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研究背景 磁悬浮列车作为一种新型的无接触地面轨道交通运输工具,其牵引依靠直线电机,根据工作原理可分为中低速磁悬浮列车的直线感应电机(Linear Induction Motor, LIM)和高速磁悬浮列车的直线同步电机(Linear Synchronous Motor, LSM)两种。对于LSM,长定子表面均匀开设用于放置电枢绕组的开口槽,具有较大的齿槽效应。 齿槽效应不仅会引起推力与悬浮力的波动,而且还会影响动子励磁磁极,一方面在励磁绕组中产生感应电压,给绕组绝缘产生压力;另一方面在励磁铁心中产生铁耗,引起励磁磁极温升升高。 主要内容 通过气隙磁密的解析结果与有限元结果的对比可以发现,在磁极齿下的空气隙,即图1中虚线圆圈标注的部位,此时定子槽部与磁极齿部相对,可以明显看到齿槽效应导致气隙磁密减小、谐波分量增大。在该区域,解析解与有限元非常接近。 图1 定子齿槽效应产生的气隙磁场谐波,最终会产生6 倍次推力波动和悬浮力波动,这可以从有限元结果中看出,如图2。 结果显示,次数为6、12、18等6倍次谐波分量远大于其他次数的谐波分量,占所有谐波分量的96%,说明推力波动主要是由齿槽效应引起的。磁浮列车由左右两侧的长定子LSM同时驱动,如果两侧齿槽相对,6 倍次推力波动就会产生180°的相位差,从而有效减小车辆的推力波动。 图2 定子齿槽效应产生的气隙磁场谐波,也会在励磁绕组中产生6倍次的感应电动势。不同速度下,求得励磁绕组感应电压的频谱图,如图3。可以发现,感应电压都由6倍次谐波产生,主要集中在6次、12次与18次。 图3 定子齿槽效应产生的气隙磁场谐波,也会在励磁铁心中产生铁耗。励磁绕组在磁浮车辆运行中连续工作,如果温升过高,可能会导致励磁绝缘损坏,危害系统正常运行。由图4中可见,励磁铁心损耗随速度的增加而增加,利用二次函数可以较好拟合增长曲线。 图4 结论 (1)齿槽效应在推力与悬浮力中产生6倍次波动,在磁悬浮列车中通过轨道两侧长定子铁心的齿槽错位,就能够有效削弱齿槽效应的影响。 (2)齿槽效应在励磁绕组中的感应电压随着速度增加线性增大,所以超高速运行下会对励磁绕组的绝缘产生很大的影响; (3)齿槽效应在励磁铁心中的损耗随着速度增大呈平方增大,由于走行风的散热能力基本与速度的0.8次方成正比,所以超高速运行下励磁磁极的温升是必须要研究的问题。 引用本文 章九鼎, 卢琴芬. 长定子直线同步电机齿槽效应的计算与影响[J]. 电工技术学报, 2021, 36(5): 964-972. Zhang Jiuding, Lu Qinfen. Calculation and Influences of Cogging Effects in Long-Stator Linear Synchronous Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 964-972. |
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