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长定子同步直线电动机的电磁设计

2010年06月24日 18:05 次阅读
摘 要:介绍用于磁悬浮列车中的长定子同步直线电动机的工作原理,指出其电磁设计特点,特别是与一般旋转电机在设计上的不同之处. 并编制了电磁设计程序,为长定子同步直线电动机的计算提供了依据。
关键词:磁悬浮列车;长定子同步直线电动机;电磁设计

国外的交通研究报告指出,距离约为800 km 的大城市之间的中远程运输,对于汽车和火车来说距离太远,对飞机又显得太近,从成本上来说很不经济。然而,这一距离对于磁悬浮列车来说却非常适合,磁悬浮列车以高达500 km/ h 的运行速度可以填补汽车、火车与飞机之间的交通运输空挡,还能减轻汽车和飞机对环境的污染[ 1 ]。因此磁悬浮列车将成为现有交通运输系统的有力补充,并使工业国家存在的高速长途运输问题有望得以解决。

高速磁悬浮铁道运输有EMS 与EDS 两大系统。EMS(机车车辆侧驱动) 是一种吸引式电磁悬浮系统,EDS(轨道侧驱动) 是一种排斥式电动悬浮系统。德国磁悬浮列车的发展经历了从长定子同步直线电动机的EDS,到短定子异步直线电动机的EMS,再到长定子同步直线电动机的EMS 的过程,并最终确定了长定子EMS 的发展路线。

德国高速磁悬浮列车以其无接触式电磁悬浮、驱动和导向系统为铁路交通开辟了新的前景。磁悬浮列车的速度高达500 km/ h,尽管运行速度很高但能量消耗却不大,运行时没有摩擦损耗,舒适性好,对环境的影响很小[ 2 ]。另外其悬浮和导向系统环绕导轨(即车辆从外面包着路面),且悬浮、导向和制动功能被设计成既是冗余的又是各不相同的,因此运行时非常安全。

德国磁悬浮列车经过长达数10 年的发展,技术已趋于成熟,目前几个国家如德国、美国和中国等正考虑将长定子磁悬浮列车投入使用。在美国,拉斯维加斯已决定在该城与洛杉矶之间的交通线上使用德国的高速磁悬浮列车;德国针对磁悬浮列车在国内的应用,也展开了大规模的调查,莱茵走廊/ 美茵—莱茵/ 鲁尔以及北德和南德地区均属考虑之列;中国上海正在建造磁悬浮铁路,使用德国高速磁悬浮列车TR -08 技术,力争成为世界上第一条实际应用的磁悬浮铁路。

1 长定子同步直线电动机

1.1 工作原理

德国TR 型磁悬浮列车无接触式的牵引技术要求采用长定子同步直线电机驱动。电机定子铁心由015 mm 厚的电工钢片叠压而成,被固定在导轨的下部;定子三相绕组由防护电缆组成,预先成形,并由敷线车将其嵌放在导轨两侧的定子槽中。定子三相绕组通电后,产生一个移行磁场,与布置在车辆上的悬浮(励磁) 磁铁相互作用,实现牵引。其工作原理如图1 所示:

 
图1 长定子同步直线电机的工作原理图

为获得恒定的悬浮力,德国TR 型磁悬浮列车采用吸引式电磁悬浮原理,由同步电机的定子铁心与车辆上的悬浮磁铁之间形成气隙磁通产生悬浮力。其悬浮和牵引系统合二为一,这也是德国TR 型磁悬浮列车的优势所在。为满足列车高速运行的要求,TR 型磁悬浮列车采用独立的导向系统,线路两侧垂直地布置有钢板(导向和制动轨),车辆两侧相应地布置有导向磁铁,它与线路的钢板形成闭合回路。电磁铁线圈通电后,可产生足够的横向导向力,但独立导向系统增加了车的重量和线路成本[ 3 ]。

因线路很长,为避免能量损失,将长定子线路分成独立区段,只在车辆所在区段接通电源,由变电站向安装在线路两侧的定子三相绕组供电。改变三相交流电流频率,可从静止到运行速度范围内连续调整牵引力。

1. 2 电磁设计特点

长定子同步直线电动机与一般旋转电机相比,设计计算大致相同,需要经过磁路计算、参数计算、额定励磁磁动势计算、励磁数据计算、损耗和效率计算几个部分[4 ]。所不同的是设计长定子同步直线电动机时,要考虑长定子直线电机的自身特点、以及与一般旋转电机的不同之处,主要表现为:

(1) 旋转电机转子受离心力作用,直线电机转子不受离心力。

(2) 旋转电机径向单边磁拉力互相抵消,只剩下切向力,产生电磁转矩;直线电机单边磁拉力不抵消,正好利用它作为悬浮力。

(3) 直线电机具有边缘效应。

(4) 一般旋转电机定子绕组长期工作,绕组内一直流有电流;而长定子直线电机定子绕组是短时间通电,短时工作。

综上所述,可见长定子同步直线电动机有其自身的电磁设计特点,现归纳如下:

(1) 电机极数多,取每极每相槽数q = 1 ;为便于布置绕组,长定子采用单层绕组,用电缆线直接埋入。

(2) 长定子绕组短时工作,定子绕组电流密度j1 可选得大一些。

(3) 由于每极每相槽数q = 1 且采用均匀气隙,定子齿谐波磁动势较大,利用其产生的一阶和二阶齿谐波磁场与装在转子励磁磁极表面上的直线发电机绕组相互作用,在直线发电机绕组中感应出交流电,输出电功率。当列车运行速度超过100 km/ h 时,车辆所必需的励磁磁能、空调、照明装置以及辅助装置所必需的能源均由直线发电机提供。

(4) 转子不受离心力的影响,而且气隙均匀,因此主极不再需要模压的极靴。

(5) 利用单边磁拉力作为悬浮力,因此直线电机除计算推力外,还要计算悬浮力。

( 6) 边缘效应要用有限元法计算,对直轴同步电抗x d 、交轴同步电抗x q 和直轴瞬态电抗x d ′等参数及推力要进行适当修正。

(7)旋转同步电机的集肤效应系数KF 的计算公式不能用于直线电机,频率f > 30 Hz 时,直线电机随频率变化的系数取KF = 1 +0.004(f -30)。另外,因结构不同,旋转同步电机的机械损耗和温升的计算公式均不适用于直线电机,需采用新的计算公式。

(8)悬浮和牵引系统合二为一,可根据列车重量确定电机磁路所需励磁。先由车重确定悬浮力的大小,然后计算出气隙磁密和气隙磁通,即可确定磁路所需励磁磁动势。

(9)列车重量在运行时可近似看作常数,因此悬浮力及产生悬浮力的气隙磁密基本恒定,运行时调节励磁电流以保持气隙磁密不变,可见推力大小与定子绕组电流成正比。

(10)由速度公式v=2 fτ可知,频率增加时,速度增大,运行阻力必定增大,因此所需推力及电流须相应增大,即频率最大时运行阻力最大,相应的推力及电流的稳态值也将为最大。

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图2 主程序框图

(12)运行时保持气隙磁通不变,则电机磁路各部分的磁通密度也不变,因此磁路所需励磁磁动势一定而与频率无关。

(13)电枢反应发生在列车所在位置,电枢反应电抗及电枢反应磁动势计算与一般旋转电机相同。无列车处,定子绕组只产生漏磁通和漏电动势。

(14)由于铁耗近似与频率的1.3 次方成正比,还与气隙磁密的平方成正比,而列车重量一定时气隙磁密不变,因此铁耗只随频率变化,频率最大时铁耗最大;又由于铜耗与电流的平方成正比,而频率最大时电流稳态值最大,因此频率最大时稳态运行时的铜耗也最大。

1.3 电磁设计程序框图在长定子同步直线电动机电磁设计特点的基础上,编制了其电磁设计程序,主程序框图如图2 所示。

2 计算例题

用本程序对长定子同步直线电动机进行了计算,算例尺寸如图3 所示。列车由两节车辆组成,总长54. 2 m,列车总重108. 4 t,最大速度400 km/ h,运行阻力60. 4 kN (400 km/ h 时)。 电动机Y接法,最大相电压4 500 V,最大相电流1 200 A,供电频率0~215 Hz,主极极对数160,极距258 mm,气隙10 mm。

newmaker.com
图3 长定子同步直线电动机算例尺寸

计算得到的参数值为:75 ℃ 、215 Hz 时,300 m 供电区段定子每相电阻为0. 283 8 Ω ,定子漏抗为21021 8Ω ,直轴同步电抗为1. 195 8Ω ,交轴同步电抗为0. 943 3Ω ,励磁绕组电阻为0. 815 5Ω ,励磁绕组漏抗为0.172 9 Ω。其它主要计算数据为:气隙磁位降为11 967 A,空载所需励磁磁动势为12 630 A,额定负载时所需励磁磁动势为1 2280 A。空载时励磁绕组电流密度为1. 79 A/mm2,额定负载时励磁绕组电流密度为1. 74 A/ mm2 ,励磁装置额定电压为295 V ,额定电流为307 A ,额定容量为90 kW。

300 m 供电区段内,当列车以400 km/ h 的速度恒速运行时,电动机额定相电压为4441 V ,额定相电流为758 A ,总损耗为647 W ,额定效率为91 %。

3 结束语

介绍了长定子同步直线电动机的工作原理,指出了其电磁设计特点并编制了电磁设计程序,为长定子同步直线电动机的计算提供了依据。

参考文献:
[ 1 ] 刘华清等编译. 磁悬浮列车Transrapid 旅行者的新选择[ M ]. 成都:电子科技大学出版社,1995.
[ 2 ] Meins J ,Miller L ,Mayer W J . The high Speed Maglev TransportaTIon System Transrapid[J ]. IEEE Trans. MagneTIcs ,1998,24(2) :808 -811.
[ 3 ] 连级三. 磁浮列车原理及技术特征[J ]. 电力机车技术,2001 ,24(3) :23 -26.
[ 4 ] 凸极同步电机电磁计算公式[D ]. 北京:中华人民共和国第一机械工业部,1965。

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发表于 2017-12-04 18:42 4459次阅读
电动机、吹风机接线图解(含单相电容、三相异步电动...

电动机绕组温度的测量

电动机在运行过程中所产生的各种能量损耗(铜耗、铁耗、附加损耗等),都转化为热量,引起电动机绕组、铁芯...

发表于 2017-12-02 09:59 472次阅读
电动机绕组温度的测量

单壁碳纳米管在等离子体激元领域中的发展解读

在操作中,装置通过电激励单壁奈米碳管起作用,所述单壁碳纳米管将其激发能量释放到近场区域中的表面等离子...

发表于 2017-11-30 17:10 995次阅读
单壁碳纳米管在等离子体激元领域中的发展解读

抗干扰磁环的原理,作用使用方法

EMI吸收磁环/磁珠多股线缆上的EMI干扰抑制,包括电源线上的噪声和尖峰干扰,它同时具有吸EMI吸收...

发表于 2017-11-28 18:38 1790次阅读
抗干扰磁环的原理,作用使用方法

五个注意事项让你避免电动机烧毁

保证电动机经常在额定电流下工作,电动机过载运行,主要原因是拖动的负荷太大,电压低,或被带动的机械卡滞...

发表于 2017-11-23 09:16 1226次阅读
五个注意事项让你避免电动机烧毁

一文知晓弹簧操作机构基本动作原理

CT19B弹簧操作机构可以操作各类10KV固定柜上之ZN28型户内高压真空断路器及其合闸功与之相当的...

发表于 2017-11-13 15:11 419次阅读
一文知晓弹簧操作机构基本动作原理

电动机正反转自动循环控制电路原理

限位开关SQ3、SQ4限位保护作用:SQ3与SQ4安装在极限位置,由于某种故障,工作台到达SQ1(或...

发表于 2017-11-10 16:26 1138次阅读
电动机正反转自动循环控制电路原理

电动机断电再启动电路接线图

一般电气控制电路,都具有失压保护功能,以避免断电再来电时造成电动机自起动的事故。但在有些工业生产场合...

发表于 2017-11-10 16:21 1353次阅读
电动机断电再启动电路接线图

软启动器启动前与启动后的常见故障分析

一般电动机的控制装置采用接触器直接启停的方式,是因为它控制方式简单、经济,但是它对系统的冲击大,控制...

发表于 2017-11-10 15:36 533次阅读
软启动器启动前与启动后的常见故障分析

浅析电机冒烟故障及对策

1.电源电压过高,使铁心磁通密度过饱和造成电动机温升过高:如果电源电压超过标准很多,应与供电部门联系...

发表于 2017-11-10 11:50 167次阅读
浅析电机冒烟故障及对策

如何看待电动机功率、转速、扭矩之间的关系

功率的概念是单位时间所做的功,在一定功率的条件下,转速转速越高,扭矩就越低,反之就越高。比如同样1....

发表于 2017-11-08 17:36 13565次阅读
如何看待电动机功率、转速、扭矩之间的关系

关于电动机能效提升问题(三相交流异步电动机为例)

定子铜耗在电动机损耗中占有相当大的比例。如何降低定子铜耗,对提高电动机的效率非常关键。降低定子铜耗就...

发表于 2017-11-07 08:59 171次阅读
关于电动机能效提升问题(三相交流异步电动机为例)

一文读懂减速机的原理作用

减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备,把电动机。内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数...

发表于 2017-11-06 16:35 578次阅读
一文读懂减速机的原理作用

详解电动机软起动器的节电原理及应用

软起动器箱内面板上设有两个速率微动开关,分别对应四种起动速率:重载、次重载、次轻载、轻载,起动时间分...

发表于 2017-11-06 15:17 151次阅读
详解电动机软起动器的节电原理及应用

怎么用摇表测量确定三相电机的好坏

般情况下,在确定供电没有问题的情况下,电机不能启动,使用万用表打在欧姆档,红表笔接电机的一根接线柱,...

发表于 2017-11-02 13:34 1755次阅读
怎么用摇表测量确定三相电机的好坏

如何预防电动机烧毁

电机在运行的过程中,进风口方圆3米内不得有尘土、水渍和杂物,否则一旦被吸入电机,就会形成短路介质,或...

发表于 2017-11-02 13:27 195次阅读
如何预防电动机烧毁

电动机为什么要电容器

简单的说电容就是起到产生相位差,而让电动机磁场产生“异步”,电动机就旋转了。单相异步电动机由主绕组(...

发表于 2017-10-27 15:28 1621次阅读
电动机为什么要电容器

一文读懂变频器漏电的解决方法

电动机的三相定子绕组流过电流之后产生了旋转磁场,而根据电磁感应的原理,电动机的外壳就会产生感应电动势...

发表于 2017-10-05 22:49 641次阅读
一文读懂变频器漏电的解决方法

什么是电动机扭矩_电机功率与扭矩的关系_电动机扭...

电动机扭矩又称电机转矩、电机力矩或电机扭矩,简单的说,就是转动的力量的大小。

发表于 2017-08-24 11:00 305次阅读
什么是电动机扭矩_电机功率与扭矩的关系_电动机扭...

电动机综合保护器作用_电机综合保护器接法_电机综...

电动机综合保护器采用先进的微机技术与高性能的集成芯片,整机功能强大、性能优越。测试精度高,线性度好,...

发表于 2017-08-15 19:16 7213次阅读
电动机综合保护器作用_电机综合保护器接法_电机综...

三相异步电动机控制电路与正反转控制原理图详解

三相交流异步电机的定子铁芯槽内,嵌有相差120°电角度的三相绕组。三相交流电每相也相差120°电角度...

发表于 2017-08-14 14:39 11864次阅读
三相异步电动机控制电路与正反转控制原理图详解

详解直流电动机的工作原理

直流电机的物理模型图解释。这是分析直流电机的物理模型图。其中,固定部分有磁铁,这里称作主磁极;固定部...

发表于 2017-05-26 11:51 552次阅读
详解直流电动机的工作原理

电动机的一些故障分析和解决方案

电动机作为人们生产和生活中不可缺少的重要的动力提供者,在使用的过程中很多的电机会出现发热很严重的现象

发表于 2017-05-25 10:47 663次阅读
电动机的一些故障分析和解决方案

直流电机和三相电机都是什么,工作原理分析,直流电...

当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割...

发表于 2017-05-11 11:40 1330次阅读
直流电机和三相电机都是什么,工作原理分析,直流电...

霍尔传感器是什么?霍尔传感器的工作原理,霍尔传感...

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Ha...

发表于 2017-05-05 15:07 1846次阅读
霍尔传感器是什么?霍尔传感器的工作原理,霍尔传感...

过载和短路的区别,如何分辨过载保护和短路保护,线...

 短路保护是在电路发生故障,比如不经过负载,导线的电阻几乎可以忽略不计,因此瞬间产生的极大的电流提供...

发表于 2017-04-27 15:08 3215次阅读
过载和短路的区别,如何分辨过载保护和短路保护,线...

17张经典动态图带您看懂电动机运行原理,明白的都...

直流电机的设计中,如果采用两个线圈(两极),在静止状态时,线圈与磁场平衡,线圈产生的转动力矩无法克服...

发表于 2017-03-11 08:59 9890次阅读
17张经典动态图带您看懂电动机运行原理,明白的都...

这是世界上最简单的电动机!

当电子在磁场中运动的时候,会受到一个同时垂直于磁场方向和电子运动方向的力,称为洛伦兹力。这个单极电机...

发表于 2017-03-08 10:12 752次阅读
这是世界上最简单的电动机!

让你知道电动机工作原理,在家都能玩

一根铁钉,一颗电池,一条电线,一个纽扣磁铁(建议用耳机上的电磁铁),只要你用上面这些东西,30秒就能...

发表于 2017-03-06 15:18 899次阅读
让你知道电动机工作原理,在家都能玩

电机节能的六种方案

耗能表现主要在以下几方面:一是电机负载率低。由于电动机选择不当,富裕量过大或生产工艺变化,使得电动机...

发表于 2017-02-27 18:26 647次阅读
电机节能的六种方案

电机绕组接错的几种情况

绕组接错造成不完整的旋转磁场,致使启动困难、三相电流不平衡、噪声大等症状,严重时若不及时处理会烧坏绕...

发表于 2017-02-10 05:34 409次阅读
电机绕组接错的几种情况

特斯拉商标含义解析:原来是电动机横截面!

据外媒报道,汽车制造公司的商标往往被等同于它生产的汽车。因此,商标的设计工作就显得至关重要了。特斯拉...

发表于 2017-02-06 10:49 313次阅读
特斯拉商标含义解析:原来是电动机横截面!

控制电机的几种控制电路原理图

本文主要给大家介绍一下,控制电机的几种控制原理图,覆盖了所有电机的控制形式。

发表于 2017-01-20 13:56 17052次阅读
控制电机的几种控制电路原理图

特斯拉斥资3.5亿美元于超级电池工厂建立电动机生...

据外媒报道,美国内华达州州长布莱恩˙桑多瓦近日在接受采访时表示,特斯拉将在其超级电池工厂中生产Mod...

发表于 2017-01-19 10:53 636次阅读
特斯拉斥资3.5亿美元于超级电池工厂建立电动机生...

可用于多领域的电机功率驱动电路设计—电路精选(4...

无刷直流电动机是随着电力电子技术和高性能永磁材料而迅速发展并得到广泛应用的新机种。无刷直流电动机不仅...

发表于 2017-01-18 17:05 2640次阅读
可用于多领域的电机功率驱动电路设计—电路精选(4...

18种电动机降压启动接线方法

自耦减压启动是笼型感应电动机(又称异步电动机)的启动方法之一。它具有线路结构紧凑、不受电动机绕组接线...

发表于 2017-01-13 14:19 1916次阅读
18种电动机降压启动接线方法

异步电动机的工作原理与结构

异步电机是一种交流电机,主要作为电动机用。异步电机运行时,在气隙中的旋转磁场与转子绕组之间存在相对运...

发表于 2017-01-11 09:52 630次阅读
异步电动机的工作原理与结构

专家指点,单相电动机常见故障诊断与处理,都是干货...

电源电压正常,通电后电机不起动,电源接线开路(电机完全无声响)。测量接线端子两端应无电压。

发表于 2017-01-11 09:47 364次阅读
专家指点,单相电动机常见故障诊断与处理,都是干货...

电力拖动系统中,电动机如何选择?

电动机在运行过程中, 由于总损耗转换的热量不断产生, 电动机温度升高, 就有了温升, 电动机就要向周...

发表于 2017-01-10 15:07 670次阅读
电力拖动系统中,电动机如何选择?

NASA推出电磁背包:可跟踪消防战士在救火时的实...

尽管消防员已经有了像热成像面罩和耐热阻燃织物制成的消防服等高科技装备,但如何在浓烟滚滚的起火建筑复杂...

发表于 2016-12-21 18:58 214次阅读
NASA推出电磁背包:可跟踪消防战士在救火时的实...