中低速磁浮單邊直線電機設(shè)計及特性優(yōu)化

陳雅婷， 陳特放， 鄧江明， 于天劍， 唐建湘， 成　庶

(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 長沙 410075)

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中低速磁浮單邊直線電機設(shè)計及特性優(yōu)化

陳雅婷， 陳特放， 鄧江明， 于天劍， 唐建湘， 成庶

(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 長沙 410075)

為滿足中低速磁浮用單邊直線感應(yīng)電機(single-sided linear induction motor，SLIM)的牽引制動特性要求，給出了兩種備選設(shè)計方案：一種是八極-80槽(長度1 927 mm)，一種是八極(虛擬9極)-89槽(長度2 047 mm). 在結(jié)構(gòu)空間、材料成本酌優(yōu)考量的基礎(chǔ)上，對SLIM的繞組極數(shù)、節(jié)距、匝數(shù)、槽型、布線等的快速準(zhǔn)確定型，對兩種SLIM設(shè)計方案分別進行磁路、磁勢、等值電路、起動特性等的計算，給出相應(yīng)的理論計算及仿真測試結(jié)果. 實驗結(jié)果表明：兩種備選方案均能滿足中低速磁浮牽引要求，其中八極-80槽已經(jīng)量產(chǎn)化，八極-89槽可行性已被驗證. 對結(jié)果分析可以得知SLIM設(shè)計流程和相關(guān)特性計算方法能為中低速磁懸浮列車驅(qū)動用SLIM的優(yōu)化設(shè)計提供參考，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，可準(zhǔn)確地計算出與SLIM動態(tài)控制有關(guān)的參數(shù)的靜態(tài)值.

單邊直線感應(yīng)電機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；參數(shù)計算；優(yōu)化；有限元分析

磁浮列車具備安全舒適、綠色環(huán)保、噪聲和污染小等性能，是客運交通運輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[1]. 而中低速磁浮列車更以其低噪聲、低能耗、線路適應(yīng)性強及線路成本低等優(yōu)點成為城市內(nèi)部有競爭力的新型公共交通工具[2]. 準(zhǔn)確的電機參數(shù)對電機控制和建模意義重大，與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機相比，直線感應(yīng)電機的機械氣隙較大，通常情況下勵磁電感相比于等容量的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機小很多[3]. 直線感應(yīng)電機的初級繞組嵌于槽內(nèi)，次級常采用無槽的鋁鐵復(fù)合次級，使得直線感應(yīng)電機的初級和次級漏感差別較大，直線電機是磁浮列車重要的工作部件，而且是依靠直線感應(yīng)電機來實現(xiàn)列車的牽引與制動的，但如何能對直線電機快速選型及電機參數(shù)的計算是至關(guān)重要的[4]. 其動態(tài)特性和結(jié)構(gòu)可靠性對車輛有直接影響,有必要對其動態(tài)特性進行研究. 同時，磁浮列車為電磁懸浮，對其動態(tài)參數(shù)控制有嚴(yán)格要求，為增大載重及提高列車運行可靠性，本文對其結(jié)構(gòu)進行有限元分析，對其開展中低速磁浮列車的懸浮控制具有重要意義[5].

1　中低速磁浮SLIM定型設(shè)計約束條件

由于應(yīng)用環(huán)境、位置、空間和條件的約束，SLIM的幾個主要定型參數(shù)已經(jīng)是確定的，它們分別是電機額定線電壓U=220 V；電機設(shè)計長度L=1 800～2 000 mm；電機次級為鋁-鐵復(fù)合結(jié)構(gòu)，鋁板厚4 mm，鐵軛厚度20 mm；電機機械氣隙13 mm，電磁氣隙δ=17 mm；電機寬不大于560 mm，電機鐵心高85 mm. 1.2SLIM容量與最大工作電流選擇

從運行的可靠性角度出發(fā)，同類SLIM在額定點附近(40 km/h)效率大約為50%，功率因數(shù)大約為0.57，在40 km/h時電機的牽引功率為36 kW，故牽引電機的容量確定為

式中: η和cosφ分別為額定點電機的效率、功率因數(shù). 選擇SLIM容量為130kVA，則最大工作電流為

因此SLIM的最大工作電流設(shè)計為340 A，額定頻率f=39.4 Hz.

2　SLIM的快速參數(shù)定型過程

1)給定設(shè)計的基本參數(shù)：設(shè)計的初級線負(fù)荷約為As=84 000 A/m，設(shè)計的氣隙磁通密度約為B=0.18 T，設(shè)計的每極每相槽數(shù)q1=3，繞組節(jié)距為y=8.

2)根據(jù)車底安裝空間限制，確定電機的長度范圍，這樣可以預(yù)先確定電機的極數(shù)和極距參數(shù). 技術(shù)流程如下：設(shè)實際的電機極數(shù)為2P，則有效長度范圍內(nèi)的虛擬極數(shù)為2P+1，極距的范圍計算為

因為電機設(shè)計相數(shù)m1=3，每極每相槽數(shù)q1=3，故取一個能被9整除的數(shù)值，即τ=207 mm和216 mm，此時分別對應(yīng)2P=9(9為虛擬極數(shù)，實際有效極數(shù)8個)和2P=8，然后根據(jù)以下修正的槽數(shù)Z的計算公式，可得Z=2P·m1·q1+y，即8極的Z=80，8極的Z=89. 如表1所示的兩種可選設(shè)計方案，并分別定義型號為M-1和M-2.

3)初級繞組導(dǎo)線選型及參數(shù)計算

根據(jù)最大工作電流選擇導(dǎo)線的截面積：A=Ist/J，電機初級允許最大工作電流Ist=340 A，根據(jù)成本要求，選擇鋁材質(zhì)導(dǎo)線，其單位面積電流量為J=3～4 A/mm2. 因此導(dǎo)線截面積最小為A=340/4=85 mm2. 選擇導(dǎo)線線規(guī)18.5 mm×5.2 mm，則導(dǎo)線截面積A=96.2 mm2>85 mm2.

表1　SLIM兩種可選設(shè)計方案

此時推算電機的最大線負(fù)荷為

表2　SLIM兩種可選設(shè)計方案

4)槽型選擇和參數(shù)計算

計算初級繞組導(dǎo)體總寬15.6 mm. 當(dāng)導(dǎo)體線圈用0.1 mm聚酰亞胺帶繞兩層后，總的槽寬bs為16.8 mm. 根據(jù)M-1和M-2的齒距分別計算齒寬bt：M-1齒寬為7.2 mm, M-2齒寬為6.2 mm，計算初級繞組導(dǎo)體總高為37 mm. 取槽楔高h(yuǎn)0是3 mm，考慮各層間絕緣厚度，故槽深h0+h1=40.8 mm. 取槽深為41.0 mm. 計算初級鐵軛高Hy=44 mm.

當(dāng)電機槽型選為開口槽時，如圖1所示，得各參數(shù)對照如表3所列.

圖1　SLIM槽型及結(jié)構(gòu)尺寸

SLIM型號bs/mmbt/mmh1/mmh0/mmht/mmM-116.87.237.8341M-216.86.237.8341

5)初級繞組特性計算[7]

表4　SLIM兩種可選設(shè)計方案初級繞組參數(shù)特性Tab.4　Two optional design parameter characteristics of SLIM primary winding

6)SLIM的磁路計算[8]

表5　SLIM兩種可選設(shè)計方案氣隙磁路參數(shù)特性Tab.5　Air gap magnetic circuit parameter characteristics for SLIM’s two optional designs

7)電機磁勢計算

表6　SLIM兩種可選設(shè)計方案電機磁勢參數(shù)特性Tab.6　Motor magnetic potential parameter characteristics for SLIM’s two optional designs

8)等值電路計算

初級繞組磁導(dǎo)相關(guān)參數(shù)見表7.

表7SLIM兩種可選設(shè)計方案磁導(dǎo)參數(shù)特性

Tab.7Magnetic conductance parameter characteristics for SLIM’s two optional designs

SLIM型號Lcp/mmλsλtλeλdxδ/ΩM-1552.40.87050.51260.76670.10000.01571M-2539.80.87050.51260.73470.09530.01650

9)起動特性計算

初級回路電流為

起動功率因數(shù)為

啟動相關(guān)特性參數(shù)對照見表8.

表8SLIM兩種可選設(shè)計方案起動特性參數(shù)特性

Tab.8Starting parameter characteristics for SLIM’s two optional deisgns

SLIM型號Ist/AcosφE1/VkeFst/NM-1545.80.550561.0270.51943232M-2559.60.573366.4870.52353923

從表8可以看出，M-2型電機比M-1型啟動電流大，功率因素高，啟動推力高21.3%.

3　輸出外特性測試

兩種備選設(shè)計方案所涉及的SLIM能否滿足中低速范圍內(nèi)牽引制動特性要求，是必然要進行相關(guān)測試加以驗證的. 結(jié)合感應(yīng)電機的運行原理可知在SLIM高速運行區(qū)域，隨著初級繞組感生電動勢的增加，初級電流會出現(xiàn)下垂特性[10-11]，如圖2所示. 在SLIM穩(wěn)態(tài)的T-型等效電路模型中這部分是無法直觀描述的，對此本文結(jié)合目前國內(nèi)外相關(guān)設(shè)計測試資料[12]，為獲得SLIM優(yōu)良控制性能，SLIM初級電流與電機速度的變化特性為SLIM初級電流有效值在時速>60 km/h以后會有下垂特性，這與實際運行工況相符合.

圖2　備選設(shè)計方案SLIM的工作電流-速度特性

圖3給出的是通過國內(nèi)外相關(guān)資料并結(jié)合此前設(shè)計計算方案獲得的SLIM功率因數(shù)的特性圖[13]. 由圖3可知，備選的八極-89槽SLIM設(shè)計方案比八極-80槽SLIM設(shè)計方案在電機功率因數(shù)和效率上都要稍高一些，如圖4所示，因此該方案各方面的性能表現(xiàn)更好.

圖3　備選設(shè)計方案SLIM的計算功率因數(shù)-速度特性

圖4備選設(shè)計方案SLIM的推力(Fx)法向力(Fy)有限元計算-速度特性

Fig.4The finite element calculation-speed characteristics

電流-滑差控制特性下兩種設(shè)計方案下電機的推力輸出特性[14]：

1)第1種是在恒定的額定電流340 A工況下，當(dāng)滑差頻率從零變化到額定頻率，也即0～39.4 Hz過程中，電機的推力輸出特性如圖5所示.

圖5　推力輸出與滑差頻率的變化特性

由圖5可知：一是電機工作在法向力最優(yōu)點滑差頻率推力輸出可以滿足單臺SLIM的牽引控制要求；二是獲得在推力峰值點的推力最優(yōu)點滑差推力峰值點. 其中，推力最優(yōu)點滑差頻率及其峰值力的計算可直接通過SLIM的T-模型獲得

結(jié)合前面設(shè)計參數(shù)，并由互感參量計算式為

次級等效電阻計算式[15]為

次級漏感簡化計算式為

得到最終簡化的最優(yōu)點3個控制參數(shù)Lm、Rs、Lls，如表9所示.

表9SLIM兩種可選設(shè)計方案控制相關(guān)動態(tài)參數(shù)精確計算

Tab.9Precise calculation for controlling dynamic parameters of SLIM’s two optional designs

SLIM型號Rs/ΩLm/mHLls/mHM-10.0521622.1574790.778728M-20.0544292.0544720.720659

2)第2種是在恒定的法向力最優(yōu)點控制滑差頻率13.69 Hz下，當(dāng)電機初級電流有效值從啟動到額定值并考慮到高速區(qū)感生電動勢增強致電流下垂的特性，電機的推力輸出特性如圖6所示.

由圖6可知，即使考慮了高速區(qū)電流的下垂特性，在法向力最優(yōu)點恒定滑差頻率13.69 Hz下，采用兩種電機設(shè)計方案的整個磁浮列車牽引力輸出都高于15 kN，完全在列車所受總阻力之上，也即兩種設(shè)計方案都能夠滿足120 km/h中低速范圍內(nèi)的牽引要求. 從圖6中也可以發(fā)現(xiàn)，八極-89槽(M-2型)備選方案的SLIMs(30臺同時工作)相比八極-80槽(M-1型)的SLIMs(30臺同時工作)在整體牽引力輸出上要高出約10%，尤其是當(dāng)SLIM設(shè)計在額定運行工況30～40 km/h時，M-2型設(shè)計方案要優(yōu)于M-1型設(shè)計方案，對磁浮牽引能力的提升很有幫助. 當(dāng)然，本設(shè)計方案還僅僅是考慮SLIM電機的機械氣隙為17 mm懸浮前的牽引力設(shè)計要求，若考慮磁浮列車處于懸浮穩(wěn)定的工況下，此時SLIM的機械氣隙約8 mm，這樣電機的推力特性曲線會至少抬升20%～ 30%.

圖6　頻率13.69 Hz下兩種設(shè)計方案牽引特性驗證

4　有限元仿真測試結(jié)果

兩個備選方案的電機，但是對于SLIM的實際推力和法向力測試比較困難，因為當(dāng)SLIM處于運行的過程中時，其推力和法向力的測試也必須是動態(tài)跟隨的，因此是有一定的困難，不過，借助Ansoft/ maxwell可以近似了解兩種設(shè)計方案的優(yōu)劣性，可以采用有限元仿真的方法在同一工作條件、環(huán)境及材料屬性下對比驗證兩個方案的力特性，恒滑差頻率取為13.69 Hz，仿真計算結(jié)果統(tǒng)計如圖7～8所示. 從實驗結(jié)果可以看出，M-2型比M-1型不論是低速區(qū)還是中高速區(qū)輸出的推力都要高約16%，此外由于取電機在懸浮氣隙8 mm下，兩者的法向力輸出約為300～600 N，但M-2在中高速區(qū)法向力輸出相比M-1型約少了12%.

圖7　八極-89槽SLIM初級感應(yīng)磁鏈特性

Fig.7Primary induction flux characteristics of 8 pole-89 slot SLIM

圖8　兩種方案下的SLIM恒電流恒滑差頻率輸出特性對比

觀察圖8所示的兩種SLIM設(shè)計方案輸出特性可知：八極-89槽電機輸出推力為(3200±50)N，比八極-80槽電機高約23%(理論計算值為16%)，而初級鐵芯在參考法向y軸所受法向力約為-800N左右，與八極-80槽電機所受法向力相差不大. 整體來說，備選八極-89槽SLIM雖然增加了小的成本，但換取了電機較大的性能提升.

圖9給出的是中低速磁懸浮列車用8極-80槽SLIM安裝布局示意. 經(jīng)過現(xiàn)場的牽引制動測試后發(fā)現(xiàn)既有的SLIM方案基本滿足此前的設(shè)計要求. 考慮到設(shè)計、工藝制造成本及條件的限制，八極(虛擬9極)-89槽的SLIM并非現(xiàn)場加工制作出來，不過通過前面的理論計算與有限元仿真驗證，表明了該方案的可行性，對提升磁浮SLIM的整體性能很有幫助.

圖9　單轉(zhuǎn)向架試驗小車SLIM及懸浮電磁鐵布局

5　結(jié)　論

1)從滿足中低速磁浮用SLIM的牽引制動特性要求出發(fā)給出了兩種直線電機的備選設(shè)計方案，一種是八極-80槽長度1 927 mm，一種是八極-89槽長度2 047 mm，此兩種直線電機在磁懸浮轉(zhuǎn)向架安裝上都能滿足長寬高上空間尺寸的要求.

2)在結(jié)構(gòu)空間、材料成本酌優(yōu)考量的基礎(chǔ)上，給出一種SLIM快速定型設(shè)計的方法，對SLIM的繞組極數(shù)、節(jié)距、匝數(shù)、槽型、布線等的快速準(zhǔn)確定型.

3)對兩種SLIM設(shè)計方案分別進行了磁路計算、磁勢計算、等值電路計算、起動特性計算等，并給出相應(yīng)的計算對比結(jié)果. 從設(shè)計計算結(jié)果可知，八極-89槽備選方案不論是在啟動推力，還是在功率因數(shù)電機效率上都優(yōu)于八極-80槽直線電機.

4)8極-80槽SLIM已經(jīng)量產(chǎn)化，其性能測試與理論計算和有限元仿真相差較小，8極(虛擬9極)-89槽SLIM雖未量產(chǎn)化，但其整體性能在理論和仿真實驗上都予以了驗證，是一種優(yōu)化的可行方案.

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(編輯魏希柱)

The design and optimization of the medium-low speed maglev single-sided linear induction motor

CHEN Yating, CHEN Tefang, DENG Jiangming, YU Tianjian, TANG Jianxiang, CHENG Shu

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Two designs of single-sided linear induction motor (SLIM) were proposed to satisfy the required traction of medium-low speed maglev train. Between these two designs, one has a primary core with 8 poles and 80 slots and a length of 1 927 mm, while the other one is a 8-pole-89-slot design with a length of 2 047 mm. With limited installation space and cost as constraints, magnetic flow path, magnet-motive loop, equal circuit coefficients and initial characteristics were calculated so that fast and accurate determinations of the winding number of poles, pitch, the number of turn, groove and wiring become possible. Theoretical calculation and FEA simulations were performed and the results showed that both designs satisfy the traction requirements of medium-low speed maglev trains. The 8-pole-80-slot SLIM is already in quantity production stage, and the feasibility of the 8-pole-89-slot design has been proved. The proposed design procedure of SLIM and the methods to calculate relative characteristics can not only be applied to optimize SLIM designs for medium-low speed maglev trains, but also provide a method to precisely calculate the static values of those variables for dynamic control of a SLIM.

single-sided linear induction motor；construct design； parameter calculation；optimization；finite element analysis

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.015

2014-12-22

國家自然科學(xué)基金(61273158)

陳雅婷(1989—), 女，博士研究生;

成庶，6409020@qq.com

TM359.4

A

0367-6234(2016)09-0083-06

陳特放(1957—), 男，教授，博士生導(dǎo)師