混合勵磁磁通切換直線磁懸浮電動機(jī)電磁力的有限元計算

2021-04-23 04:20:40艾春洋藍(lán)益鵬

電機(jī)與控制應(yīng)用 2021年3期

艾春洋, 藍(lán)益鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧沈陽 110870)

0 引言

軌道交通的牽引系統(tǒng)所使用的電機(jī)主要為旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)[1]。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的驅(qū)動方式具有顯著優(yōu)點(diǎn)[2]。無論在中國國內(nèi)還是國外，直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動在高速鐵路運(yùn)營系統(tǒng)中均得到了廣泛的應(yīng)用，如日本橫濱市營地鐵4號線、中國廣州地鐵6號線等。直線感應(yīng)電機(jī)在軌道交通方面應(yīng)用存在低效率、無功功率占比高等缺點(diǎn)[3]。在長定子軌道交通領(lǐng)域，將永磁體或繞組沿軌道鋪設(shè)，大幅度增加預(yù)算成本，日常的維護(hù)也比較困難，這些技術(shù)難題亟待解決[4]。

直線電機(jī)法向力較大，一般情況下，該法向力可能是電磁推力的數(shù)倍。通常主要研究直線電機(jī)的水平推力，一般不考慮法向力[5-7]，但是磁懸浮列車運(yùn)行速度非常快，在豎直方向的法向力必須得到很好的控制，使列車能穩(wěn)定運(yùn)行。車身本身具有重力，重力的方向和磁懸浮力的方向相反，可以通過調(diào)節(jié)磁懸浮力的大小與自身車重達(dá)到平衡，此時的動子和定子間沒有摩擦，達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行的目的[8]。在水平方向上，采用直線電機(jī)直接驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)無磨損快速運(yùn)動。

本文設(shè)計的混合勵磁磁通切換直線磁懸浮電動機(jī)(HEFSLMSM)主要應(yīng)用于磁懸浮列車牽引系統(tǒng)，該電動機(jī)的抱軌結(jié)構(gòu)使動子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，永磁體、勵磁繞組以及電樞繞組均位于短動子上，次級長定子僅由導(dǎo)磁鐵心構(gòu)成，用1臺電動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)直接驅(qū)動和穩(wěn)定懸浮，同時還具有可調(diào)節(jié)的氣隙磁場。該設(shè)計結(jié)構(gòu)具有低成本、堅固耐用等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于長距離的軌道交通[9-10]。

1 HEFSLMSM結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

1.1 HEFSLMSM結(jié)構(gòu)

圖1為HEFSLMSM結(jié)構(gòu)示意圖。永磁體、勵磁繞組以及電樞繞組位于初級短動子上。電樞繞組纏繞在2個相鄰的U型鐵心槽中；直流勵磁繞組纏繞在U型鐵心上；次級只有鐵心材料。永磁體的充磁方向?yàn)闄M向交替充磁，即與運(yùn)動方向相同或者相反。

圖1 HEFSLMSM結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 HEFSLMSM的運(yùn)行原理

1.2.1 磁通切換原理

A相電樞繞組中的磁鏈能夠出現(xiàn)雙極性，磁通能夠正向穿過A相繞組又能過渡到反向穿過。動子處在4個不同位置時對應(yīng)的磁通情況如圖2所示，由正向最大位置過渡到第一平衡位置(磁通為0)，負(fù)向磁通最大位置過渡到第二平衡位置(磁通為0)。B、C相磁通變化同理，在此不作贅述。

圖2 磁場分布

1.2.2 電磁推力產(chǎn)生原理

圖3(a)中的磁力線是由永磁體產(chǎn)生的，A1與A2模塊處于正磁鏈的最大位置，也就是圖3(b)中M1處，勵磁電流產(chǎn)生的磁鏈和永磁體產(chǎn)生的磁鏈合成后為總磁鏈，按照磁通走磁阻最小路徑原理，動子向右移動。隨著動子的運(yùn)動，動子齒和定子齒重合部分變大，當(dāng)兩者完全重合時，到達(dá)第一平衡位置(磁通為0)。這時A相關(guān)斷，B相導(dǎo)通，圖3(b)所示B相磁鏈到達(dá)最大位置M2處，向右的電磁推力產(chǎn)生原理和A相相同，動子繼續(xù)向右運(yùn)動，當(dāng)B相磁鏈到達(dá)平衡位置時，B相關(guān)斷，C相開始導(dǎo)通。通過控制電流的導(dǎo)通和關(guān)斷從而保證動子朝一個方向運(yùn)動。

圖3 電磁推力原理示意圖

1.2.3 懸浮力產(chǎn)生原理

當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行過程中，勵磁繞組和永磁體均會在氣隙中產(chǎn)生磁場，此時氣隙中的合成磁場和次級鐵心相互作用使鐵心被吸起，即懸浮力。當(dāng)懸浮力與磁懸浮列車的重力大小相等時，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

2 建立HEFSLMSM的數(shù)學(xué)模型

模型的假設(shè)條件如下:

(1) 假設(shè)電機(jī)鐵心材料不飽和，不考慮渦流和磁滯帶來的影響；

(2) 永磁體與勵磁繞組所產(chǎn)生的氣隙磁場正弦分布，忽略高次諧波影響；

(3) 通入的電樞電流為三相對稱。

在d-q坐標(biāo)系下的磁鏈方程：

(1)

式中：Ld、Lq、Lf分別為電樞繞組d軸自感、電樞繞組q軸自感及勵磁繞組自感；Mf為單相電樞繞組與勵磁繞組之間互感的幅值；ψf永磁體產(chǎn)生磁鏈。

在d-q坐標(biāo)系下的電壓方程：

(2)

式中：Ud、Uq分別為電樞d軸電壓及電樞q軸電壓；Ld、Lq分別為d、q軸電感；id、iq分別為d、q軸電流；if為直流勵磁電流；rs為電樞繞組的電阻；Uf為勵磁電壓；ψf、ψpm分別為勵磁磁鏈和永磁磁鏈的幅值；rf為勵磁繞組的電阻。

電磁推力：電機(jī)在運(yùn)行過程中的功率主要由各項繞組的輸入功率組成，當(dāng)忽略鐵耗影響時，該電機(jī)的輸入功率可表示為

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)，可得電動機(jī)的電磁推力方程和懸浮力方程：

Fpm+Fr+Ff

(4)

懸浮力方程為

(5)

式中：Fpm為永磁體產(chǎn)生的推力；Fr為磁阻推力；Ff為電勵磁推力分量；τs為定子極距；g為氣隙長度。

3 電機(jī)靜態(tài)特性的有限元分析

圖1中的HEFSLMSM基本參數(shù)如表1所示[11]。根據(jù)圖1和表1在ANSYS軟件中設(shè)計Maxwell 2D仿真模型。

表1 HELMSM基本參數(shù)

3.1 磁場分布

圖4為HEFSLMSM在空載情況下的磁場分布。利用ANSYS軟件分析時，會有一定漏磁的情況，為了不讓永磁體與外界空氣有接觸，可以在電動機(jī)模型外增加一個空氣區(qū)域。由圖4可以看出，定子的齒在運(yùn)動時與動子齒重合的面積越大，說明通過的磁力線越多，磁通越大，漏磁通越小，則電動機(jī)效率越高。

圖4 HEFSLMSM空載磁力線分布圖

圖5(a)為電動機(jī)處在空載狀態(tài)時的磁密云圖，可以得到各部分的磁密值；圖5(b)為局部磁密云圖[12]。

圖5 氣隙磁密云圖

從圖6可以看出，HEFSLMSM的氣隙磁密約為1.3 T，氣隙磁場不是理想的正弦波，原因是初級動子和次級定子均是凸極結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生齒槽效應(yīng)影響諧波分量，使理想情況下的正弦波發(fā)生畸變[13-14]。

圖6 氣隙磁密

3.2 空載反電動勢

圖7為HEFSLMSM的三相反電動勢波形，接近正弦波。氣隙磁密諧波分析如圖8所示。由圖8可知，由于每相的2個模塊通入相同幅值電流，會產(chǎn)生相同幅值的反電動勢，相位角的不同影響高次諧波的分量，當(dāng)相鄰2個模塊線圈中的反電動勢串聯(lián)疊加后，反電動勢波形中的高次諧波分量被抵消掉，只剩下基波分量以及一些幅值非常小的高次諧波分量，從而使得波形更接近正弦波[15-16]。