長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)工作原理及其電磁設(shè)計(jì)

摘 要：介紹用于磁懸浮列車中的長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的工作原理，指出其電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)，特別是與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)在設(shè)計(jì)上的不同之處. 并編制了電磁設(shè)計(jì)程序，為長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的計(jì)算提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：磁懸浮列車；長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)；電磁設(shè)計(jì)

國(guó)外的交通研究報(bào)告指出，距離約為800 km 的大城市之間的中遠(yuǎn)程運(yùn)輸，對(duì)于汽車和火車來說距離太遠(yuǎn)，對(duì)飛機(jī)又顯得太近，從成本上來說很不經(jīng)濟(jì)。然而，這一距離對(duì)于磁懸浮列車來說卻非常適合，磁懸浮列車以高達(dá)500 km/ h 的運(yùn)行速度可以填補(bǔ)汽車、火車與飛機(jī)之間的交通運(yùn)輸空擋，還能減輕汽車和飛機(jī)對(duì)環(huán)境的污染[ 1 ]。因此磁懸浮列車將成為現(xiàn)有交通運(yùn)輸系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，并使工業(yè)國(guó)家存在的高速長(zhǎng)途運(yùn)輸問題有望得以解決。

高速磁懸浮鐵道運(yùn)輸有EMS 與EDS 兩大系統(tǒng)。EMS（機(jī)車車輛側(cè)驅(qū)動(dòng)） 是一種吸引式電磁懸浮系統(tǒng)，EDS（軌道側(cè)驅(qū)動(dòng)） 是一種排斥式電動(dòng)懸浮系統(tǒng)。德國(guó)磁懸浮列車的發(fā)展經(jīng)歷了從長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的EDS，到短定子異步直線電動(dòng)機(jī)的EMS，再到長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的EMS 的過程，并最終確定了長(zhǎng)定子EMS 的發(fā)展路線。

德國(guó)高速磁懸浮列車以其無接觸式電磁懸浮、驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向系統(tǒng)為鐵路交通開辟了新的前景。磁懸浮列車的速度高達(dá)500 km/ h，盡管運(yùn)行速度很高但能量消耗卻不大，運(yùn)行時(shí)沒有摩擦損耗，舒適性好，對(duì)環(huán)境的影響很小[ 2 ]。另外其懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)環(huán)繞導(dǎo)軌（即車輛從外面包著路面），且懸浮、導(dǎo)向和制動(dòng)功能被設(shè)計(jì)成既是冗余的又是各不相同的，因此運(yùn)行時(shí)非常安全。

德國(guó)磁懸浮列車經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)數(shù)10 年的發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟，目前幾個(gè)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)等正考慮將長(zhǎng)定子磁懸浮列車投入使用。在美國(guó)，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(guó)的高速磁懸浮列車；德國(guó)針對(duì)磁懸浮列車在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，也展開了大規(guī)模的調(diào)查，萊茵走廊/ 美茵—萊茵/ 魯爾以及北德和南德地區(qū)均屬考慮之列；中國(guó)上海正在建造磁懸浮鐵路，使用德國(guó)高速磁懸浮列車TR -08 技術(shù)，力爭(zhēng)成為世界上第一條實(shí)際應(yīng)用的磁懸浮鐵路。

1 長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)

1.1 工作原理

德國(guó)TR 型磁懸浮列車無接觸式的牽引技術(shù)要求采用長(zhǎng)定子同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)定子鐵心由015 mm 厚的電工鋼片疊壓而成，被固定在導(dǎo)軌的下部；定子三相繞組由防護(hù)電纜組成，預(yù)先成形，并由敷線車將其嵌放在導(dǎo)軌兩側(cè)的定子槽中。定子三相繞組通電后，產(chǎn)生一個(gè)移行磁場(chǎng)，與布置在車輛上的懸?。▌?lì)磁） 磁鐵相互作用，實(shí)現(xiàn)牽引。其工作原理如圖1 所示：

圖1 長(zhǎng)定子同步直線電機(jī)的工作原理圖

為獲得恒定的懸浮力，德國(guó)TR 型磁懸浮列車采用吸引式電磁懸浮原理，由同步電機(jī)的定子鐵心與車輛上的懸浮磁鐵之間形成氣隙磁通產(chǎn)生懸浮力。其懸浮和牽引系統(tǒng)合二為一，這也是德國(guó)TR 型磁懸浮列車的優(yōu)勢(shì)所在。為滿足列車高速運(yùn)行的要求，TR 型磁懸浮列車采用獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng)，線路兩側(cè)垂直地布置有鋼板（導(dǎo)向和制動(dòng)軌），車輛兩側(cè)相應(yīng)地布置有導(dǎo)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(chǎn)生足夠的橫向?qū)蛄?，但?dú)立導(dǎo)向系統(tǒng)增加了車的重量和線路成本[ 3 ]。

因線路很長(zhǎng)，為避免能量損失，將長(zhǎng)定子線路分成獨(dú)立區(qū)段，只在車輛所在區(qū)段接通電源，由變電站向安裝在線路兩側(cè)的定子三相繞組供電。改變?nèi)嘟涣麟娏黝l率，可從靜止到運(yùn)行速度范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整牽引力。

1. 2 電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，設(shè)計(jì)計(jì)算大致相同，需要經(jīng)過磁路計(jì)算、參數(shù)計(jì)算、額定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算、勵(lì)磁數(shù)據(jù)計(jì)算、損耗和效率計(jì)算幾個(gè)部分[4 ]。所不同的是設(shè)計(jì)長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)時(shí)，要考慮長(zhǎng)定子直線電機(jī)的自身特點(diǎn)、以及與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的不同之處，主要表現(xiàn)為：

（1） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子受離心力作用，直線電機(jī)轉(zhuǎn)子不受離心力。

（2） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向單邊磁拉力互相抵消，只剩下切向力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；直線電機(jī)單邊磁拉力不抵消，正好利用它作為懸浮力。

（3） 直線電機(jī)具有邊緣效應(yīng)。

（4） 一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子繞組長(zhǎng)期工作，繞組內(nèi)一直流有電流；而長(zhǎng)定子直線電機(jī)定子繞組是短時(shí)間通電，短時(shí)工作。

綜上所述，可見長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)有其自身的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)，現(xiàn)歸納如下：

（1） 電機(jī)極數(shù)多，取每極每相槽數(shù)q = 1 ；為便于布置繞組，長(zhǎng)定子采用單層繞組，用電纜線直接埋入。

（2） 長(zhǎng)定子繞組短時(shí)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(shù)q = 1 且采用均勻氣隙，定子齒諧波磁動(dòng)勢(shì)較大，利用其產(chǎn)生的一階和二階齒諧波磁場(chǎng)與裝在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁極表面上的直線發(fā)電機(jī)繞組相互作用，在直線發(fā)電機(jī)繞組中感應(yīng)出交流電，輸出電功率。當(dāng)列車運(yùn)行速度超過100 km/ h 時(shí)，車輛所必需的勵(lì)磁磁能、空調(diào)、照明裝置以及輔助裝置所必需的能源均由直線發(fā)電機(jī)提供。

（4） 轉(zhuǎn)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(jī)除計(jì)算推力外，還要計(jì)算懸浮力。

（ 6） 邊緣效應(yīng)要用有限元法計(jì)算，對(duì)直軸同步電抗x d 、交軸同步電抗x q 和直軸瞬態(tài)電抗x d ′等參數(shù)及推力要進(jìn)行適當(dāng)修正。

（7）旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的集膚效應(yīng)系數(shù)KF 的計(jì)算公式不能用于直線電機(jī)，頻率f > 30 Hz 時(shí)，直線電機(jī)隨頻率變化的系數(shù)取KF = 1 +0.004（f -30）。另外，因結(jié)構(gòu)不同，旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的機(jī)械損耗和溫升的計(jì)算公式均不適用于直線電機(jī)，需采用新的計(jì)算公式。

（8）懸浮和牽引系統(tǒng)合二為一，可根據(jù)列車重量確定電機(jī)磁路所需勵(lì)磁。先由車重確定懸浮力的大小，然后計(jì)算出氣隙磁密和氣隙磁通，即可確定磁路所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。

（9）列車重量在運(yùn)行時(shí)可近似看作常數(shù)，因此懸浮力及產(chǎn)生懸浮力的氣隙磁密基本恒定，運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)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(shí)，速度增大，運(yùn)行阻力必定增大，因此所需推力及電流須相應(yīng)增大，即頻率最大時(shí)運(yùn)行阻力最大，相應(yīng)的推力及電流的穩(wěn)態(tài)值也將為最大。

圖2 主程序框圖

（12）運(yùn)行時(shí)保持氣隙磁通不變，則電機(jī)磁路各部分的磁通密度也不變，因此磁路所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一定而與頻率無關(guān)。

（13）電樞反應(yīng)發(fā)生在列車所在位置，電樞反應(yīng)電抗及電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同。無列車處，定子繞組只產(chǎn)生漏磁通和漏電動(dòng)勢(shì)。

（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(shí)氣隙磁密不變，因此鐵耗只隨頻率變化，頻率最大時(shí)鐵耗最大；又由于銅耗與電流的平方成正比，而頻率最大時(shí)電流穩(wěn)態(tài)值最大，因此頻率最大時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的銅耗也最大。

1.3 電磁設(shè)計(jì)程序框圖在長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，編制了其電磁設(shè)計(jì)程序，主程序框圖如圖2 所示。

2 計(jì)算例題

用本程序?qū)﹂L(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，算例尺寸如圖3 所示。列車由兩節(jié)車輛組成，總長(zhǎng)54. 2 m，列車總重108. 4 t，最大速度400 km/ h，運(yùn)行阻力60. 4 kN （400 km/ h 時(shí)）。 電動(dòng)機(jī)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(duì)數(shù)160，極距258 mm，氣隙10 mm。

圖3 長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)算例尺寸

計(jì)算得到的參數(shù)值為：75 ℃ 、215 Hz 時(shí)，300 m 供電區(qū)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(lì)磁繞組電阻為0. 815 5Ω ，勵(lì)磁繞組漏抗為0.172 9 Ω。其它主要計(jì)算數(shù)據(jù)為：氣隙磁位降為11 967 A，空載所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為12 630 A，額定負(fù)載時(shí)所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為1 2280 A?？蛰d時(shí)勵(lì)磁繞組電流密度為1. 79 A/mm2，額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁繞組電流密度為1. 74 A/ mm2 ，勵(lì)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(qū)段內(nèi)，當(dāng)列車以400 km/ h 的速度恒速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(jié)束語

介紹了長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的工作原理，指出了其電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)并編制了電磁設(shè)計(jì)程序，為長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的計(jì)算提供了依據(jù)。