单边直线感应电机复合次级对牵引力影响

曾欣欣

(北京控股磁悬浮技术发展有限公司 长沙分公司，长沙 410073)



单边直线感应电机复合次级对牵引力影响

曾欣欣

(北京控股磁悬浮技术发展有限公司 长沙分公司，长沙 410073)

单边直线感应电机通常采用复合次级来提供较大的牵引力和较小的法向力。通过对单边直线感应电机牵引力计算公式的分析，找到复合次级与牵引力的关系，提出一种能提高电机效率的多阶段变化次级铝板厚度方案。该方案通过改变次级铝板厚度来实现各种运行速度下的最大牵引力。采用有限元仿真出次级轭铁、次级铝板对牵引力的影响，仿真出多阶段变化次级铝板厚度方案提供的最大牵引力，并与固定复合次级方案进行比较，验证多阶段变化次级铝板厚度方案的优越性。

单边直线感应电机；复合次级；多阶段变化次级铝板厚度；有限元仿真

0 引 言

单边直线感应电机采用单一次级难以在牵引力和法向力之间取到理想值，因此需要复合次级来提供较大的牵引力和较小的法向力。

通常复合次级选用强导磁材料和强导电材料组合，接近气隙一侧用强导电材料来加强感应电流的产生和流动，下部用强导磁材料来增强磁场强度。

本文通过单边直线感应电机牵引力计算公式分析复合次级对牵引力的影响，找到各种运行速度下产生最大牵引力的复合次级构成，并通过有限元仿真验证，提出一种更能提高电机效率的多阶段变化次级铝板厚度方案。

1 单边直线感应电机

1.1 单边直线感应电机原理

单边直线感应电机由初级铁心、电机绕组、次级铝板、次级轭铁组成，如图1所示。当电机绕组中三相正弦电流随时间变化时，气隙磁场将朝一个方向进行直线移动，从而使电机次级产生感应电动势并产生电流。电机次级中的电流与气隙磁场相互作用产生电磁推力，即磁浮列车的牵引力。

图1 单边直线感应电机结构图

复合次级由次级铝板、次级轭铁组成，铝为强导电材料，铁为强导磁材料，它们共同提供感应电动势。

1.2 单边直线感应电机牵引力分析

根据直线感应电机牵引力计算公式：

(1)

(2)

现提出多阶段变化次级铝板厚度方案：在不同电机运行速度条件下，采用不同的次级铝板厚度。根据直线感应电机运行速度的增加，可将复合次级铝板厚度逐渐增加从而保持电机最大牵引力，实现电机的高效率运行，减小能耗。

2 有限元仿真分析

以中低速磁浮列车用牵引直线电机为例：该单边直线感应电机为三相绕组供电，每相24路绕组线圈，电机极距为202.5mm，电机气隙为13mm，电机长1 800mm；线路F轨道次级铝板厚4mm，次级轭铁厚36mm，电机宽220mm；牵引方式采用恒转差频率控制，牵引恒转差频率13.5Hz。采用AnsoftMaxwell建立模型如图2所示。

图2 单边直线感应电机模型

2.1 次级轭铁对牵引力影响

根据次级轭铁有效厚度tFe与牵引力变化规律，设定电机速度0km/h、供电电压三相440V、次级铝板厚度4mm定值，仿真次级轭铁厚度从0～40mm每4mm递增一次，变化曲线如图3所示。

图3 次级轭铁厚度-牵引力曲线图

牵引力随着次级轭铁厚度增加而增大，当次级轭铁厚度为10mm时有最大牵引力，然后慢慢减小；当次级轭铁厚度大于14mm时由于有效次级厚度不变，因此产生的牵引力也恒定不变。

2.2 次级铝板对牵引力影响

根据次级轭铁的仿真结果取最大牵引力时有效次级轭铁厚度10mm定值，仿真次级铝板厚度从0～8mm每1mm递增一次，变化曲线如图4所示。

图4 次级铝板厚度-牵引力曲线图

牵引力随着次级铝板厚度增加而增大，当次级铝板厚度为3mm时有最大牵引力，然后慢慢减小；因为次级铝板厚度8mm小于有效次级厚度，因此牵引力不会出现恒定值。

2.3 多阶段变化次级铝板厚度方案仿真

根据轨道次级轭铁厚度为36mm定值，分别对电机运行速度0～100km/h每10km/h进行一次建模仿真，通过改变次级铝板厚度来找到各种运行速度下最大牵引力产生点，并与固定复合次级电机做比较。

电机选择S1线中低速磁浮列车单边直线电机，牵引控制方案如表1所示。

表1 牵引控制方案

次级铝板厚度3mm，次级轭铁厚度36mm，运行速度0～100km/h，牵引力仿真结果如表2所示。

次级轭铁厚度36 mm，运行速度0～100 km/h，多阶段变化次级铝板厚度方案仿真结果如表3所示。

表3 多阶段变化次级铝板厚度方案仿真

对比表2、表3可发现，在次级轭铁36 mm时产生最大牵引力的次级铝板厚度均小于3 mm，并随着电机运行速度的增大，产生最大牵引力的次级铝板厚度也增加，两种条件下牵引力对比曲线如图5所示。

图5 两种牵引力对比曲线图

根据电机运行速度的变化采用多阶段变化次级铝板厚度方案能保证电机提供最大牵引力，从而提高电机功率。

2.4 多阶段变化次级铝板厚度方案实现

单边直线感应电机运行时一般有加速段、匀速段、减速段三种情况：

设加速段0～100 km/h，加速距离40 m，根据表3每4 m设定一个次级铝板厚度，从1.5 mm增至2.6 mm，从而组合成一个加速轨道段。

匀速段根据电机运行速度，选择该速度条件下的次级铝板厚度制作成匀速轨道段。

减速段和加速段刚好相反，设运行速度100～0 km/h，减速距离40 m，则次级铝板厚度每4 m减少一个梯度从2.6 mm减至1.5 mm，构成一个减速轨道段。

由于相邻两个梯度之间次级铝板厚度相差只有0.1 mm，并且电机运行时是从一个梯度逐渐进入另一个梯度的，因此感应次级上的感应磁场强度变化平滑，电机牵引力也是逐渐增大或减小。

3 结 语

通过对单边直线感应电机牵引力计算公式的进一步分析，找到复合次级对电机牵引力的影响规律；采用有限元仿真出次级轭铁、次级铝板对牵引力的影响，找到一种改变次级铝板来实现电机最大牵引力的多阶段变化次级铝板厚度方案，并且仿真验证。有以下基本结论：

(1)复合次级结构中次级轭铁厚度刚开始增加时可以增大牵引力，当达到最大牵引力时再增加次级轭铁厚度便会减小牵引力，次级轭铁增加大于有效次级厚度时不会影响牵引力大小。

(2)复合次级结构中次级铝板厚度增加会使牵引力先增大后减小，因此要保持电机最大牵引力需计算出最大牵引力时刻次级铝板的厚度值。

(3)采用多阶段变化次级铝板厚度方案所提供的牵引力大于固定复合次级所提供的牵引力，这种方法可用于有速度控制的直线感应电机领域如轨道交通，可根据列车运行区域速度要求建立不同次级铝板厚度的运行轨道，这既不会增加成本又能提高电机效率、减少能耗。

[1] 山田一,胡德元.直线电机及其应用技术[M].长沙:湖南科学技术出版社,1978:12-19.

[2] 龙遐令.直线感应电动机的理论和计算[M].北京:科学出版社,2006:44-58.

[3] STICKLER J J.A study of single-sided linear induction motor performance with solid iron secondaries[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,1982,31(2):107-112.[4] ONUKI T,KAMIYA Y,FUKAYA K,et al.Characteristics analysis of linear induction motor with two types of secondary structure based on electromagnetic field and electriccircuit analysis[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(5):4022-4024.

[5] 裘昌利.磁浮列车用直线感应电机的Maxwell 2D仿真及实验研究[D].长沙:国防科学技术大学,2006:26-34.

[6] 王立强.城市轨道交通用直线感应电机优化设计与驱动控制[D].杭州:浙江大学,2010:41-44.

[7] 顾亚文,黄磊,张静.采用不同次级结构的单边直线感应电机性能分析[J].电工电气,2014(4):15-18.

[8] 陈清伟,邱望标,陈伟兴.基于ANSYS的集肤效应分析[J].贵州科学,2012,30(1):58-62.

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”国家科技支撑计划重点项目(2012BAG-07B01)

TM359.4

A

1004-7018(2016)08-0032-03

曾欣欣(1983-)，男，硕士研究生，电气工程师，从事磁悬浮列车研究工作。