长定子高温超导直线同步电机设计与研究*

袁贤珍,赵岸峰,石煜,冯瑶鑫,李光烈

(1中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南株洲412001;2株洲中车时代电气股份有限公司,湖南株洲412001)

0 引言

直线电机是一种不需要中间转换设备就可以把电能转变成为直线运动机械能的传动装置,具有广泛的应用前景。其机械结构简单,具有高速、高效率、工作安全可靠等特点。超导直线电机的相关研究是高速磁浮交通的核心,其设计与制造技术也是直线驱动领域的研究热点[1]。

由于超导材料具有大电流、零阻态等优点。将超导材料引入直线电机绕组中,将极大增加直线电机励磁绕组性能、励磁磁场强度和牵引力密度。但是国内关于长定子高温超导直线电机技术研究甚少,工程化应用几乎没有。文献[1]开展了空心高温超导直线电机的模型研究和样机设计及试验;文献[2]开展了短定子无铁心和有铁心超导直线感应电机模型的仿真分析和电磁特性研究;文献[3]研究了高温超导双边长定子直线电机模型和电磁参数特性;文献[4]搭建了超导感应直线电机有限元模型和电磁参数特性分析。文献[5]对高温超导钉扎悬浮导向系统和高温超导直线牵引系统进行了方案设计和仿真验证。本文在“十三五”国家重点研发磁浮交通系统项目及其掀起的国内磁浮技术热浪的大背景下,搭建了长定子高温超导直线同步电机试验样机试验台,开展了长定子电磁分布特性、样机试制工艺和牵引试验研究。为高温超导直线电机在磁浮交通、物流传输等工业领域技术应用积累工程设计经验。

1 长定子高温超导直线同步电机试验样机介绍

长定子高温超导直线电机试验样机主要由超导磁体、低温杜瓦、直线电机长定子、悬浮线圈、小车轨道、位置检测装置、变流器以及DCU(包括小车控制器和变流控制器)等组成,如图1所示。其核心设备为长定子高温超导直线同步电机,利用在低温下具有零电阻、强磁场特性的超导材料制作直线电机动子磁极,超导磁体在励磁后具有恒定电流流动,产生恒定励磁磁场。长定子线圈布置在轨道侧壁上,通过牵引主电路通入三相对称交流电压用以实现高温超导直线电机牵引和制动。本文以长定子高温超导直线同步电机试验样机为研究对象,开展长定子高温超导直线电机电磁分析、结构设计和试验研究。其系统构成如图2所示。

图1 长定子高温超导超导直线电机试验样机组成

图2 长定子高温超导超导直线电机试验样机

2 长定子高温超导直线同步电机模型

长定子高温超导直线同步电机试验样机设计参数见表1。

表1 设计参数

根据高温超导直线电机设计参数在有限元仿真软件中构建二维高温超导直线电机双边长定子仿真计算模型。其中超导磁体励磁简化为750 kA·匝磁动势励磁次级,长定子空心线圈为集中绕组双层结构,详见图3所示。

图3 长定子高温超导直线电机二维模型

长定子高温超导直线同步电机的三维仿真模型如图4所示,其中间4个线饼为高温超导磁体,两侧环扣线饼为空心长定子绕组,长定子绕组镜像分布于高温超导线圈两侧,绕组型式为三相单层整距绕组,长定子三相绕组和高温超导磁体模型分别如图5和图6所示。规定高温超导磁体的运动方向为X方向。

图4 长定子高温超导直线电机三维模型

图5 单侧长定子三相绕组模型

图6 高温超导磁体模型

3 长定子高温超导直线同步电机电磁分析

3.1 二维有限元分析

通过有限元仿真软件进行后处理,长定子高温超导直线同步电机的定子线圈激励按照1200安匝加载和2m/s运行速度进行瞬态计算,采用地球边界条件进行求解。求解得到的电机磁场强度云图、牵引力以及长定子线圈处磁场强度的结果如图7所示。

图7 长定子高温超导直线电机二维计算结果

由图7(a)和图7(d)可知,超导磁体表面为磁场强度最大处且约为1.6T,长定子线圈处磁场强度约为0.6T。由图7(b)可知,超导直线电机电磁牵引力为1340N,最大值约为1380N,最小值约为1250N,计算电磁牵引力波动率为6.7%。由图7(c)可知,直线电机法向力最大值为3.8N,这是由于采用双边长定子结构型式所产生的法向力相互抵消所致。

3.2 三维有限元分析

(1)网格划分

根据现有工程设计经验,有限元软件自动网格划分就能满足工程计算精度,为了节省计算资源和时间。本文的研究采用有限元软件对仿真模型及计算域进行自动网格划分,网格划分结果如图8、图9所示。

图8 高温超导长定子绕组网格划分局部示意图

图9 长定子高温超导直线同步电机三维网格剖分图

(2)仿真结果与分析

定子电流加载为60A时,高温超导直线电机的仿真结果如图10、图11、图12所示。

图10 超导长定子电流为60A时牵引力扫描曲线

图11 超导长定子电流为60A时Y向侧向力

图12 超导长定子电流为60A时Z向侧向力

由图11可知：Y向侧向力约为2.1N,Z向侧向力约为4.3N。这是由于该仿真模型绕组中心线和超导线圈的中心线在同一水平面,因此超导线圈受到的Y向侧向力和Z向侧向力各自相互抵消所致。

由图10可知：高温超导直线电机定子电流为60A时,其最大牵引力为964.951N,推力系数为kf=16.08,该结果与3.1节二维仿真结果存在较大差异,下面进行其误差产生原因和参数修正分析。

由于该长定子高温超导直线同步电机的磁路部分全部为空气,不存在磁路饱和的影响。此时电机牵引力与电流、磁密之间的数学表达式为线性数学关系如式(1)。

F=BIL

(1)

在仿真分析过程中定子电流和仿真定子段长度为设定值,式(1)中电流I和L即为常数。因此牵引力的主要影响因数为气隙磁通密度B。从仿真计算模型中提取距离杜瓦外壁25mm处的空间磁密云图如图13所示。

图13 距离杜瓦外壁25mm处磁密云图

由图13可以看出,在高温超导长定子绕组的有效部分,超导线圈的磁密分布不均匀,中间磁密高,边缘磁密低。提取该平面超导长定子绕组上下边缘和中间位置的磁密分布如图14、图15、图16所示。

图14 高温超导长定子绕组中心线处的磁密分布

图15 高温超导长定子绕组上边缘Y=80处的磁密分布

图16 高温超导长定子绕组下边缘Y=-80处的磁密分布

从图14、图15、图16中可以看出,超导磁体在长定子绕组有效宽度范围内磁场分布不均匀,中心处的磁密强度达到0.6T,但绕组上下边缘处的磁密强度均不到0.4T。而在二维有限元计算模型为三维模型的中部平面,此处的气隙为0.6T,未考虑气隙磁密不均匀的影响。这与图7(d)二维计算结果相符。因此超导磁体在气隙中磁密分布不均是引起二维计算结果偏大的主要因素。

为了能够计算电磁推力与电流的关系,在三维计算模型中将定子电流增加到70A,仿真计算结果如图17所示。此时电机牵引力为1125.62N,牵引力系数与定子绕组通入电流为60A的三维计算参数相同,为kf=16.08。因此可以根据该牵引力系数计算牵引系统定子电流。

图17 超导长定子电流为70A时的电机牵引力

4 长定子高温超导直线同步电机结构设计

长定子高温超导直线同步电机长定子为无铁心结构。单个长定子线圈结构如图18所示,三相超导长定子线圈排列为ACB,其相邻线圈为上下层叠放结构,上层线圈设计为18匝,下层线圈设计为20匝,其外形尺寸如图19所示。

图18 长定子高温超导直线同步电机单个长定子线圈截面图

图19 长定子高温超导直线同步电机三相长定子线圈排列局部图

4.1 长定子绕组结构设计

由于长定子高温超导直线同步电机的长定子绕组为空心结构,本文采用骨架式结构用于线圈绕组固定。线圈骨架为树脂成型结构,同时承受直线电机的牵引力和法向力作用。线圈绕组为200级聚酰亚胺薄膜绕包烧结铜扁线,沿线圈骨架绕制而成,两侧用聚酯板夹紧并通过6个均匀紧固件锁定进行固定,最后进行整体真空浸漆处理。其实物如图20所示。

图20 高温超导直线电机线圈绕组结构

4.2 引出线处理

长定子高温超导直线同步电机的长定子绕组线饼裸露在外面经受风霜雨雪、温度、湿度的考验,所有这些都对直线电机的绝缘系统提出严峻考验[6]。其中线圈引线并头处更是绝缘系统的薄弱环节,本方案在线圈引线并头处采用经过特殊工艺处理焊接而成的铜条过渡接头。同时采用云母带和玻璃纤维进行绝缘处理,随整个线圈进行真空浸漆处理。达到较好的绝缘性能和环境适应性效果。

4.3 长定子线圈接线设计

根据长定子直线电机原理,在长定子三相对称绕组中通入对称的三相交流电时,在气隙中需形成幅值恒定的行波磁场。长定子高温超导直线同步电机的定子绕组设计为三相单层整距波绕组结构接线原理,为了能够确保三相绕组的正向(即ABC接头)引出线的引出方向在长定子的下侧,因此需要在A相和B相接头之间空出一个虚拟定子槽;同理,对于三相绕组的负向(即XYZ接头),在Z相和X相引出线之间亦要空出一个虚拟定子槽。详细如图21所示。

图21 长定子高温超导直线电机绕组接线原理图

由图21可知,长定子高温超导直线电机绕组从左至右的排列顺序为AZBXCY。因此,当对应相序的三相电流通入该绕组中时形成的行波磁场方向为从左到右。

5 长定子高温超导直线同步电机试验与分析

利用实物开展试验研究是理论计算结果和工程参数设计的重要检验方法,并提供参数修正计算算法,为工程设计提供宝贵经验[7]。本文拟对长定子高温超导直线电机试验样机开展参数测试与牵引试验,试验样机实物如图22所示。

图22 长定子高温超导直线电机试验样机实物

5.1 参数测试

(1)高温超导直线电机长定子电阻测试

利用电桥测量静态长定子绕组电阻,在定子上无超导磁体的情况下,将两侧长定子线圈在首端左右两侧进行串接,另一端的左侧端部绕组进行星接。再将右侧端部绕组通入交流电,通过测量有功功率和定子电流计算定子电阻,其计算如式(2),测试数据详见表2。

(2)

表2 长定子绕组电阻测试数据

由表2可知,电阻设计值和测试值误差约为5.98%,在工程设计允许误差范围内。

(2)高温超导直线电机长定子漏感测试

测试试验前处理与高温超导直线电机长定子电阻测试相同,在右侧端头施加一定频率和幅值的交流电压(幅值和频率需根据设计的电机参数确定),观测定子电流大小,使其不超过电机和变流器的承受范围。漏感测试计算如式(3),测试数据详见表3。

(3)

表3 长定子绕组楼电感测试数据

由表3可知,漏电感设计值和测试值误差约为6.81%,在工程设计允许误差范围内。

5.2 牵引力测试

通过DCU分别给不同的iq电流,在iq闭环控制模式进行堵转力矩试验测试。通过拉力传感器进行牵引力测试。测试数据详见表4。

表4 牵引力测试数据

由表4可知,牵引力测试数据与设计值误差最大约7.45%,满足工程设计要求。

通过本节的高温超导直线电机的长定子参数测试和牵引力试验的数据分析,说明了本文所采用的长定子高温超导直线同步电机计算方法和试验方法合理,为高温超导长定子直线电机的工程应用设计和控制策略提供参考。

6 结语

首先,阐述了长定子高温超导直线电机试验样机的组成和功能。再者,开展了长定子高温超导直线电机试验样机的二维/三维电磁仿真模型的构建和电磁仿真研究。确定其电磁方案和牵引系统组成。通过理论推导,阐述二维模型电磁仿真的误差较大的影响因数,再由三维建模仿真进行校正,为原理样机设计提供理论支撑。其次,完成了长定子高温超导直线电机试验样机设计,详细阐述了长定子高温超导直线电机的长定子各部件工艺设计与实现。最后,开展了长定子高温超导直线电机试验样机的参数测试和牵引力试验。通过试验研究验证了设计方法合理,仿真参数计算准确。为推进高温超导直线电机的工程化应用奠定了理论基础。