用于磁懸浮列車的長定子同步直線電動機的電磁設計

摘　要:介紹用于磁懸浮列車中的長定子同步直線電動機的工作原理,指出其電磁設計特點,特別是與一般旋轉電機在設計上的不同之處. 并編制了電磁設計程序,為長定子同步直線電動機的計算提供了依據.
關鍵詞:磁懸浮列車;長定子同步直線電動機;電磁設計
國外的交通研究報告指出,距離約為800 km 的大城市之間的中遠程運輸,對于汽車和火車來說距離太遠,對飛機又顯得太近,從成本上來說很不經濟. 然而,這一距離對于磁懸浮列車來說卻非常適合,磁懸浮列車以高達500 km/ h 的運行速度可以填補汽車、火車與飛機之間的交通運輸空擋,還能減輕汽車和飛機對環境的污染[ 1 ]. 因此磁懸浮列車將成為現有交通運輸系統的有力補充,并使工業國家存在的高速長途運輸問題有望得以解決.
高速磁懸浮鐵道運輸有EMS 與EDS 兩大系統. EMS(機車車輛側驅動) 是一種吸引式電磁懸浮系統, EDS(軌道側驅動) 是一種排斥式電動懸浮系統. 德國磁懸浮列車的發展經歷了從長定子同步直線電動機的EDS , 到短定子異步直線電動機的EMS , 再到長定子同步直線電動機的EMS 的過程,并最終確定了長定子EMS 的發展路線.
德國高速磁懸浮列車以其無接觸式電磁懸浮、驅動和導向系統為鐵路交通開辟了新的前景. 磁懸浮列車的速度高達500 km/ h , 盡管運行速度很高但能量消耗卻不大,運行時沒有摩擦損耗,舒適性好,對環境的影響很小[ 2 ]. 另外其懸浮和導向系統環繞導軌(即車輛從外面包著路面),且懸浮、導向和制動功能被設計成既是冗余的又是各不相同的,因此運行時非常安全.
德國磁懸浮列車經過長達數10 年的發展,技術已趨于成熟,目前幾個國家如德國、美國和中國等正考慮將長定子磁懸浮列車投入使用. 在美國,拉斯維加斯已決定在該城與洛杉磯之間的交通線上使用德國的高速磁懸浮列車;德國針對磁懸浮列車在國內的應用,也展開了大規模的調查, 萊茵走廊/ 美茵—萊茵/ 魯爾以及北德和南德地區均屬考慮之列;中國上海正在建造磁懸浮鐵路,使用德國高速磁懸浮列車TR -08 技術,力爭成為世界上第一條實際應用的磁懸浮鐵路.
1 　長定子同步直線電動機
1. 1 　工作原理
德國TR 型磁懸浮列車無接觸式的牽引技術要求采用長定子同步直線電機驅動. 電機定子鐵心由015 mm 厚的電工鋼片疊壓而成,被固定在導軌的下部;定子三相繞組由防護電纜組成,預先成形,并由敷線車將其嵌放在導軌兩側的定子槽中. 定子三相繞組通電后,產生一個移行磁場,與布置在車輛上的懸浮(勵磁) 磁鐵相互作用,實現牽引. 其工作原理如圖1 所示.

圖1 　長定子同步直線電機的工作原理圖
為獲得恒定的懸浮力,德國TR 型磁懸浮列車采用吸引式電磁懸浮原理,由同步電機的定子鐵心與車輛上的懸浮磁鐵之間形成氣隙磁通產生懸浮力. 其懸浮和牽引系統合二為一,這也是德國TR 型磁懸浮列車的優勢所在. 為滿足列車高速運行的要求, TR 型磁懸浮列車采用獨立的導向系統,線路兩側垂直地布置有鋼板(導向和制動軌),車輛兩側相應地布置有導向磁鐵,它與線路的鋼板形成閉合回路. 電磁鐵線圈通電后,可產生足夠的橫向導向力,但獨立導向系統增加了車的重量和線路成本[ 3 ].
因線路很長,為避免能量損失,將長定子線路分成獨立區段,只在車輛所在區段接通電源,由變電站向安裝在線路兩側的定子三相繞組供電. 改變三相交流電流頻率,可從靜止到運行速度范圍內連續調整牽引力.
1. 2 　電磁設計特點
長定子同步直線電動機與一般旋轉電機相比,設計計算大致相同,需要經過磁路計算、參數計算、額定勵磁磁動勢計算、勵磁數據計算、損耗和效率計算幾個部分[4 ]. 所不同的是設計長定子同步直線電動機時,要考慮長定子直線電機的自身特點、以及與一般旋轉電機的不同之處,主要表現為:
(1) 旋轉電機轉子受離心力作用,直線電機轉子不受離心力.
(2) 旋轉電機徑向單邊磁拉力互相抵消,只剩下切向力,產生電磁轉矩;直線電機單邊磁拉力不抵消, 正好利用它作為懸浮力.
(3) 直線電機具有邊緣效應.
(4) 一般旋轉電機定子繞組長期工作,繞組內一直流有電流;而長定子直線電機定子繞組是短時間通電,短時工作.
綜上所述,可見長定子同步直線電動機有其自身的電磁設計特點,現歸納如下:
(1) 電機極數多, 取每極每相槽數q = 1 ;為便于布置繞組, 長定子采用單層繞組, 用電纜線直接埋入.
(2) 長定子繞組短時工作, 定子繞組電流密度j1 可選得大一些.
(3) 由于每極每相槽數q = 1 且采用均勻氣隙, 定子齒諧波磁動勢較大, 利用其產生的一階和二階齒諧波磁場與裝在轉子勵磁磁極表面上的直線發電機繞組相互作用, 在直線發電機繞組中感應出交流電, 輸出電功率. 當列車運行速度超過100 km/ h 時, 車輛所必需的勵磁磁能、空調、照明裝置以及輔助裝置所必需的能源均由直線發電機提供.
(4) 轉子不受離心力的影響, 而且氣隙均勻, 因此主極不再需要模壓的極靴.
(5) 利用單邊磁拉力作為懸浮力, 因此直線電機除計算推力外, 還要計算懸浮力.
( 6) 邊緣效應要用有限元法計算, 對直軸同步電抗x d 、交軸同步電抗x q 和直軸瞬態電抗x d ′等參數及推力要進行適當修正.
(7)旋轉同步電機的集膚效應系數KF 的計算公式不能用于直線電機, 頻率f > 30 Hz 時,直線電機隨頻率變化的系數取KF = 1 +0.004(f -30).另外,因結構不同,旋轉同步電機的機械損耗和溫升的計算公式均不適用于直線電機,需采用新的計算公式.
(8)懸浮和牽引系統合二為一,可根據列車重量確定電機磁路所需勵磁.先由車重確定懸浮力的大小,然后計算出氣隙磁密和氣隙磁通,即可確定磁路所需勵磁磁動勢.
(9)列車重量在運行時可近似看作常數,因此懸浮力及產生懸浮力的氣隙磁密基本恒定,運行時調節勵磁電流以保持氣隙磁密不變,可見推力大小與定子繞組電流成正比.
(10)由速度公式v=2 fτ可知,頻率增加時,速度增大,運行阻力必定增大,因此所需推力及電流須相應增大,即頻率最大時運行阻力最大,相應的推力及電流的穩態值也將為最大.

圖2 　主程序框圖


(12)運行時保持氣隙磁通不變,則電機磁路各部分的磁通密度也不變,因此磁路所需勵磁磁動勢一定而與頻率無關.
(13)電樞反應發生在列車所在位置,電樞反應電抗及電樞反應磁動勢計算與一般旋轉電機相同.無列車處,定子繞組只產生漏磁通和漏電動勢.
(14)由于鐵耗近似與頻率的1.3 次方成正比,還與氣隙磁密的平方成正比,而列車重量一定時氣隙磁密不變,因此鐵耗只隨頻率變化,頻率最大時鐵耗最大;又由于銅耗與電流的平方成正比,而頻率最大時電流穩態值最大,因此頻率最大時穩態運行時的銅耗也最大.

1.3 　電磁設計程序框圖在長定子同步直線電動機電磁設計特點的基礎上,編制了其電磁設計程序,主程序框圖如圖2 所示.
2 　計算例題
用本程序對長定子同步直線電動機進行了計算,算例尺寸如圖3 所示. 列車由兩節車輛組成,總長54. 2 m , 列車總重108. 4 t , 最大速度400 km/ h , 運行阻力60. 4 kN (400 km/ h 時). 電動機Y接法,最大相電壓4 500 V , 最大相電流1 200 A , 供電頻率0～215 Hz , 主極極對數160 , 極距258 mm , 氣隙10 mm.
計算得到的參數值為: 　75 ℃ 、215 Hz 時,300 m 供電區段定子每相電阻為0. 283 8 Ω ,定子漏抗為21021 8Ω ,直軸同步電抗為1. 195 8Ω ,交軸同步電抗為0. 943 3Ω ,勵磁繞組電阻為0. 815 5Ω ,勵磁繞組漏抗為0. 172 9 Ω. 其它主要計算數據為:氣隙磁位降為11 967 A , 空載所需勵磁磁動勢為12 630 A , 額定負載時所需勵


圖3 　長定子同步直線電動機算例尺寸磁磁動勢為1 2280 A. 空載時勵磁繞組電流密度為1. 79 A/mm2,額定負載時勵磁繞組電流密度為1. 74 A/ mm2 ,勵磁裝置額定電壓為295 V ,額定電流為307 A ,額定容量為90 kW.
300 m 供電區段內,當列車以400 km/ h 的速度恒速運行時,電動機額定相電壓為4441 V ,額定相電流為758 A ,總損耗為647 W ,額定效率為91 %.
3 　結束語
介紹了長定子同步直線電動機的工作原理,指出了其電磁設計特點并編制了電磁設計程序,為長定子同步直線電動機的計算提供了依據.

參考文獻:
[ 1 ] 劉華清等編譯. 磁懸浮列車Transrapid 旅行者的新選擇[ M ]. 成都:電子科技大學出版社,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 ] 連級三. 磁浮列車原理及技術特征[J ]. 電力機車技術,2001 ,24(3) :23 -26.
[ 4 ] 凸極同步電機電磁計算公式[D ]. 北京:中華人民共和國第一機械工業部,1965.