長定子高溫超導直線同步電機設計與研究*

袁賢珍,趙岸峰,石煜,馮瑤鑫,李光烈

(1中車株洲電力機車研究所有限公司,湖南株洲412001;2株洲中車時代電氣股份有限公司,湖南株洲412001)

0 引言

直線電機是一種不需要中間轉換設備就可以把電能轉變成為直線運動機械能的傳動裝置,具有廣泛的應用前景。其機械結構簡單,具有高速、高效率、工作安全可靠等特點。超導直線電機的相關研究是高速磁浮交通的核心,其設計與制造技術也是直線驅動領域的研究熱點[1]。

由于超導材料具有大電流、零阻態等優點。將超導材料引入直線電機繞組中,將極大增加直線電機勵磁繞組性能、勵磁磁場強度和牽引力密度。但是國內關于長定子高溫超導直線電機技術研究甚少,工程化應用幾乎沒有。文獻[1]開展了空心高溫超導直線電機的模型研究和樣機設計及試驗;文獻[2]開展了短定子無鐵心和有鐵心超導直線感應電機模型的仿真分析和電磁特性研究;文獻[3]研究了高溫超導雙邊長定子直線電機模型和電磁參數特性;文獻[4]搭建了超導感應直線電機有限元模型和電磁參數特性分析。文獻[5]對高溫超導釘扎懸浮導向系統和高溫超導直線牽引系統進行了方案設計和仿真驗證。本文在“十三五”國家重點研發磁浮交通系統項目及其掀起的國內磁浮技術熱浪的大背景下,搭建了長定子高溫超導直線同步電機試驗樣機試驗臺,開展了長定子電磁分布特性、樣機試制工藝和牽引試驗研究。為高溫超導直線電機在磁浮交通、物流傳輸等工業領域技術應用積累工程設計經驗。

1 長定子高溫超導直線同步電機試驗樣機介紹

長定子高溫超導直線電機試驗樣機主要由超導磁體、低溫杜瓦、直線電機長定子、懸浮線圈、小車軌道、位置檢測裝置、變流器以及DCU(包括小車控制器和變流控制器)等組成,如圖1所示。其核心設備為長定子高溫超導直線同步電機,利用在低溫下具有零電阻、強磁場特性的超導材料制作直線電機動子磁極,超導磁體在勵磁后具有恒定電流流動,產生恒定勵磁磁場。長定子線圈布置在軌道側壁上,通過牽引主電路通入三相對稱交流電壓用以實現高溫超導直線電機牽引和制動。本文以長定子高溫超導直線同步電機試驗樣機為研究對象,開展長定子高溫超導直線電機電磁分析、結構設計和試驗研究。其系統構成如圖2所示。

圖1 長定子高溫超導超導直線電機試驗樣機組成

圖2 長定子高溫超導超導直線電機試驗樣機

2 長定子高溫超導直線同步電機模型

長定子高溫超導直線同步電機試驗樣機設計參數見表1。

表1 設計參數

根據高溫超導直線電機設計參數在有限元仿真軟件中構建二維高溫超導直線電機雙邊長定子仿真計算模型。其中超導磁體勵磁簡化為750 kA·匝磁動勢勵磁次級,長定子空心線圈為集中繞組雙層結構,詳見圖3所示。

圖3 長定子高溫超導直線電機二維模型

長定子高溫超導直線同步電機的三維仿真模型如圖4所示,其中間4個線餅為高溫超導磁體,兩側環扣線餅為空心長定子繞組,長定子繞組鏡像分布于高溫超導線圈兩側,繞組型式為三相單層整距繞組,長定子三相繞組和高溫超導磁體模型分別如圖5和圖6所示。規定高溫超導磁體的運動方向為X方向。

圖4 長定子高溫超導直線電機三維模型

圖5 單側長定子三相繞組模型

圖6 高溫超導磁體模型

3 長定子高溫超導直線同步電機電磁分析

3.1 二維有限元分析

通過有限元仿真軟件進行后處理,長定子高溫超導直線同步電機的定子線圈激勵按照1200安匝加載和2m/s運行速度進行瞬態計算,采用地球邊界條件進行求解。求解得到的電機磁場強度云圖、牽引力以及長定子線圈處磁場強度的結果如圖7所示。

圖7 長定子高溫超導直線電機二維計算結果

由圖7(a)和圖7(d)可知,超導磁體表面為磁場強度最大處且約為1.6T,長定子線圈處磁場強度約為0.6T。由圖7(b)可知,超導直線電機電磁牽引力為1340N,最大值約為1380N,最小值約為1250N,計算電磁牽引力波動率為6.7%。由圖7(c)可知,直線電機法向力最大值為3.8N,這是由于采用雙邊長定子結構型式所產生的法向力相互抵消所致。

3.2 三維有限元分析

(1)網格劃分

根據現有工程設計經驗,有限元軟件自動網格劃分就能滿足工程計算精度,為了節省計算資源和時間。本文的研究采用有限元軟件對仿真模型及計算域進行自動網格劃分,網格劃分結果如圖8、圖9所示。

圖8 高溫超導長定子繞組網格劃分局部示意圖

圖9 長定子高溫超導直線同步電機三維網格剖分圖

(2)仿真結果與分析

定子電流加載為60A時,高溫超導直線電機的仿真結果如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 超導長定子電流為60A時牽引力掃描曲線

圖11 超導長定子電流為60A時Y向側向力

圖12 超導長定子電流為60A時Z向側向力

由圖11可知：Y向側向力約為2.1N,Z向側向力約為4.3N。這是由于該仿真模型繞組中心線和超導線圈的中心線在同一水平面,因此超導線圈受到的Y向側向力和Z向側向力各自相互抵消所致。

由圖10可知：高溫超導直線電機定子電流為60A時,其最大牽引力為964.951N,推力系數為kf=16.08,該結果與3.1節二維仿真結果存在較大差異,下面進行其誤差產生原因和參數修正分析。

由于該長定子高溫超導直線同步電機的磁路部分全部為空氣,不存在磁路飽和的影響。此時電機牽引力與電流、磁密之間的數學表達式為線性數學關系如式(1)。

F=BIL

(1)

在仿真分析過程中定子電流和仿真定子段長度為設定值,式(1)中電流I和L即為常數。因此牽引力的主要影響因數為氣隙磁通密度B。從仿真計算模型中提取距離杜瓦外壁25mm處的空間磁密云圖如圖13所示。

圖13 距離杜瓦外壁25mm處磁密云圖

由圖13可以看出,在高溫超導長定子繞組的有效部分,超導線圈的磁密分布不均勻,中間磁密高,邊緣磁密低。提取該平面超導長定子繞組上下邊緣和中間位置的磁密分布如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 高溫超導長定子繞組中心線處的磁密分布

圖15 高溫超導長定子繞組上邊緣Y=80處的磁密分布

圖16 高溫超導長定子繞組下邊緣Y=-80處的磁密分布

從圖14、圖15、圖16中可以看出,超導磁體在長定子繞組有效寬度范圍內磁場分布不均勻,中心處的磁密強度達到0.6T,但繞組上下邊緣處的磁密強度均不到0.4T。而在二維有限元計算模型為三維模型的中部平面,此處的氣隙為0.6T,未考慮氣隙磁密不均勻的影響。這與圖7(d)二維計算結果相符。因此超導磁體在氣隙中磁密分布不均是引起二維計算結果偏大的主要因素。

為了能夠計算電磁推力與電流的關系,在三維計算模型中將定子電流增加到70A,仿真計算結果如圖17所示。此時電機牽引力為1125.62N,牽引力系數與定子繞組通入電流為60A的三維計算參數相同,為kf=16.08。因此可以根據該牽引力系數計算牽引系統定子電流。

圖17 超導長定子電流為70A時的電機牽引力

4 長定子高溫超導直線同步電機結構設計

長定子高溫超導直線同步電機長定子為無鐵心結構。單個長定子線圈結構如圖18所示,三相超導長定子線圈排列為ACB,其相鄰線圈為上下層疊放結構,上層線圈設計為18匝,下層線圈設計為20匝,其外形尺寸如圖19所示。

圖18 長定子高溫超導直線同步電機單個長定子線圈截面圖

圖19 長定子高溫超導直線同步電機三相長定子線圈排列局部圖

4.1 長定子繞組結構設計

由于長定子高溫超導直線同步電機的長定子繞組為空心結構,本文采用骨架式結構用于線圈繞組固定。線圈骨架為樹脂成型結構,同時承受直線電機的牽引力和法向力作用。線圈繞組為200級聚酰亞胺薄膜繞包燒結銅扁線,沿線圈骨架繞制而成,兩側用聚酯板夾緊并通過6個均勻緊固件鎖定進行固定,最后進行整體真空浸漆處理。其實物如圖20所示。

圖20 高溫超導直線電機線圈繞組結構

4.2 引出線處理

長定子高溫超導直線同步電機的長定子繞組線餅裸露在外面經受風霜雨雪、溫度、濕度的考驗,所有這些都對直線電機的絕緣系統提出嚴峻考驗[6]。其中線圈引線并頭處更是絕緣系統的薄弱環節,本方案在線圈引線并頭處采用經過特殊工藝處理焊接而成的銅條過渡接頭。同時采用云母帶和玻璃纖維進行絕緣處理,隨整個線圈進行真空浸漆處理。達到較好的絕緣性能和環境適應性效果。

4.3 長定子線圈接線設計

根據長定子直線電機原理,在長定子三相對稱繞組中通入對稱的三相交流電時,在氣隙中需形成幅值恒定的行波磁場。長定子高溫超導直線同步電機的定子繞組設計為三相單層整距波繞組結構接線原理,為了能夠確保三相繞組的正向(即ABC接頭)引出線的引出方向在長定子的下側,因此需要在A相和B相接頭之間空出一個虛擬定子槽;同理,對于三相繞組的負向(即XYZ接頭),在Z相和X相引出線之間亦要空出一個虛擬定子槽。詳細如圖21所示。

圖21 長定子高溫超導直線電機繞組接線原理圖

由圖21可知,長定子高溫超導直線電機繞組從左至右的排列順序為AZBXCY。因此,當對應相序的三相電流通入該繞組中時形成的行波磁場方向為從左到右。

5 長定子高溫超導直線同步電機試驗與分析

利用實物開展試驗研究是理論計算結果和工程參數設計的重要檢驗方法,并提供參數修正計算算法,為工程設計提供寶貴經驗[7]。本文擬對長定子高溫超導直線電機試驗樣機開展參數測試與牽引試驗,試驗樣機實物如圖22所示。

圖22 長定子高溫超導直線電機試驗樣機實物

5.1 參數測試

(1)高溫超導直線電機長定子電阻測試

利用電橋測量靜態長定子繞組電阻,在定子上無超導磁體的情況下,將兩側長定子線圈在首端左右兩側進行串接,另一端的左側端部繞組進行星接。再將右側端部繞組通入交流電,通過測量有功功率和定子電流計算定子電阻,其計算如式(2),測試數據詳見表2。

(2)

表2 長定子繞組電阻測試數據

由表2可知,電阻設計值和測試值誤差約為5.98%,在工程設計允許誤差范圍內。

(2)高溫超導直線電機長定子漏感測試

測試試驗前處理與高溫超導直線電機長定子電阻測試相同,在右側端頭施加一定頻率和幅值的交流電壓(幅值和頻率需根據設計的電機參數確定),觀測定子電流大小,使其不超過電機和變流器的承受范圍。漏感測試計算如式(3),測試數據詳見表3。

(3)

表3 長定子繞組樓電感測試數據

由表3可知,漏電感設計值和測試值誤差約為6.81%,在工程設計允許誤差范圍內。

5.2 牽引力測試

通過DCU分別給不同的iq電流,在iq閉環控制模式進行堵轉力矩試驗測試。通過拉力傳感器進行牽引力測試。測試數據詳見表4。

表4 牽引力測試數據

由表4可知,牽引力測試數據與設計值誤差最大約7.45%,滿足工程設計要求。

通過本節的高溫超導直線電機的長定子參數測試和牽引力試驗的數據分析,說明了本文所采用的長定子高溫超導直線同步電機計算方法和試驗方法合理,為高溫超導長定子直線電機的工程應用設計和控制策略提供參考。

6 結語

首先,闡述了長定子高溫超導直線電機試驗樣機的組成和功能。再者,開展了長定子高溫超導直線電機試驗樣機的二維/三維電磁仿真模型的構建和電磁仿真研究。確定其電磁方案和牽引系統組成。通過理論推導,闡述二維模型電磁仿真的誤差較大的影響因數,再由三維建模仿真進行校正,為原理樣機設計提供理論支撐。其次,完成了長定子高溫超導直線電機試驗樣機設計,詳細闡述了長定子高溫超導直線電機的長定子各部件工藝設計與實現。最后,開展了長定子高溫超導直線電機試驗樣機的參數測試和牽引力試驗。通過試驗研究驗證了設計方法合理,仿真參數計算準確。為推進高溫超導直線電機的工程化應用奠定了理論基礎。