地鐵用直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的研究-

1、北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文地鐵用直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的研究姓名:郭慧浩申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師:范瑜20060201 的地鐵車(chē)輛成為科技界、工業(yè)界的追求。在這種形勢(shì)下,直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車(chē)輛走上了歷史舞臺(tái)。直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車(chē)輛的優(yōu)點(diǎn),早已引起了國(guó)外專(zhuān)家的重視,在國(guó)外直線(xiàn)電機(jī)車(chē)輛已有近20年的運(yùn)營(yíng)歷史。我國(guó)在直線(xiàn)電機(jī)電傳動(dòng)方面研究起步比較晚,國(guó)外的成功的例子,值得我們借鑒。我國(guó)正在建設(shè)的廣州地鐵四號(hào)、五號(hào)線(xiàn)首次采用直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng),首都機(jī)場(chǎng)軌道交通線(xiàn)也將采用直線(xiàn)電機(jī)車(chē)輛。我國(guó)一貫采取集成創(chuàng)新與引進(jìn),消化、吸收再創(chuàng)新相結(jié)合的技術(shù)路線(xiàn)。因此對(duì)直線(xiàn)電機(jī),特別是直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研

2、究,對(duì)今后的國(guó)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(xiàng)目“直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)及其電傳動(dòng)系統(tǒng)研究”的一部分。1.2直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)工作原理直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)可以視為一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿半徑方向切開(kāi)而展平的感應(yīng)電機(jī),其運(yùn)動(dòng)方式由旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng),如圖卜1所示。 圖卜1旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)為直線(xiàn)電機(jī)示意圖FigIlrcl-l If眥ginafy process0f硼_r0ing a conven曲nalmotor to obtain a linear incluction motor直線(xiàn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子側(cè)對(duì)應(yīng)的一側(cè)稱(chēng)為初級(jí),與轉(zhuǎn)予側(cè)對(duì)應(yīng)北京交通大學(xué)碩士論文的一側(cè)稱(chēng)為次級(jí)。直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)有兩種方式,即可以次

3、級(jí)運(yùn)動(dòng),也可以固定次級(jí),讓初級(jí)運(yùn)動(dòng)。無(wú)論哪種方式,都必須將固定的一側(cè)做的足夠長(zhǎng),以保證在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)初、次級(jí)間保持不變的耦合關(guān)系。對(duì)于采用直線(xiàn)電機(jī)的軌道交通車(chē)輛來(lái)說(shuō),普遍采用的是短定子直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī),即把定子繞組安裝在車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上,長(zhǎng)轉(zhuǎn)子安裝在軌道中間的導(dǎo)軌上(常把轉(zhuǎn)子稱(chēng)為感應(yīng)軌或反作用板,見(jiàn)圖卜2。它的優(yōu)點(diǎn)是包括轉(zhuǎn)子在內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低。另一種是長(zhǎng)定子繞組安裝在地面上,轉(zhuǎn)子安裝在車(chē)上,它的優(yōu)點(diǎn)是不需要給車(chē)輛受流,適合高速運(yùn)行,但包含定子的軌道結(jié)構(gòu)太復(fù)雜,不適合應(yīng)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(xiàn)感應(yīng)電機(jī)(短初級(jí)Figurcl_2shoftp血ary uM iwhed

4、-0n-ran transportation systems 直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生推進(jìn)力的原理和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理一樣。安裝在地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上的直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)在前進(jìn)方向產(chǎn)生移動(dòng)的磁場(chǎng),與該磁場(chǎng)相對(duì)的地面位置上放著相當(dāng)于二次側(cè)線(xiàn)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(chǎng)而產(chǎn)生的力就是反作用力,它使轉(zhuǎn)向架側(cè)的直線(xiàn)電機(jī)獲得推進(jìn)力。這種驅(qū)動(dòng)方式的最大特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力不再受輪、軌粘著的限制,而取決于該定子、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的電磁性能,因而是一種非粘著驅(qū)動(dòng)方式。 單邊直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要包括鋼次級(jí)單邊直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和復(fù)合次級(jí)單邊直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)。根據(jù)初、次級(jí)長(zhǎng)度的不同,扁平型直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)又可分為短初級(jí)和

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

6、轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)工作原理相同,但因?yàn)槠涠ㄞD(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的變化,與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)有很多不同的地方。最主要的不同是,直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的鐵心在磁場(chǎng)移動(dòng)的方向上是開(kāi)斷的,長(zhǎng)度也是有限的,它不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣有閉合的圓環(huán)狀態(tài)。直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性,導(dǎo)致其存在縱向邊端效應(yīng)和橫向邊端效應(yīng),這造成電機(jī)氣隙中移動(dòng)磁場(chǎng)的畸變,造成電機(jī)出力減小和損耗增加。有關(guān)電機(jī)的邊端效應(yīng)將在下節(jié)介紹。另外,定子結(jié)構(gòu)的變化,也使得直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的各相繞組阻抗不對(duì)稱(chēng)。下面有必要對(duì)直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的繞組作一介紹。2.1.2直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的繞組形式直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的繞組形式和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)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?zhǔn)嚼@組。雙層繞組是直線(xiàn)電機(jī)中常用的一種形式。與單層同心式繞組相比,具有線(xiàn)圈端部排列整齊的優(yōu)點(diǎn),且可以選擇適當(dāng)?shù)亩叹嘁韵魅醮艅?shì)的高次諧波。 表21直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)主要參數(shù)(續(xù)初級(jí)寬度咖290每極每相槽數(shù)3齒距珊32槽寬mm23槽深I(lǐng)In100線(xiàn)圈匝數(shù)5每極串連匝數(shù)90機(jī)械氣隙哪!5次級(jí)鋁板厚度咖5次級(jí)鐵軛厚度衄25反應(yīng)板寬度珊300現(xiàn)對(duì)主要分析過(guò)程簡(jiǎn)述如下:(1建立模型根據(jù)上述表中的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸,在Anft的2D modeler繪圖窗體下畫(huà)出電機(jī)的幾何構(gòu)造,如圖212。 圖212ANs0FT Maxwel l2D下直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的模型

8、Hgure2-12Modcl ofUM desi驢ed by Maxwen2D(2定義電機(jī)材料物理性質(zhì)對(duì)電機(jī)的各部分材料給予定義,如繞組選擇銅材質(zhì),定子選擇電工硅鋼片,反應(yīng)板為鋁,下層為鐵。Ansoft的材料庫(kù)里自帶了幾乎所有的電機(jī)用材料。ANsOFT的材料庫(kù)中幾乎自帶所有電機(jī)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(duì)電機(jī)旋加三相電壓,可以加以三相恒定電流。因?yàn)橹本€(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的三相電流實(shí)際上有略微的不對(duì)稱(chēng),所以加電壓源所計(jì)算出的結(jié)果會(huì)更符合實(shí)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(xiàn)感應(yīng)電機(jī)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(dòng)網(wǎng)格分割的功能,網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定后,ANsOFr會(huì)依據(jù)所設(shè)計(jì)參數(shù)分割網(wǎng)格,參數(shù)設(shè)定得適宜時(shí)網(wǎng)格品質(zhì)好,若分析的網(wǎng)格不佳時(shí)需要重新設(shè)計(jì)參數(shù)以增加分析的精確度。當(dāng)?shù)玫匠醪椒治鼋Y(jié)果后,可重新調(diào)整網(wǎng)格以增進(jìn)精確度或減少仿真計(jì)算時(shí)間。 圖213有限元割分結(jié)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(jié)果誤差會(huì)較小。求解完成后,ANsOFT將

10、儲(chǔ)存各節(jié)點(diǎn)的向量磁位,以利用結(jié)果分析。(5后處理結(jié)果將有限元法求解出的各節(jié)點(diǎn)的向量磁位,經(jīng)過(guò)運(yùn)算后求得磁通密度,磁通分布,等磁位線(xiàn),以圖形的方式表示出來(lái),也可計(jì)算電動(dòng)機(jī)的作用力和力矩。2.4.3電磁分析結(jié)果對(duì)上面的電機(jī)按表2.1施以三相額定電壓,穩(wěn)態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)分布如圖2.14。氣隙磁密分布如圖2.15。 圖214LIM的磁場(chǎng)分布Figure2-14F1ux lines dis岫budo 圖215氣隙中磁場(chǎng)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(duì)上述直

11、線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)特性仿真,其結(jié)果如下: 氣隙:10Inm,初級(jí)寬度:O.20m,鋁鐵復(fù)合次級(jí),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(jī)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(xiàn)Figure35山e cIlrve of thmst ve格璐Spccd 圖36法向力隨速度的變化曲線(xiàn)nom斌force vs.speedFjgLlre3_6 圖37冠:隨速度的變化曲線(xiàn)F曬聆37tlle皿rve of R2v啪璐spd 圖38尺.隨速度的變化曲線(xiàn)FigIIre3-8the cue of R。ver如s speed 圖39M隨速度的變化曲線(xiàn)Figm39也e clIrve0f Mversus speed 圖3一10KF,隨速度的變化曲線(xiàn)Figure3-1