磁浮轨道检测平台直线电机设计与仿真计算

袁茂林 张兴华 何健波

(湖南凌翔磁浮科技有限责任公司，湖南 长沙 410000)

磁悬浮列车是通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行的现代高科技轨道交通工具[2]。

为保证磁浮列车的正常平稳运行，必须保证磁浮轨道及相关设备的运行状态、参数控制在标准的范围内。在轨道竣工验收及日常运行维护检测过程中，为减轻劳动强度，提高检测精度和效率，降低运营成本和降低工作过程中的安全风险，有必要开发磁浮轨道综合检测平台。检测平台搭载直线驱动电机、电源、传感器、控制箱等设备，具备独立的悬浮、牵引、检测功能。检测平台总重量为1000kg。满足0～24km/h 能保持加速度0.7m/s2，计算单台电机推力需求为350N；满足以50km/h 速度巡航，计算单台电机推力需求为120N。基本结构及布局如图1。

图1 检测平台结构

本文在典型的HSST 中低速磁悬浮列车牵引电机[3]的基础上，设计了应用于检测平台的感应直线电机结构示意如图2。

图2 直线电机结构示意图

1 主要设计参数

直线电机及轨道设计符合长沙磁浮快线轨道尺寸[4]，如表1。

表1

2 电磁铁设计及有限元分析

2.1 仿真模型

依次完成几何模型建立、材料编辑设定、设置线圈和电路连接、设置边界条件、设置网格剖分，在ansys maxwell2D 中建立图3 所示直线感应电机模型。

图3 直线感应电机模型

2.2 仿真计算及结果

2.2.1 额定转差点

仿真设置：三相对称电流有效值Irms=175A；运动速度=0(堵转)；电源频率f 从5HZ 到18HZ 每1HZ 一个扫描点。查看电机推力输出值和法向吸力。

仿真结果：电机推力如图6；法向吸力如图7。综合考虑电机推力和法向吸力值确定电机额定转差频率为15HZ。

图4 网格剖分图

图5 绕组展开图

图6 电机推力

图7 法向吸力

2.2.2 峰值电流起动推力

仿真设置：三相电流有效值Irms=175A；运动速度=24km/h；电源频率：33.52HZ(转差频率15HZ)。

仿真结果：

a.电机推力351N；转矩脉动：31.58N(9%)。如图8。

图8 电机推力

b.法向吸力：56.6N。如图9。

图9 法向吸力

c. 峰值电流时，最大磁密为1.62T 在初级定子轭部。如图10。

图10 磁密分布云图

2.2.3 速度50km/h 巡航电流及推力值

仿真设置：三相电流有效值Irms= 110 A；运动速度=50km/h；电源频率：53.58HZ(转差频率15HZ)。

仿真结果：

a.电机推力133.7N；转矩脉动：19.6N(14.6%)。如图11。

图11 电机推力

b.法向吸力：45N。如图12。

图12 法向吸力

c.线感应电压有效值23.5V，最大值33.9V。如图13。

图13 线感应电压

3 结论

电机峰值电流Irms= 175A，线规采用铝线2*1.6×11.5，电流密度为4.75A/mm2，线负荷4.2 A/cm, 所以热负荷为19.95 A/cm·mm2。按设计要求以0.8m/s2从0 加速到24km/h 需9.5 s。50km/h 速度巡航需要Irms= 110 A，电流密度为2.99 A/mm2,线负荷2.64 A/cm,所以热负荷为12.54 A/cm·mm2峰值电流时，最大磁密为1.62T 未达到铁芯材料50W310 的磁密饱和值。

仿真结果显示，在达到设计目标的前提下，直线电机具有一定的性能提升空间。