磁浮軌道檢測平臺直線電機設計與仿真計算

袁茂林 張興華 何健波

(湖南凌翔磁浮科技有限責任公司，湖南 長沙 410000)

磁懸浮列車是通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向，再利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行的現代高科技軌道交通工具[2]。

為保證磁浮列車的正常平穩運行，必須保證磁浮軌道及相關設備的運行狀態、參數控制在標準的范圍內。在軌道竣工驗收及日常運行維護檢測過程中，為減輕勞動強度，提高檢測精度和效率，降低運營成本和降低工作過程中的安全風險，有必要開發磁浮軌道綜合檢測平臺。檢測平臺搭載直線驅動電機、電源、傳感器、控制箱等設備，具備獨立的懸浮、牽引、檢測功能。檢測平臺總重量為1000kg。滿足0～24km/h 能保持加速度0.7m/s2，計算單臺電機推力需求為350N；滿足以50km/h 速度巡航，計算單臺電機推力需求為120N。基本結構及布局如圖1。

圖1 檢測平臺結構

本文在典型的HSST 中低速磁懸浮列車牽引電機[3]的基礎上，設計了應用于檢測平臺的感應直線電機結構示意如圖2。

圖2 直線電機結構示意圖

1 主要設計參數

直線電機及軌道設計符合長沙磁浮快線軌道尺寸[4]，如表1。

表1

2 電磁鐵設計及有限元分析

2.1 仿真模型

依次完成幾何模型建立、材料編輯設定、設置線圈和電路連接、設置邊界條件、設置網格剖分，在ansys maxwell2D 中建立圖3 所示直線感應電機模型。

圖3 直線感應電機模型

2.2 仿真計算及結果

2.2.1 額定轉差點

仿真設置：三相對稱電流有效值Irms=175A；運動速度=0(堵轉)；電源頻率f 從5HZ 到18HZ 每1HZ 一個掃描點。查看電機推力輸出值和法向吸力。

仿真結果：電機推力如圖6；法向吸力如圖7。綜合考慮電機推力和法向吸力值確定電機額定轉差頻率為15HZ。

圖4 網格剖分圖

圖5 繞組展開圖

圖6 電機推力

圖7 法向吸力

2.2.2 峰值電流起動推力

仿真設置：三相電流有效值Irms=175A；運動速度=24km/h；電源頻率：33.52HZ(轉差頻率15HZ)。

仿真結果：

a.電機推力351N；轉矩脈動：31.58N(9%)。如圖8。

圖8 電機推力

b.法向吸力：56.6N。如圖9。

圖9 法向吸力

c. 峰值電流時，最大磁密為1.62T 在初級定子軛部。如圖10。

圖10 磁密分布云圖

2.2.3 速度50km/h 巡航電流及推力值

仿真設置：三相電流有效值Irms= 110 A；運動速度=50km/h；電源頻率：53.58HZ(轉差頻率15HZ)。

仿真結果：

a.電機推力133.7N；轉矩脈動：19.6N(14.6%)。如圖11。

圖11 電機推力

b.法向吸力：45N。如圖12。

圖12 法向吸力

c.線感應電壓有效值23.5V，最大值33.9V。如圖13。

圖13 線感應電壓

3 結論

電機峰值電流Irms= 175A，線規采用鋁線2*1.6×11.5，電流密度為4.75A/mm2，線負荷4.2 A/cm, 所以熱負荷為19.95 A/cm·mm2。按設計要求以0.8m/s2從0 加速到24km/h 需9.5 s。50km/h 速度巡航需要Irms= 110 A，電流密度為2.99 A/mm2,線負荷2.64 A/cm,所以熱負荷為12.54 A/cm·mm2峰值電流時，最大磁密為1.62T 未達到鐵芯材料50W310 的磁密飽和值。

仿真結果顯示，在達到設計目標的前提下，直線電機具有一定的性能提升空間。