞組直線感應(yīng)牽引電機的效率和功率因數(shù)都較低，能耗和效率問題也成為限制直線感應(yīng)電機進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素[7-9]。隨著高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展和在各領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展，將高溫超導(dǎo)技術(shù)與直線電機技術(shù)結(jié)合在一起變成了可能[10-11]。之前，多數(shù)高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機都是采用高溫超導(dǎo)塊材的直線同步電機，采用高溫超導(dǎo)線圈的直線感應(yīng)電機很少[12-14]。近年來，開始有人采用Bi系高溫超導(dǎo)帶材繞制的初級繞組來進行直線感應(yīng)電機的研究。

目前，對高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的研究都是基于有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的，而有鐵心電機因為鐵心存在飽和的情況，所以無法充分利用高溫超導(dǎo)材料零電阻、載流密度大的特性。并且，對超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的研究主要是分析輸入?yún)?shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機電磁特性的影響。

本文主要針對無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的電磁特性展開詳細研究，用ANSYS有限元軟件對短定子無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的電磁特性進行分析[15-17]。首先對無鐵心和有鐵心電機的渦流、磁場以及各分量的分布情況進行了對比分析。之后對無鐵心電機各頻率的推力情況進行了分析，并將無鐵心電機的牽引曲線與相同功率等級的銅繞組電機的牽引曲線進行了對比分析。最后對無鐵心和有鐵心電機的推力曲線和法向力法向力曲線進行了對比，從兩種電機的性能對比得出無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的質(zhì)量更輕，單位質(zhì)量推力更大的結(jié)論。

1 短定子超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的模型

短定子無鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機如圖1所示。圖1(a)中，無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機包括超導(dǎo)線圈、次級感應(yīng)板(鋁板和鐵板)和杜瓦容器，有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在此基礎(chǔ)上增加了初級鐵心。

(a) 無鐵心

無鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機除初級鐵心外其他參數(shù)是相同的，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 短定子超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的主要參數(shù)

2 超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的電磁特性分析

根據(jù)短定子無鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的3-D仿真模型對兩種電機進行電磁分析[18-19]。

2.1 渦流特性分析

無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下(I=200 A，v=20 km/h，f=50 Hz，s=0.37)次級板表面渦流的分布圖如圖2所示。

圖2 無鐵心電機的次級板表面渦流分布圖

圖3給出了有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下(I=80 A,v=20 km/h,f=50 Hz,s=0.37)次級板表面渦流的分布圖如圖3所示。

(a)

圖4(a)、圖4(b)分別給出了無鐵心電機的次級板表面渦流z分量(Jz)的橫向和縱向分布曲線?？梢缘贸?，Jz主要集中在初級和次級的耦合區(qū)域，在非耦合區(qū)域由于次級寬度的限制和磁阻的增大,使得感應(yīng)出的Jz迅速減小。

(a) Jz的橫向分布曲線

圖5(a)、圖5(b)為有鐵心電機的次級板表面渦流Jz的橫向和縱向分布曲線。有鐵心電機渦流的分布規(guī)律與無鐵心電機的相同，由于鐵心的作用，次級感應(yīng)板表面的渦流分量數(shù)值較無鐵心電機的數(shù)值小。

(a) Jz的橫向分布曲線

無、有鐵心電機次級板表面x分量(Jx)的橫向和縱向分布曲線分別如圖6、圖7所示。在無鐵心電機中，由于次級寬度的限制，初級與次級的耦合區(qū)域偏離中心越遠,Jx越大。有鐵心電機的Jx分布與無鐵心類似，Jx主要集中在繞組端部與次級的耦合區(qū)域，初級鐵心與次級的耦合區(qū)域偏離中心越遠,Jx越大，Jx最大值集中出現(xiàn)繞組端部與次級的耦合區(qū)域。

(a) Jx的橫向分布曲線

2.2 磁場特性分析

無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下氣隙磁場的分布圖如圖8所示。

圖8 無鐵心電機的氣隙磁場分布圖

圖9為有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下氣隙磁場的分布圖。從數(shù)值比較可以看出，在額定工況下有鐵心電機的氣隙磁場要小于無鐵心電機的磁場。

圖9 有鐵心電機的氣隙磁場分布圖

圖10(a)、圖10(b)分別給出了無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下氣隙磁場y分量(By)的橫向和縱向分布曲線。由于橫向邊端效應(yīng)的影響，次級渦流的作用使得By沿電機橫向呈現(xiàn)馬鞍形的分布曲線。同時，由于動態(tài)縱向邊端效應(yīng)的影響，使得By的縱向分布不均勻。

(a) By的橫向分布曲線

有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下氣隙磁場By分量的橫向和縱向分布曲線如圖11(a)、圖11(b)。有鐵心電機的氣隙磁場較無鐵心電機的磁場增加了許多諧波，這是由于有鐵心電機的齒槽效應(yīng)造成的。

(a) By的橫向分布曲線

3 無鐵心電機牽引特性分析

圖12為無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機分別在10 Hz，30 Hz，50 Hz，80 Hz，90 Hz，100 Hz，120 Hz，140 Hz下的推力曲線圖。隨著頻率逐漸增大，推力曲線的峰值對應(yīng)的速度值也逐漸增大，但各推力曲線的變化趨勢是相同的。

圖12 無鐵心電機多頻率下的推力曲線圖

圖13(a)是國內(nèi)某型直線電機與相同功率等級的無鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的牽引曲線對比。圖13(a)中，在速度為40 km/h之前牽引曲線為恒推力區(qū)，無鐵心電機牽引力約為3.4 kN，國內(nèi)某型直線電機牽引力為3.2 kN左右。在速度為40 km/h之后為恒功率區(qū)，牽引曲線隨著速度的增加而逐漸降低。兩種電機的牽引曲線變化趨勢是大致相同的。

圖13(b)為無鐵心電機和國內(nèi)某型直線電機的電流曲線圖。圖13(b)中，在速度為35 km/h之前無鐵心電機電流恒為450 A，國內(nèi)某型直線電機恒為330 A，在這之后兩電機的電流隨著速度的增加逐漸減小。

(a) 牽引曲線對比圖

從兩圖的對比分析可以看出，兩種電機的牽引力曲線是隨著電流曲線的變化而變化的。

4 有無鐵心電機的性能對比

圖14(a)、圖14(b)分別為無鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機在額定工況下的推力曲線和法向力曲線對比圖。無鐵心電機在額定工況下推力約為3.4 kN，有鐵心電機在額定工況下推力約為3.5 kN，在額定工況下有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的推力較大。

(a) 推力曲線對比圖

圖14(b)中，無鐵心電機在額定工況下法向力約為1.9 kN，有鐵心電機在額定工況下法向力為2.2 kN，在額定工況下有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的法向力較大。

表2為無鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機的性能參數(shù)對比。從表2中可以看出，無鐵心電機相比于有鐵心電機的主要優(yōu)勢在于質(zhì)量更輕，在額定工況下，無鐵心電機的單位質(zhì)量下的推力更大，而兩種電機的額定功率、效率等大致相同，但無鐵心的功率因數(shù)很低。

表2 有無鐵心電機性能參數(shù)對比

5 結(jié) 語

本文通過對短定子無鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機模型的仿真分析，得出了兩種電機在額定工況下的渦流和磁場特性曲線，并通過對無鐵心超導(dǎo)直線電機與國內(nèi)某型直線電機牽引曲線的對比分析驗證了電機模型的正確性。最后對兩種電機的推力、法向力和性能參數(shù)的對比得出，無鐵心電機相比于有鐵心電機質(zhì)量更輕，單位質(zhì)量下推力更大，但是無鐵心電機的功率因數(shù)較低。